涪陵乌江二桥整体计算分析

2022-09-12

1 工程概况

涪陵乌江二桥位于乌江口上游500m附近。东岸连接江东开发区, 直接与涪丰公路相连, 西侧与主城区紧密相连。主桥采用双塔单索面斜拉桥, 桥梁全长590m。主跨跨径340m、边跨分别长为100m和150m, 边中跨比例为0.294和0.441。主梁与主塔均采用塔梁固结的方式连接, 斜拉索采用扇形布置。主梁为单箱单室大悬臂箱梁, 桥塔为箱形截面, 1#桥塔和2#桥塔高度分别为129.4m和178.4m。

2 主要结构尺寸

桥式:双塔单索面斜拉桥, 墩梁固结。桥跨长:100+340+150=590m。桥面:2m (人行道) +8m (车行道) +5.5m (拉索区/中央分割带) +8m (车行道) +2m (人行道) =25.5m。

(1) 主梁:预应力混凝土斜腹板箱梁, 全桥主梁为单箱单室截面, 外观尺寸相同, 梁顶全宽25.5m, 梁顶设置2%的横坡, 箱梁在中心线处梁高3.5m, 箱梁翼缘宽度为6.5m。箱梁锚索位置设置横隔板, 在纵向相同位置的翼缘下设置托梁;主梁0#块各设置两道横隔板。隔板设置间距主要根据主梁斜拉索间距确定为6.0m、4.4m、4.2m以及在两个0#块共设置8个横隔板。

(2) 斜拉索:斜拉索采用扇形布置, 拉索锚固在中跨主梁上间距是6.0m, 边跨低塔岸主梁和高塔岸主梁索距分别为4.4m和4.2m;斜拉索延伸到索塔中心线上的索距为2.0m。斜拉索采用φ7高强镀锌平行钢丝束, 钢丝强度Ry=1670MPa, 斜拉索采用双层PE护套外层PE护套的颜色根据景观要求确定。

(3) 桥塔:桥塔采用空心薄壁箱型截面。桥塔分为上塔柱和下塔柱, 桥面以下部分为下塔柱, 桥面以上部分为上塔柱。上塔柱采用C60混凝土, 下塔柱采用C50混凝土。桥塔在斜拉索锚固区设置环向预应力钢束。

(4) 基础:主桥桥墩基础采用钻 (挖) 孔灌注桩加承台基础形式桥台采用U型桥台加桩基。

3 计算模型

(1) 整体分析所采用软件:结构分析软件为MIDAS, 该软件为大型有限元软件, 可对桥梁结构整体、局部等进行结构分析, 并可以考虑对桥梁的施工过程进行模拟。

(2) 计算模式:乌江二桥结构计算模型为空间模型, 主梁从高塔向低塔为X正方向, 横桥向为Y方向, 从桥塔承台到塔顶为Z正方向;主梁以及桥塔均采用空间三维梁单元进行模拟, 而对于斜拉索单元则采用桁架单元模拟。结构模型中节点总数为533个, 三维梁单元536个, 桁架单元106个。计算模型中共有10种材料类型和44种截面类型。

(3) 边界条件:按照实际结构边界约束条件, 因考虑到下部桩基础嵌入基岩, 且具有很强的约束条件, 因此在两个主塔塔底位置采用完全固结的方式处理;在0#过渡墩位置以及3#桥台位置, 对桥梁的横向和竖向位移进行约束同时还对横桥向的转动位移进行约束。

(4) 荷载:永久荷载包括结构自重、预应力、收缩徐变和二期铺装管线荷载, 基本可变荷载包括城——A汽车荷载和人群荷载, 其他可变荷载包括风荷载、温度荷载、制动力和流水压力, 偶然荷载包括船撞力和地震荷载。荷载按照《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2004) 进行组合。

(5) 恒载计算时遵循以下原则:以能量最小原理为调索原则, 同时兼顾桥塔和主梁弯矩。即根据主梁截面的不同, 使其承受弯矩亦不相同。中跨主梁截面较小, 调索原则是尽量减小其弯矩, 以轴压受力为主;边跨主梁为平衡重量需要而设计为较大截面, 为减少主塔弯矩而适当增大边跨主梁弯矩, 以达到全桥弯曲势能最小。

(6) 计算步骤:模拟桥梁施工过程, 与施工步骤一致。

4 计算结果

4.1 静力计算结果

(1) 主梁计算结果:根据标准组合得到, 运营阶段主梁截面最大正压应力为18.4MPa, 最大主压应力为18.5MPa;根据持久状态正常使用极限状态短期效应组合下得到主梁拉应力为1.3MPa, 主拉应力为1.4MPa, 长期效应组合下拉应力不存在。满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 相关规定。

(2) 桥塔计算结果:见表1所示。

(3) 拉索索力。恒载索力最大为8286.4kN, 应力为561.4MPa;最不利组合下拉最大索力9787.9kN, 应力为631MPa;拉索安全系数最小为2.65。

4.2 特征值计算结果

涪陵乌江二桥自振频率如表所示 (见表2) , 从自振频率可以得到乌江二桥结构刚度相对同跨径斜拉桥较大。

4.3 结构整体静力稳定分析

乌江二桥成桥及最大悬臂阶段屈曲稳定分析, 采用了大型结构通用有限元程序进行结构稳定屈曲分析。在屈曲分析中, 主要利用结构在弹性稳定阶段, 结构的几何刚度矩阵[KG]与荷载矩阵[F]成线性关系这一原理。也就是随着结构外荷载的增加, 结构刚度也随着增加, 其增加倍数与外荷载的增加倍数相同, 即可获得该结构的弹性稳定安全系数。即:{[KD]+λ[KG]}{δ}=λ[F], 当结构达到临界失稳时的λ值即为结构稳定安全系数。

(1) 荷载工况。整体稳定计算过程中, 考虑结构荷载工况在恒载恒定不变的情况下, 对活载值按照不同的加载步进行加载, 以获得成桥阶段稳定安全系数;施工阶段最大悬臂稳定计算过程中, 考虑结构施工临时荷载进行稳定分析。

(2) 分析结果小结。成桥阶段整体结构弹性屈曲安全系数为11.0失稳模态为桥塔面外弯曲失稳;最大悬臂阶段整体结构弹性屈曲安全系数为8.40, 失稳模态为桥塔面内弯曲失稳。

4.4 地震分析

乌江二桥的抗震性能分析的方法, 采用“周期-加速度”反应谱分析方法, 考虑两种地震加速度输入方式:加速度值在顺桥向采用100%, 横桥向及竖桥向分别为30%;加速度值在横桥向采用100%, 顺桥向及竖桥向分别为30%。考虑到涪陵地区的地质条件以泥岩为主, 确定地震反应分析的场地条件为一类场地, 同时考虑到涪陵地区地震基本烈度为Ⅵ度, 结构设计按照Ⅶ度设防。通过计算分析结构在地震荷载作用下, 承载能力及强度均能满足规范要求。

摘要：涪陵乌江二桥为一座高低塔单索面斜拉桥, 主跨340m, 全长590m, 宽25.5m, 主桥主梁采用大悬臂单箱单室截面, 为国内最大跨径单索面斜拉桥。本文介绍了整体计算分析所考虑的各种工况、静力计算分析结果和动力分析结果, 为类似但索面斜拉桥桥梁设计提供参考。

关键词：单箱单室大悬臂,塔梁固结,单索面,静力分析,动力计算