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斜拉索刚度对索辅梁桥结构效应影响分析

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第3期(总.g222期) 山西交通科技 NO.3 201 3年6月 SHANXI SCIENCE&TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS June 斜拉索刚度对索辅梁桥结构效应影响分析 程宇鹏 (山西省交通科学研究院,山西 太原030006) 摘要:以重庆东水门长江大桥为依托,采用有限元软件Midas Civil建模,对结构整体进行 控制计算,分析研究斜拉索刚度的变化对新型索辅梁桥成桥状态的主塔塔底弯矩、塔顶纵向位 移、牛腿处下弦杆弯矩、主梁跨中轴力、跨中挠度、索力的影响。 关键词:索辅梁桥;斜拉索;刚度;成桥状态;分析 中图分类号:U448.27 文献标识码:A 文章编号:1006-3528(2013)03--0078-03 近年来,随着国内轨道交通的发展,当受到地形 的,轨道交通要跨越江河的时候,不得不把桥梁 设计成公路和轨道共用的桥梁,这样不仅可以节省 成本,也具有很好的视觉效果。当把主梁设计成公路 和轨道共用的双层桥时,其刚度会得到很大的提高, 由此而来,出现了一种新的桥型叫索辅梁桥或“部分 缆索承重桥”(Partially Cable—Supported Girder Bridge)t”,它就是由具有很好刚度的主梁做为主要承 重体,缆索辅助主梁受力,根据实际情况的需要,梁 图1主梁断面图 和索各自充分发挥它们的承载能力。索辅梁桥是介 1.2索塔 于斜拉桥和矮塔斜拉桥之间的一种新的结构体系, 主塔是斜拉桥的主要构成要素,其高耸的形象 具有更好的适应环境的能力,其各种参数对结构效 引人注目,起着象征、标志的作用,是桥梁景观中最 应的影响还有待研究 ,本文仅针对斜拉索刚度对 重要的因素。 其结构效应的影响进行分析。 大桥南主塔塔高174.61 m,其中桥面以上109 m, 1工程概况 桥面以下为65.61 m;北主塔塔高165.882 in,其中 桥面以上109 In,桥面以下为56.9 m,高跨比为 本项目位于重庆市渝中半岛的东水门处,贯通 0.245。主塔采用箱型结构形式,C50混凝土,在塔柱 连接弹子石片区和碑CBD。为适应渝中半岛桥 上设置一对草莓型的牛腿以支撑主梁。 位处复杂的地形和有限的位置,东水门长江大桥只 1.3斜拉索 能采用双层桥梁形式,上层为公路交通,下层为轨道 斜拉索采用扇形布置,大桥每座塔设9对斜拉 交通,主梁采用钢桁梁。为了使其桥型结构与周围环 索,拉索在主梁上间距为16 m,在主塔上的间距为 境相协调,采用了双塔单索面的索辅梁桥。 3.8 111。斜拉索采用 s15.2钢铰线,钢丝强度=  .1.1主梁 1 860 MPa,斜拉索设计索力13 500 kN,规格为 主梁采用钢桁梁,钢桁梁采用了正交异性桥面 6—139,单根最短索长88.8 1TI,最长索长2l1.5 in,全 钢桁梁整体节点和整体节段的设计理念,钢桁梁为 桥共36根斜拉索。 222.5+445+190.5=858 m连续体系,标准桁高 l1.743 5 m。桥面宽度24 m(含拉索区),采用两主 桁,间距15 m。 收稿日期:2013—01—16;修回日期:2013—04—02 作者简介:程宇鹏(1984_ ),男,山西大同人,助理工程师,工学硕士,2006年毕业于重庆交通大学测绘工程专业, 2010年毕业于重庆交通大学桥梁与隧道工程专业。 2013年第3期 程宇鹏:斜拉索刚度对索辅梁桥结构效应影响分析 8国(主桥) ・79・ 图2东水门长江大桥桥型总体布置 2有限元模型的建立 为了研究斜拉索刚度的不同对索辅梁桥结构效 应的影响,采用有限元程序Midas Civil进行建模。 空间计算模型建模时,将全桥分为2 671个节点, 6 038个单元,其中主梁划分为3 798个单元,桥面 板划分为l 888个单元,主塔划分为316个单元,斜 拉索36个单元。在有限元模型中,36根斜拉索采用 只受拉的桁架单元,1 888个桥面板采用板单元,其 余均采用梁单元。计算模型见图3,主桥约束见表1。 桥梁计算采用的材料参数均根据公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范确定嘲。为了研究斜 拉索刚度对索辅梁桥结构效应的影响,本文假设桥 梁在成桥状态,只考虑二期恒载而不考虑移动荷载, 且其他参数恒定时,使斜拉索刚度在±5%、±10%、 ±15%变化,计算出此时主塔塔底弯矩、主塔塔顶纵 向位移、牛腿处下弦杆的弯矩、跨中上弦杆和下弦杆 的轴力、主梁跨中挠度和斜拉索索力的变化规律,从 而得出它对索辅梁桥结构效应的影响。 图3东水门长江大桥有限元计算模型 表1主桥约束列表 结构部位 支承类型 ROTx RO R0T. Pl号塔 上游侧 与承台固结 1 1 1 1 l l 塔底 下游侧 与承台固结 1 1 1 1 1 1 尸l号塔 上游但 固定支座(D 1 1 1 0 0 O 梁连接 下游坝J 单向活动支座(5 1 O 1 O 0 O P2号塔 上游侧 与承台固结 1 1 1 1 1 l 塔底 下游俱 与承台固结 1 1 1 1 1 l P2号塔 上游侧 单向活动支座 0 l 1 O 0 0 梁连接 下游坝l 双向活动支座( 0 0 1 0 O 0 注: 方向为顺桥向,Y方向为横桥向,z方向为竖向; 0为放松,1为约束。 3计算分析 本文对已建好的东水门长江大桥的模型中的斜 拉索刚度进行改变,取值分别为±5%、±10%、± 15%,研究斜拉索刚度的变化对索辅梁桥各控制指 标的影响。 3.1斜拉索刚度对主塔塔底弯矩影响分析 当斜拉索刚度在±5%、±10%、±15%范围变 化时,计算得主塔塔底弯矩值见(表2)。 表2主塔塔底弯矩值 斜拉索刚度变化 主塔 底部 主塔P2底部 kN・m kN・m O.85 534 899 493 412 0.9O 531 560 489 957 0.95 528 019 486 421 1.00 524 349 482 848 1.O5 520 603 479 272 1.1O 5l6 820 475 718 1.15 513 030 472 202 由表2可知,当斜拉索刚度每增加5%时,主塔 塔底弯矩呈线性减小,主塔 塔底弯矩的变化率为 7.1‰,主塔P2塔底弯矩的变化率为7.5‰。 3.2斜拉索刚度对塔顶纵向位移影响分析 当斜拉索刚度在±5%、±10%、±15%范围变 化时,计算得塔顶纵桥向位移见(表3)。 表3塔顶纵桥向位移 斜拉索刚度变化 主塔尸1顶向跨中 方向位 ̄j;/m 主方向位移/m 0.85 0.241 O-216 0.90 0.239 0.214 0.95 0.237 0.212 1.00 0.234 0.210 1.05 0.232 0.209 1.10 0.230 0.207 1.15 0.228 0.205 由表3可知,当斜拉索刚度每增加5%时,主塔 塔顶纵向位移呈线性减小,主塔Pl塔顶纵向位移的 变化率为9.5‰,主塔P2塔顶纵向位移的变化率为 8.9‰。由于弯矩等于力乘以力臂,而主塔塔底弯矩 就等于斜拉索的水平分力乘以塔高,且塔顶纵向位 移与其受到斜拉索的水平分力成正比,所以塔顶纵 向位移与塔底弯矩变化规律相一致。 3.3斜拉索刚度对牛腿处下弦杆弯矩影响分析 当斜拉索刚度在±5%、±10%、±15%范围变 .8O. 山西交通科技 表7斜拉索成桥索力 斜拉索刚度变化 部位B/kN 0.85 O.90 0.95 1.00 1.O5 1.10 2013年第3期 化时,计算得牛腿处下弦杆弯矩值见(表4)。 表4牛腿处下弦杆弯矩值 部位C/kN 1l 720 l1 772 l】820 11 864 11 905 11 943 部位D/kN l1 324 11 297 11 268 l1 239 11 209 11 179 斜拉索 主塔Pl牛腿处下弦杆弯矩值 主塔P2牛腿处下弦杆弯矩值 刚度变化 kN・ITI kN・rn O_85 0.90 O.95 1.00 1.05 l1 972 12 082 12 187 12 288 12 385 12 478 5 989.47 5 921.28 5 859.19 5 802.53 5 750.71 7 357.59 7 266.87 7 183.77 7 107.47 7 037.27 1.15 12 567 1l 978 11 149 1.1O 1.15 5 703.23 5 659.63 6 972.53 6 912.73 表8主塔塔底弯矩值 斜拉索刚度变化 部位E/kN・1Yl 部位F/kN・nl 部位G/kN・m 由表4可知,当斜拉索刚度每增加5%时,牛腿 0_85 12 518 12 393 12 302 处下弦杆的负弯矩呈线性减小,主塔Pl牛腿处下弦 杆弯矩值的变化率为9.7%e,主塔P2牛腿处下弦杆 弯矩值的变化率为10.7‰。 3.4斜拉索刚度对跨中上弦杆和下弦杆轴力影响 分析 当斜拉索刚度在±5%、4-10%、±15%范围变 化时,计算得跨中上弦杆和下弦杆轴力见(表5)。 表5跨中上弦杆和下弦杆轴力 斜拉索刚度变化 跨中上弦杆轴力/kN 跨中下弦杆轴力/kN O.85 11 578 16 169 O.90 11 386 15 900 O.95 11 207 15 648 1.00 11 039 15 4l1 1.O5 10 881 15 188 1_10 10 732 14 978 1.15 10 592 14 780 由表5可知,当斜拉索刚度每增加5%时,跨中 上弦杆的压力和下弦杆的拉力均呈线性减小,上弦 杆的变化率为1.55%,下弦杆的变化率为1.57%。 3.5斜拉索刚度对主梁跨中挠度影响分析 当斜拉索刚度在±5%、±10%、4-15%范围变 化时,计算得主梁跨中挠度值见表6。 表6主梁跨中挠度值 斜拉索刚度变化 主梁跨中挠度值/m 0.85 -0.919 0.90 -0.898 O.95 -0.879 1.00 -0_861 1.05 -0.845 l_10 -0.829 1.15 -0-814 由表6可知,当斜拉索刚度每增加5%时,主梁 跨中挠度呈线性减小,其变化率2.1%。由此可以看 出斜拉索刚度的增大,可以明显减小主梁的下挠。 3.6斜拉索刚度对索力影响分析 当斜拉索刚度在±5%、±10%、±15%范围变 化时,计算得斜拉索索力值见表7、表8。 0.90 12 516 12 452 12 369 0.95 12 5l1 12 507 12 434 1.00 12 503 12 557 l2 496 1.05 12 492 12 604 12 555 1.1O 12 479 12 647 12 612 1.15 12 464 12 687 12 667 由表7、表8可知,当斜拉索刚度每增加5%时, 距离主塔越远的斜拉索,其索力增加越多;距离主塔 较近的斜拉索,其索力变化较小。 4分析与结论 通过对重庆东水门长江大桥进行计算,对其计 算结果分析可得出如下结论: a1随着斜拉索刚度的增大,索辅梁桥的主塔塔 底弯矩和塔顶纵向位移呈线性减小,但减小幅度较 小。 b)随着斜拉索刚度的增大,主塔牛腿处下弦杆 的负弯矩呈线性减小,且变化趋势较小。 c1随着斜拉索刚度的增大,主梁跨中上弦杆和 下弦杆的轴力呈线性减小,且减小趋势较大。 d)随着斜拉索刚度的增大,跨中挠度呈线性减 小,且变化趋势较大。 e)随着斜拉索刚度的增大,距离主塔较近的斜 拉索的索力呈减小趋势,但减小的幅度较小,距离主 塔较远的索力呈线性增大,且离主塔越远的斜拉索, 其索力增大的越多。 为了使主塔塔底弯矩、塔顶纵向位移、牛腿处下 弦杆的弯矩、主梁跨中上弦杆和下弦杆的轴力、主梁 跨中挠度、索力均处于一个较合理的状态,不至于超 出规范要求,我们应该选取一个合理的斜拉索的刚度。 参考文献: [1]Man-Chung Tang.Rethinking Bridge Design:A New Configuration[J].Civil Engineering Magazine,2007,77(7): 38-45. [2】顾安邦.桥梁工程:下册【M].北京:人民交通出版社,2005. (下转第83页) 2013年第3期 兰爱峰:水中墩钢板桩围堰承台的施工和工程质量保证要点 .83. 封底混凝土标号为C25,塌落度不宜过大 (18—22 cm),要保证混凝土的和易性和流动性。浇 寸的偏差。由于桥梁施工涉及作业工艺较为复杂,所 以要特别注意累积误差对桥梁的影响。同时,为保证 注时要控制好混凝土高度,可根据浇注效果调整首 批封底混凝土的数量,封底厚度为1 m,顶面低于承 台底面30 cm。 各工序的施工和人员安全,采取下述安全措施是十 分必要的: a)钢板桩围堰承台的结构设计应保证具有大于 3.2模板拆除 此项工作在混凝土施工完成后进行,为防止混 等于2.0的安全系数。 b)各施工作业严格依照有关规程执 行。 凝土由于表面急剧降温产生裂缝,模板宜滞后拆除, 承台混凝土强度达到25 MPa后,方可拆除模板。模 e)I程所用材料(包括水泥、钢材和相关标准件 板拆除后,将拉杆的丝杆拆卸下来,凿除外露的 PVC管,管道用砂浆填满,表面抹光。冷却管排出的 水直接排入围堰内,直到围堰内外水位等高,但不能 等)必须符合相关检测标准,并应对每种材料进行必 要的现场抽查检测。对于某些不得不用的代用材料, 则不得低于原设计用材的性能标准。 所有这些措施,对于保证水中墩钢板桩围堰承 台的施工质量和工程安全是十分必要的。 参考文献: [1】刘泽林.太佳高速公路黄河大桥钢板桩围堰施工工艺浅 述『J1.山西交通科技,2012(6):50—54. 高于承台顶面向下50 em,以免影响墩身的正常施工。 4总结 水中墩钢板桩围堰承台的施工工艺较为复杂, 不仅要严格依照施工工艺顺序进行,并要在施工过 程中随时注意观察和纠正可能出现的几何外形和尺 The Study on Construction and the Key Points of Engineering Quality Assurance for Steel Sheet Pile Cofferdam Cap in Water LAN Ai-feng (Tmyuan Road&Bridge Co.,Ltd,Taiyuan,Shanxi 030006,China) Abstract:Based on the steel sheet pile cofferdam method,this paper introduced Taijia Expressway Yellow River Bridge,which successfully completed the construction of bridge pier cap.The paper also veriied tfhe constuctrion program,working technique and key points of quality assurance adopted in engineering practice. Key words:bridge;steel sheet pile;cofferdam;cap;construction;quality;technique (上接第80页) 【3】牛力强.大跨度缆索支承体系桥梁抗风分析『J].山西交通 科技,2004(5):46—47. 出版社,2003. 【5]中交公路规划设计院.JTG D62--2004公路钢筋混凝土 及预应力混凝土桥涵设计规范[s】.北京:人民交通出版 社,2004. 14】王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验[M】.北京:人民交通 The Analysis of the Influence of Cable Stiffness on the Structure Effect of Cable—supp0rted Girder Bridge CHENG Yu-peng (Shanxi Transp0rtati0n Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030006,China) Abstract:For Chongqing East Watergate Yangtze River Bridge,the paper discussed the control calculation of the whole structure by the finite element software Midas Civil modeling,analyzed the change of cable stiffness influencing on new type cable-supported girder bridge state,such as the main tower bottom moment,longitudinal displacement at the top of tower,bracket bending moment at the lower chord,axial force of main girder span, deflection and cable force. Key words:cable-supported girder bridge;cable;stiffness;bridge state;analysis 

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