大跨径系杆拱设计与计算分析.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 20 大跨径系杆拱设计与计算分析 王泽超 浙江中咨交通科技有限公司，浙江 杭州 311100 摘要：摘要：新建山门街大桥及接线位于桐乡市境内，路线全长 0.694km。其中山门街大桥桥长 400m，配跨3x13+6x20+83+4x20+6x13m。本次针对于 83m 拱桥采用 midas 进行整体结构计算、钢结构局部计算以及钢结构构件设计，整体结构计算计算内容：拱肋、系梁、桥面横梁、桥面纵梁、吊杆力、桥面板、整体稳定；钢结构构件设计计算内容：拱肋、横梁、纵梁。关键词：关键词：拱桥；整体；钢结构 中图分类号：中图分类号：U445 1 工程概况 新建山门街大桥及接线位于桐乡市境内，路线全长 0.694km。其中山门街大桥桥长 400m，配跨3x13+6x20+83+4x20+6x13m。总体布置：本桥平曲线位于直线段上，分跨线与道路设计中线正交，桥梁总长82m(桥面长度），计算跨径 80m，矢高 16m，矢跨比 1/5；桥梁竖曲线位于 R=2000m 的圆曲线上，桥梁跨径中心位于竖曲线顶点上；桥梁断面为 1.2m（拱肋、系梁）索区+0.4m 间隙+13m 道路+0.4m 间隙+1.2m（拱肋、系梁）索区=16.2m，桥面系设置双向横坡 2%。拱肋设计：拱肋采用由四块钢板拼接成的正矩形截面，材质为Q345D。拱肋高度为 1.6m，宽度为 1.2m，顶板、底板壁厚为 20mm，腹板厚度为 16mm；拱肋中轴线跨度为 80m，矢高为 16m；顶板、底板、腹板内侧均设置纵向加劲肋，纵肋厚度为 14mm，宽度为 140mm；沿拱肋水平方向每4m 设置一个吊点，在相邻吊点之间设置一道横隔板，横隔板上设置施工人孔，便于钢结构的加工及检测。2 技术标准和设计参数 技术标准：（1）设计时速：40km/h（2）桥面宽度：0.5+净-12.0m+0.5 m（3）设计荷载：城-B 级（4）设计通航标准：内河限制性级航道（5）地震动峰值加速度：a0.05g 3 主体结构计算 3.1 计算模型 全桥除吊杆采用桁架单元，桥面板采用板单元外，其他单元均采用梁单元模拟，单元划分长度 2m 左右，施工阶段根据实际施工顺序进行划分，成桥模型见图 1。图 1 成桥模型 3.2 计算结果 3.2.1 拱肋计算 图2为拱肋在承载能力极限状态下的应力包络图，其中最大压应力位于拱脚和 1/4 跨附近，值为 136MPa，最大拉应力出现在 1/4 跨附近，值为 32 MPa。施工过程中拱肋的应力水平始终保持在较低的状态，最大压应力仅为 80MPa。由以上结果知，拱肋的应力状态完全满足规范要求，承载能力极限状态下的应力安全系数为 1.8。拱肋 在 可变 荷 载作 用 下 的最 大 竖向 位 移为39mm80000/500=160mm，满足规范要求。3.2.2 系梁计算 图3为系梁在承载能力极限状态下的应力包络图，其中最大拉应力位于 1/4 跨附近，值为 131MPa。施工过程中系梁的应力水平始终保持在较低的状态，最大应力仅为 80MPa。由以上结果知，系梁的应力状态完全满足规范要求，承载能力极限状态下的应力安全系数为 1.8。系梁 在 可变 荷 载作 用 下 的最 大 竖向 位 移为56mm80000/500=160mm，满足规范要求。中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 21 图 2 承载能力极限状态拱肋应力包络图 图 3 基本组合下系梁应力包络图 图 4 承载能力极限状态横梁应力包络图 图 5 承载能力极限状态纵梁应力包络图 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 22 3.2.3 桥面横梁计算 图4为横梁在承载能力极限状态下的应力包络图，其中最大拉、压应力均出现在横梁跨中位置处，值分别为 176 MPa 和 146MPa。由以上结果知，横梁的应力状态完全满足规范要求，承载能力极限状态下的应力安全系数为 1.5。横梁在恒载以外其他荷载作用下的最大竖向位移为 13mm13000/500=26mm，满足规范要求。3.2.4 桥面纵梁计算 图 5 为桥面纵梁在承载能力极限状态下的应力包络图，纵梁的应力整体较为均匀，最大拉、压应力均出现在纵梁端部附近，值分别为 178 MPa 和 156MPa。由以上结果知，横梁的应力状态完全满足规范要求，承载能力极限状态下的应力安全系数为 1.5。3.2.5 吊杆力计算 吊杆最大应力在基本组合下为 461MPa，抗拉强度标准值为 1860 MPa，安全系数 4.0。为保证全桥施工过程及成桥后结构应力状态的均匀性，并考虑到施工的可操作性，全桥吊杆张拉采用三次张拉，第一次为安装吊杆时的初步张拉，第二次为桥面板浇筑完成时，第三次为二期施工完成。根据计算结果，第一次吊杆张拉力为 85kN，第二次吊杆张拉力为 270 kN，第三次吊杆张拉力为 355 kN。3.2.6 桥面板计算 桥面板单独建立模型计算，简化为单向板进行计算，汽车荷载采用城-A 级车辆荷载，经计算，桥面板的抗弯承载能力为 169kN m，最大设计值为 131kN m，满足规范要求；最大裂缝宽度为 0.08mm0.8*200/330=0.48，沿 c-c 受剪界 面 展 开 的 单 位 梁 长 桥 面 板 内 钢 筋 总 面 积 为10.30.8*1000/330=2.42，满足要求；与钢梁形成组合作用后的抗剪承载力最小值为 1120.1N/mm，由竖向剪力引起的界面纵向剪力为 586.1 N/mm，由收缩等引起的剪力为 852.2 N/mm，二者方向相反，按最不利组合后，仍小于抗剪承载力设计值，满足要求。3.2.7 稳定计算 根据 midas 计算结果，全桥在恒载和移动荷载作用下的稳定系数为 17.3，满足规范要求。4 其余钢构件计算 4.1 拱肋计算 拱肋截面为矩形箱梁，顶板、底板宽度为 1200mm，厚度为 20mm；腹板净高度为 1560mm，厚度为 16mm。按照钢结构设计规范5.4.3 条目，对顶板、底板配置一道纵向加劲肋，配置纵向加劲肋后，顶板、底板无支承宽度与厚度比值为 577/20=28.933（规范允许值），满足规范要求；对腹板配置三道纵向加劲肋，腹板计算高度与厚度比值为 386/16=24.133（规范允许值），满足规范要求；纵向加劲肋高度为 140mm，厚度为 14mm，满足公路钢结构桥梁设计规范5.1.5条目，第一条板肋的宽厚比的要求，同时加劲肋的截面积满足公路钢结构桥梁设计规范5.1.6 条目，公式（5.1.6.2）的规范要求，具体计算如下：顶板、底板加劲肋：纵肋截面积=140 x14=1960mm21200 x20/10 x（1+1）=1200mm2 腹板加劲肋：纵肋截面积=140 x14=1960mm21560 x16/10 x（3+1）=624mm2 拱肋沿轴线方向设置普通横隔板及锚点承压横隔板，隔板水平向最大间距为 2000mm，沿拱轴线方向最大间距为 2275mm，满足公路钢结构桥梁设计规范5.3.3 条目，第二条，腹板横向加劲肋的间距不得大于腹板高度的 1.5 倍（即 2400mm）。4.2 横梁计算 横梁截面为矩形钢梁，顶板、底板宽度为 600mm，厚度为 30mm；腹板净高度为 410mm540mm，厚度为16mm。按照钢结构设计规范5.4.3 条目，顶板、底板无支承宽度与厚度比值为 500/30=1733（规范允许值），满足规范要求，无需配置纵向加劲肋；按照钢-混凝土组合桥梁设计规范表 6.4.2 中，腹板高厚比满足规范要求，540/16=3450（规范允许值），无需设置纵向加劲肋。横梁横桥向设置普通横隔板，隔板最大间距为 710mm，满足钢-混凝土组合桥梁设计规范6.4.3 条目，第一条，腹板竖向加劲肋的间距不得大于腹板高度的 1.5 倍（即 710mm）。4.3 系梁设计 系梁截面为矩形箱梁，顶板、底板宽度为 1200mm，厚度为 20mm；腹板净高度为 1160mm，厚度为 16mm。按照钢结构设计规范5.4.3 条目，对顶板、底板配置一道纵向加劲肋，配置纵向加劲肋后，顶板、底板无中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 23 支承宽度与厚度比值为 577/20=28.933（规范允许值），满足规范要求；对腹板配置一道纵向加劲肋，腹板计算高度与厚度比值为 386/16=24.133（规范允许值），满足规范要求；纵向加劲肋高度为 140mm，厚度为 14mm，满足公路钢结构桥梁设计规范5.1.5条目，第一条板肋的宽厚比的要求，同时加劲肋的截面积满足公路钢结构桥梁设计规范5.1.6 条目，公式（5.1.6.2）的规范要求，具体计算如下：顶板、底板加劲肋：纵肋截面积=140 x14=1960mm21200 x20/10 x（1+1）=1200mm2 腹板加劲肋：纵肋截面积=140 x14=1960mm21160 x16/10 x（2+1）=619mm2 系梁顺桥向设置普通横隔板及锚点承压钢板，隔板水平向最大间距为 1760mm，满足公路钢结构桥梁设计规范5.3.3 条目，第二条，腹板横向加劲肋的间距不得大于腹板高度的 1.5 倍（即 1800mm）。4.4 纵梁计算 纵梁截面为工字形钢梁，顶板宽度为 500mm，厚度为 22mm；腹板净高度为 433mm 及 518mm，厚度为 16mm。按照钢-混凝土组合桥梁设计规范8.2 条目，顶板宽度与厚度比值为 500/22=22.7324（规范允许值），底板宽度为 500mm，厚度为 20mm，底板宽度与厚度比值为 500/20=2532（规范允许值），满足规范要求；按照钢-混凝土组合桥梁设计规范表 6.4.2 中，腹板高厚比满足规范要求，518/12=4450（规范允许值），无需设置纵向加劲肋。纵梁横桥向设置竖向加劲板，竖向加劲板最大间距为 700mm，满足钢-混凝土组合桥梁设计规范6.4.3 条目，第一条，腹板竖向加劲肋的间距不得大于腹板高度的 1.5 倍（即 710mm）。4.5 风撑计算 风撑的截面采用圆形钢管，主钢管直径采用 900mm，厚度为 16mm，支钢管直径采用 600mm，厚度为 16mm；按照公路钢结构桥梁设计规范10.1.2 条目，圆钢管的外径与壁厚之比为 900/16=5770（规范允许值），满足规范要求，同时满足 公路钢结构桥梁设计规范10.2.8 条目，900/16=5760（规范允许值），圆钢管不设置加劲肋板。4.6 端横梁设计 端横梁截面为矩形箱梁，顶板宽度为 1840mm，底板宽度为 1700mm，厚度为 20mm；腹板净高度为1950mm1820mm，厚度为 16mm。顶板、底板无支承宽度与厚度比值为 427/20=21.433（规范允许值），满足规范要求；顶板、底板加劲肋：纵肋截面积=140 x14=1960mm21700 x20/10 x（3+1）=850mm2 腹板加劲肋：纵肋截面积=140 x14=1960mm21950 x16/10 x（4+1）=624mm2 端横梁横桥向设置普通横隔板，隔板最大间距为2125mm，满足小于腹板高度的 1.5 倍的规范要求。5 结论 83m 钢结构系杆拱拱肋、横梁、系梁、吊杆力、纵梁、风撑、端横梁各杆件均满足规范要求，各杆件尺寸可作为钢结构系杆拱设计参考，通过模型分析，明确杆件受力最不利部位，并对最不利部位进行进一步受力分析，加强细部结构计算。参考文献 1吴冲.现代钢桥M.北京:人民交通出版社,2006.2赵延衡.桥梁钢结构细节设计M.成都:西南交通大学出版社,2011.3刘玉擎.组合结构桥梁M.北京:人民交通出版社,2005.