大跨径系杆拱桥更换吊索计算分析.pdf

-94-摘要：为了探究大跨径系杆拱桥更换吊索（断索）时的状况，以某125 m系杆拱桥为例，采用Midas Civil软件，建立了系杆拱桥的分析模型，分析了更换吊索时的静力特性、稳定特性和动力特性，获得了 125 m系杆拱桥更换吊索计算结果。分析结果表明：拆除顺桥向一对吊索工况下，结构整体受力较为均衡，不致造成结构整体失效垮塌；拆除一对吊索，对系杆拱总体稳定性影响较小；相比较于未拆除吊索成桥状态，振型频率基本相同，证明结构刚度变化不大。关键词：系杆拱桥；结构计算；大跨径；分析中图分类号：U443.38文献标识码：ACalculation and analysis of sling replacement in long span tied arch bridgeXIONG Yongsong1,WANG Peng2（1.Jingzhou Highway Development Center,Hubei Jingzhou 434000 China;2.Jingzhou Institute of Urban Planning and Design,Hubei Jingzhou 434000 China）Abstract:Inordertoexploretheconditionofsuspensionrodreplacement（brokencable）oflong-spantierodarchbridge,takinga125meterstierodarchbridgeasanexample,theanalysismodeloftierodarchbridgewasestablishedbyusingMidascivilsoftware,andthestaticcharacteristics,stabilitycharacteristicsanddynamiccharacteristicswereanalyzedwhentheslingwasreplaced.Thecalculationresultof125meterstierodarchbridgewhentheslingwasreplacedwasobtained.Theanalysisresultsshowthatundertheworkingconditionofremovingapairofboomalongthebridge,theoverallforceofthestructureismorebalanced,andtheoverallfailureofthestructurewillnotbecaused.Theremovalofapairofsuspenderhaslittleeffectontheoverallstabilityofthearch.Comparedwiththebridgeconditionwithoutremovingthesuspender,thevibrationmodefrequencyisbasicallythesame,whichprovesthatthestructuralstiffnesshaslittlechange.Key words:tiedarchbridge;structuralcalculation;longspan;analysis0 引言大跨径系杆拱桥具有外形美观、跨越能力大、耐久性好等优点，在我国运用广泛。在运营阶段，吊索容易出现锈蚀、剥落、涂装老化甚至断索等不利情况，不得不更换吊索，对大跨径系杆拱桥更换吊索的进一步研究显得更为必要。以某125m系杆拱桥为例，分析了更换吊索时的静力特性、稳定特性和动力特性，为类似工程提供参考。1 桥梁概况主桥上部结构为125m下承式钢管混凝土系杆拱桥，净矢跨比为1/5，主拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.167。桥梁横向设置两片拱肋，为等截面哑铃型钢管混凝土结构。单片拱肋断面采用两根1200mm钢管组成拱肋上、下弦杆。钢管灌注早强、缓凝、微膨胀C50混凝土。两道拱肋之间设有九道横撑以保证拱肋横向稳定。横撑采用六肢钢管桁架型，主管截面尺寸为600mm14mm，两侧对称布置，横撑所在平面与拱轴线垂直。本桥吊索间距6.0m，采用专用成品索，PES（FD）7-61型低应力防腐索体，标准强度1670MPa。系杆梁采用预应力混凝土箱型结构，高2.3m，宽1.8m，钢束采用s15.2低松弛高强度钢绞线，为体内预应力结构，系杆梁内钢束分三批张拉。全桥共设置端横梁两道，中横梁18道，端横梁采用箱型截面，高3.3m，宽5.0m，伸缩缝侧腹板厚85cm，相对侧腹板及顶底板厚度均为40cm。端横梁为预应力混凝土结构。大跨径系杆拱桥更换吊索计算分析熊永松1，王 鹏2（1.荆州市公路事业发展中心，湖北 荆州 434000；2.荆州市城市规划设计研究院，湖北 荆州 434000）收稿日期：2022-11-25作者简介：熊永松（1970），男，湖北荆州人，高级工程师。2023 年第 4 期山东交通科技-95-主桥布置及断面见图1、图2。图 1 主桥立面/cm10 749250 1801801801803005 000-32.200-31.00022.000250800设计最高通航水位24.264 m设计最低通航水位20.464 m图 2 主桥跨中断面/cm180180135 5590 906151%1 590设计高程18023018050路线设计线变坡点19590105502010 cm 沥青混凝土10 cm C50 混凝土防水层1 2159752%1 59061525.424.61802302 主要材料（1）主拱钢管、横撑的材质为Q345D钢材。（2）钢绞线采用s15.2低松弛高强度钢绞线，强度标准值为1860MPa。（3）吊索采用PESS7-61丝镀锌高强平行钢丝，强度标准值为1670MPa。（4）C50混凝土用于主跨预应力纵横梁及桥面板；C50微膨胀混凝土用于拱肋灌注混凝土。3 更换吊索（断索）计算3.1 静力计算本桥桥面系设计为纵横梁连续结构，利于结构整体受力，可适应吊索逐根更换。根据正常使用极限状态标准组合下吊索内力结果，8#吊索内力较大，验算拆除8#吊索状态下结构应力及内力的情况，判断结构是否安全。结构模型见图3。图 3 拆除 8#吊索模型z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z zzzzz拆 除 8#吊 索 时，系 杆 梁 上 缘 最 大 压 应 力由-13.18MPa增加到-14.48MPa，下缘最大压应力由-9.56MPa增加至-10.56MPa，除拱脚处局部模拟失真外，截面均处于受压状态。拆除 8#吊索时，该吊索相邻的 4 对吊索内力均有所增加，其中9#吊索内力由1100.0kN增加至1692.0kN，增幅最大，增加了592.0kN；7#吊索由1348.9kN增加至1772.9kN，增加了424kN。经计算，该工况下吊索最小安全系数为2.21，见表1。表 1 拆除 8#吊索时其余索力及安全系数吊索编号12345679吊索索力/kN1 0851 0881 1551 2451 3751 5291 7731 692破断力/kN3 9203 9203 9203 9203 9203 9203 9203 920安全系数3.613.603.393.152.852.562.212.32未拆除吊索成桥状态下系杆梁最大竖向位移为60.1mm，拆除8#吊索时，系杆梁最大竖向位移为54.5mm，相较于成桥状竖向位移减小了5.6mm。正常使用极限状态标准组合下，未拆除吊索成桥状态时，拱肋钢管上缘最大压应力为-157.1MPa，拱肋钢管下缘最大压应力为-121.0MPa，拱肋混凝土上缘最大压应力为-14.14MPa，拱肋混凝土下缘最大压应力为-10.72MPa。在拆除8#吊索状态下，拱肋钢上缘最大压应力为-155.7MPa，拱肋钢管下缘最大压应力为-119.3MPa，拱肋混凝土上缘最大压应力为-14.0MPa，拱肋混凝土下缘最大压应力为-10.72MPa。通过对比可知，拆除8#吊索，拱肋钢管最大压应力由原来的-157.1MPa减小到-155.7MPa，拱肋混凝土最大压应力由原来的-14.1MPa减小到-14.0MPa。除拱脚模拟局部失真外，主拱全截面受压状态，主拱受力基本均衡。3.2 稳定性计算偏安全地仅在拆除8#吊索并开放交通工况下进行稳定性验算。将恒载及活载均设定为变量，钢束预应力及吊索拉力设定为不变量，计算其稳定特征值。结果如下：第一阶失稳模态稳定系数为4.81，第二阶失稳模态稳定系数为5.29，第三阶失稳模态稳定系数为8.82，第四阶失稳模态稳定系数为10.44，第五阶失稳模态稳定系数为15.12。上述结果表明，结构整体稳定性较好，前5阶失稳模态未出现局部失稳情况，系杆拱结构最小稳定系数4.81，模态稳定系数与成桥状态基本相同。因此，拆除一对吊索，对系杆拱总体稳定性影响较小。3.3 动力特性计算动力分析采用MidasCivil进行，结构二期荷载及自重转化为分布质量，分析采用Lanczos迭代法，迭代20次计算，分析前5阶振型，其特征值结熊永松，王 鹏：大跨径系杆拱桥更换吊索计算分析-96-果：第一阶振型频率为0.440Hz，第二阶振型频率为0.813Hz，第三阶振型为1.017Hz，第四阶振型频率为1.430Hz，第五阶振型频率为1.482Hz。上述结果中，第一阶振型模态为拱肋面外侧弯，第二阶振型模态为主拱及桥面系面内反对称竖弯，符合下承式系杆拱振型一般规律。相比较于未拆除吊索成桥状态，振型基本相同，证明结构刚度变化不大。4 结语（1）拆除顺桥向一对吊索工况下，拱肋、吊索及系杆梁应力变化均相对较小，预应力系杆梁仍有一定压应力储备，结构整体受力较为均衡。（2）吊索断裂属于短时荷载，具有显著的动力效应，应考虑一定的冲击系数，但是计算复杂，本次仅按静力计算考虑，根据上述计算可初步判断，发生一对吊索断裂，不致造成结构整体失效垮塌。（3）拆除一对吊索，对系杆拱总体稳定性影响较小。前5阶失稳模态未出现局部失稳情况，系杆拱结构成桥最小稳定系数4.81，模态稳定系数与成桥状态基本相同。（4）在动力特性分析方面，第一阶和第二阶振型模态符合下承式系杆拱振型一般规律。相比较于未拆除吊索成桥状态，振型频率基本相同，证明结构刚度变化不大。参考文献：1 范立础.桥梁工程M.北京:人民交通出版社股份有限公司,20042 蔡敏.浅谈下承式系杆拱结构设计及计算分析J.城市道桥与防洪,2019（5）:127-129.3 谢朋林.钢管混凝土系杆拱桥计算分析与研究D.合肥:合肥工业大学,2016.4 马建磊,郭鹏,张博,等.清水河大桥钢丝绳骑跨式吊索制作工艺及质量控制J.公路,2017,62（4）:113-117.（上接第93页）3.6 挠度验算使用阶段挠度计算考虑荷载长期效应的影响，消除结构自重产生的长期挠度后，挠度长期增长系数为1.425，主梁最大挠度见表2。结构挠度小于容许值，刚度满足要求。表 2 主梁最大挠度位置挠度/mm跨径/m容许挠度/mm边跨跨中15.565108中跨跨中43.01101833.7 临时锚固验算工况模拟为悬臂最大阶段时，单侧掉挂篮和13#块，同时考虑对称侧风升举力，升举力根据箱梁底部面积，顺桥向每延米为13.5kN，计算得到临时锚固截面最大拉力为14900kN，临时锚固钢筋采用32mm高强精轧螺纹钢筋，计算需要28根，设计采用30根，满足临时锚固要求。4 结语采用桥梁专业软件桥梁博士V4建立杆系有限元模型，对主桥施工阶段及运营阶段进行详细计算分析，包括承载能力极限状态抗弯和抗剪验算，正常使用状态应力、抗裂及挠度验算。计算结果表明，主桥强度、应力、刚度验算均满足要求，其结构尺寸及验算内容可为类似工程提供参考。参考文献：1 高吉才,金庆利.大跨径PC变截面连续梁设计要点探讨J.中外公路,2010,30（6）:125-128.2 杨宝山.变截面连续梁的大节段支架现浇与挂篮悬浇对比分析J.公路交通科技,2013,9（6）:117-119.3 周军生.变截面连续梁式桥设计中应当注意的几个问题J.公路交通科技,2001（4）:63-65.4 郭永飞，李东潇.某跨高速变截面连续梁桥设计J.山东交通科技,2022（5）:124-125.