外倾式非对称系杆拱桥总体结构计算分析

黄道沸，王春生，冯盛文，高敏英

（四川西南交大土木工程设计有限公司广州分公司，广东广州510095）

外倾式非对称系杆拱桥总体结构计算分析

黄道沸，王春生，冯盛文，高敏英

（四川西南交大土木工程设计有限公司广州分公司，广东广州510095）

为研究外倾式拱桥稳定及极限承载力问题，以广州南沙蕉门河中心区车行桥为背景，采用MIDAS Civil有限元程序建立全桥有限元模型进行主桥总体结构计算，对该桥运营阶段的极限承载力以及弹塑性稳定状态下的稳定性进行分析。分析结果表明该桥各项指标均能满足规范要求，稳定性良好可靠。

外倾式非对称系杆拱桥；有限元法；稳定性；计算分析

1　工程概况

蕉门河中心区车行桥位于广州市南沙新区蕉门河中心区内，该桥西接南府路与滨水大道交叉口，向东跨越蕉门河后，接金岭一横路与海滨路交叉口。

道路等级为城市次干道，双向四车道，设计车速40 km/h，设计荷载为城-A级。桥梁所在区域设计基本风速38.4 m/s，抗震设防烈度为7度，桥下通航等级为内河Ⅵ级航道。车行桥效果图如图1所示。

2　结构设计

2.1拱肋

车行桥采用外倾式非对称拱桥，主、副拱分别绕旋转轴向面外旋转16°、18°而成。左侧拱肋名义跨径为75.5+155.5=231 m，右侧拱肋名义跨径为55.5+175.5=231 m。左侧拱肋的主跨跨径155.5 m，面内矢高44.955 m，矢跨比1/3.459。右侧拱肋主跨175.5 m，面内矢高54.641 m，矢跨比为1/3.212。

拱肋采用六边形钢箱结构，拱肋主材材质采用Q370qD-Z25钢板。左侧拱肋高度由拱座处的5.585 m变化到顶端的2.7 m，宽度由3.15 m变化到2.1 m；右侧拱肋高度由拱座处的6.582 m变化到顶端的3 m，宽度由3.6 m变化到2.4 m。拱肋拱脚灌C50的微膨胀混凝土。

2.2吊杆体系

全桥共设44根吊杆，左侧拱肋设置20根，右侧拱肋设置24根，吊杆纵向间距为6 m。吊杆采用环氧喷涂钢丝拉索；吊杆锚具采用冷铸锚，采用单端张拉，下端为张拉端，上端为锚固端。吊杆钢索采用双护层大节距扭绞型拉索，钢丝标准强度RY=1 670 MPa。

2.3系杆体系

全桥布置4根永久的柔性系杆，系杆规格为PESFD7X-163。每个拉索均由163束7mm镀锌热挤聚乙烯高强钢丝组成，拉索的标准强度RY= 1 670 MPa，钢丝束公称截面面积为62.73 cm2

2.4钢箱梁

钢箱梁采用正交异性板流线型扁平钢箱梁，梁高2.0 m，宽25.6 m。钢箱梁总长235 m，钢箱梁划分成58个节段。桥头两端处，钢箱梁、拱肋与钢横梁刚性连接，钢横梁两端设置支座，支撑于拱座基础上。

2.5下部结构

1、2号主墩下部结构采用整体承台群桩基础，每个承台下共15根φ2.0 m钻孔灌注桩。

0、3号边墩下部结构根据受力大小确定基础形式，0轴右侧、3轴左侧拱肋采用群桩基础，单个承台下设9根φ1.8 m钻孔灌注桩；0轴左侧、3轴右侧拱肋也采用群桩基础，单个承台下设9根φ1.2 m钻孔灌注桩。

车行桥桥型结构如图2、图3所示。

图2　桥型侧面（单位：m）

图3　桥型立面（单位：m）

3　结构仿真计算

3.1荷载取值

（1）自重：钢筋混凝土25 kN/m3；沥青混凝土23 kN/m3；钢材78.5 kN/m3；填土18 kN/m3；主桥各个构件均按实际重量加载。

（2）二期恒载：包括桥面铺装、防撞墙、人行道、人行道栏杆等按照实际重量统计。

（3）活载：道路按城市次干道设计，双向四车道，汽车荷载城-A级；人群荷载3.5 kPa。

（4）温度荷载

①钢结构：体系温变±30℃；

②混凝土结构：体系温变±20℃；

③索梁温差：±10℃；

④主、副拱肋温差：±5℃；

⑤混凝土梁梯度温差效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）采用。

（5）基础沉降：基础不均匀沉降按2 cm考虑。

3.2计算模型

桥梁结构计算模型如图4所示。计算采用通用有限元程序MIDAS/Civil建立空间有限元模型。整个桥梁结构划分为1 985个节点，3 393个单元。建模分析过程中，主拱、墩、桩采用三维梁单元模拟，主梁采用板单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，各个构件截面特性按照结构实际尺寸输入。

拱与端横梁、主梁与端横梁、墩、主梁通过主从节点进行连接。由于桩基穿过较厚淤泥层，不考虑淤泥层对桩基的约束作用。

图4　计算模型

4　结果分析

4.1拱肋应力

（1）大拱：拱顶最大拉应力112 MPa，拱顶最大压应力122 MPa（成桥阶段）；拱脚处最大拉应力95 MPa，拱脚处最大压应力127 MPa（成桥阶段），均小于Q370qD钢的弯曲容许应力值［σw］=220 MPa。

（2）小拱：拱顶最大拉应力84 MPa，拱顶最大压应力143 MPa（成桥阶段）；拱脚处最大拉应力126 MPa，拱脚处最大压应力135 MPa（成桥阶段），均小于Q370qD钢的弯曲容许应力值［σw］=220 MPa。

4.2主梁应力

主梁的最大应力为148 MPa（成桥阶段），小于规范规定的Q345qD弯曲容许应力［σw］= 210MPa。

4.3拉索

正常使用极限状态下索力如表1所示。

拉索最大拉应力为550 MPa（小拱6#索），小于规范规定的平行钢丝拉索容许应力［σ］=1670 MPa/2.5=668 MPa，最小拉应力为80 MPa（主梁落架阶段大拱24#拉索），说明拉索没有出现松弛的情况，施工过程中不会出现拉索松弛引发结构安全的危险。在成桥阶段恒载作用下，索力均匀性较好，拉索的安全系数均大于3。

表1　正常使用极限状态下索力

4.4位移

（1）大拱在车道荷载和人群荷载作用下（不计冲击力）的最大竖向挠度36mm（正负挠度绝对值之和），挠跨比1/1 518，小于规范允许值1/1 000。

（2）小拱在车道荷载和人群荷载作用下（不计冲击力）的最大竖向挠度31mm（正负挠度绝对值之和），挠跨比1/1 450，小于规范允许值1/1 000。

（3）主梁在车道荷载和人群荷载作用下的最大竖向挠度为0.111 m（第二跨），挠跨比为1/901，小于规范要求的1/800，说明行车舒适性较好。

4.5振型

采用子空间迭代法求解桥梁动力特性。按照设计规范规定，结构分析中对应振型参与质量要占总质量90%以上，为了保证计算精度，该桥共计算了前20阶振动频率和振型。由于一般情况下结构前几阶振动频率和振型起控制作用，本文只给出该桥的前10阶振动频率和周期，见表2。

该桥1阶自振周期为1.99 s，1阶自振频率为0.50 Hz，对应振型为主拱面外振动，如图5所示。其2阶到4阶自振模态见图6～图8。

4.6拱肋稳定性

主拱屈曲临界荷载系数为4.2，满足规范不小于4.0的要求。

表2　蕉门河车行桥前10阶振动频率和周期

图5　1阶自振模态（主拱面外振动）

图6　2阶自振模态（主梁横向弯曲）

图7　3阶自振模态（主拱、次拱反向面外振动）

图8　4阶自振模态（主梁扭转）

5　结语

蕉门河车行桥的设计方案，造型别致新颖，将桥梁的结构与功能，造型与功能、造型与艺术、景观与环境有机结合，其建成后可成为广州南沙区焦门公园内一道亮丽的风景。通过对该桥的计算分析，该桥各项指标均能满足规范要求，稳定性良好可靠，可为同类桥梁设计参考。

［1］JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范［S］.中华人民共和国交通部，2004.

［2］苏庆田，杨国涛.拱肋外倾角对异形空间拱桥受力的影响［J］.桥梁建设，2011，（1）：14-17.

［3］孟 杰.系杆拱桥结构体系研究［D］.湖南大学，2002.

［4］杨 光.异型拱桥的拱轴线优化和稳定分析［D］.大连理工大学，2008.

［5］张治成，徐芸青，王云峰，等.大跨度中承式拱桥侧向性稳定的空间有限元分析［J］.中南公路工程，2003，28（3）.

［6］张建民，郑皆连，秦 荣.拱桥稳定性研究与发展［J］.广西交通科技，2000，25（12）.

Overall Structure Calculation and Analysis of Tied-arch Bridge with Extroversion Asymmetric Arch Ribs

HUANG Dao-fei，WANG Chun-sheng，FENG Sheng-wen，GAO Min-ying
（Southwest Jiaotong University Civil Engineering Design Co.Ltd.，Guangzhou Branch，Guangzhou 510095，China）

To study the stability and ultimate bearing capacity of tied-arch bridge with extroversion asymmetric arch ribs，this paper，taking the Vehicular Bridge at Jiaomen River Central Area of Nansha District as a case，calculates the overall structure of the bridge using finite the commercial software MIDAS Civil，analyzes the ultimate bearing capacity during the bridge operation stageand the elastic-plastic stability under steady state.The results show that all the indexes of this Bridge can meet the requirements of specification with good stability and reliability.

tied-arch bridge with extroversionasymmetric arch ribs；finite element method；stability；calculation and analysis

U442.5

A

1671-8496-（2016）-03-0034-04

2016-06-07

黄道沸（1967-），男，高级工程师，硕士

研究方向：桥梁与隧道工程