浅析钢管桁架拱桥空间有限元分析计算.docx

浅析钢管桁架拱桥空间有限元分析计算 黄 毅 （无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072） 摘 要：通过建立空间有限元模型，对无锡市感知中国博览园三期景观人行桥进行单元强度验算 、单元刚度验算、单元疲劳验 算、总体稳定性验算、以及自振频率验算、焊缝验算、节点板强度验算等，有关经验可供相关专业人员参考。 关键词：景观桥；拱桥；钢桁架拱桥；钢管；有限元 中图分类号：U448.22 文献标识码：B 文章编号：1009-7716（2014）11-0087-07 1 工程概况 本桥位于无锡市新区震泽路以南，净慧东路 以东，是无锡市感知中国博览园园区连接震泽路 的主要人行桥。桥梁呈南北走向，与现状河道斜交 53°。现状河道为自然驳岸，桥址区水面垂直宽度 约 27 m。 桥梁上部结构为单孔跨径 36.5 m 钢管拱形桁 架，全长 51.7 m，全宽 6.10 m，净宽 5.5 m，见图 1。 上、下拱轴线均为圆曲线，下拱肋轴线理论矢高 4 m， 矢跨比为 1/9.125。全桥横桥向由五片拱肋构成，拱 肋间轴心间距 1 425 mm，每片拱肋由上、下两道 弦杆构成，弦杆间设置立杆，立杆间设置斜撑杆， 外侧拱肋增加中弦杆进行装饰。全桥主要受力结 构为 Q345 qc 钢材，除横桥向斜撑杆采用[10 热轧 轻型槽钢外，其余主要受力结构均为钢管，钢管直 径由 108～299 mm 不等，见图 2。桥面铺设实木踏 板。拱肋弦杆的钢管于承台处固结。 下部结构为钻孔灌注桩接承台形式，钻孔灌 注桩桩基直径为 1.0 m，梅花形布置，单侧桥台共 计 8 根，桩长 24 m；承台长 7.6 m，宽 7.0 m，承台 河心侧高 4.35 m，河岸侧高 3.0 m。根据勘察资料， 拟建桥址区及附近未见活动断裂与地裂缝、滑坡 等不良地质作用，浅部无不良工程地质软弱层分 布。 2 技术指标 本桥为人行桥，荷载标准按人群荷载 4.0 kN/m2 计算；栏杆推力为 0.75 kN/m。结构按冬、夏季施工 分别进行温度计算，其中夏季施工合拢控制温度 收稿日期：2014-06-26 作者简介：黄毅（1980-），男，河北廊坊人，工程师，从事市政 工程设计工作。 为：25℃，结构整体升温最大温差为 21℃，整体降 温最大温差为 -34℃；冬季施工合拢控制温度为 15℃，结构整体升温最大温差为 31℃，整体降温最 大温差为 -24℃。地震动峰值加速度峰值为 0.05g （g 为重力加速度），抗震设防烈度为 6 度，抗震设 防类别为 C 类 ，E1 地震作用抗震重要性系数为 0.34，E2 地震作用抗震重要性系数为 1.0；环境类 别Ⅱ类。 3 模型建立 鉴于桥梁的结构特殊性和安全性，从设计计 算到施工控制计算，本桥采用通用有限元程序 Madis 进行计算，阐述桥梁的静力计算、稳定计算 以及施工控制等。本桥为有推力钢桁架拱桥，基础 刚度相对较大，对上部结构影响较小，处于结构安 全考虑，计算时将下部结构各项弹性刚度值进行 计算，模拟节点约束方式进行建模，各项弹性刚度 值如下： 横桥向、顺桥向水平抗推刚度：437 500 kN/m； 竖向抗推刚度：3 626 000 kN/m； 横桥向、 顺桥向水平抗弯刚度 ：20 300 000 kN·m/rad； 竖向抗弯刚度：1e+030 kN/m。 静力计算、特征值稳定计算、施工控制计算按 线弹性计算，极限承载能力计算采用几何、材料双 重非线性计算。 桥梁模型共计节点 471 个，单元 983 个，截面 11 组，弹性支撑节点 20 个，局部释放梁端约束单 元 277 个，静力荷载工况五项（自重、二期铺装、栏 杆、整体升温、整体降温），移动荷载工况三组（全 桥各拱肋单独受力、不同拱肋组合受力及全桥满 人荷载）来模拟主拱、桥面系纵横梁、横撑以及其 他受力杆件。全桥荷载依据本桥结构杆件传力方 式，均由弦杆承担。另将本桥主要杆件换算容重来 图 1 桥型立面及平面图（单位：mm） 图 2 桥梁标准横断面图（单位：mm） 模拟各构件的质量效应，见图 3。 图 3 桥梁空间有限元模型 4 结构计算 本桥结构设计采用的规范主要为： （1）《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）； （2）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）； （3）《钢结构工程施工及验收规范》（GB 50205- 95）； （4）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范》（JTG D62-2004）； （5）《公路桥涵地基与 基 础 设 计 规 范》（JTG D63-2007）； （6）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）； （7）《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69-95）； （8）《公路桥梁抗震设计细则》