I宿州市虞姬大橋鋼箱拱靜力計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27984宿州市虞姬大橋鋼箱拱靜力計算過程案例 144881.1工程背景 110501.1.1設(shè)計概況 183541.1.2吊桿構(gòu)造 3308501.2有限元模型建立 425331.2.1模型建立 4262121.2.2施工階段模擬 6194281.2.3吊桿張拉順序以及目標(biāo)成橋索力 6255011.3施工階段累計豎向位移 8225811.3.1鋼縱梁累計豎向位移 8189061.3.2拱肋累計豎向位移 9160191.4施工階段特征截面正應(yīng)力 1170691.5不同工況下吊桿索力 12190191.6小結(jié) 121.1工程背景1.1.1設(shè)計概況本次研究基于位于安徽省宿州市靈璧縣的虞姬大橋（圖2-1），橋梁跨越新汴河河道，河槽總寬500m左右，橋梁與新汴河兩側(cè)大堤平交，本項目包括混凝土橋和兩側(cè)裝飾拱兩個主要部分，其中混凝土橋梁邊緣與裝飾拱圈邊緣間距為15cm。橋梁整體布置圖和橋位平面圖分別見圖2-2和圖2-3。其中混凝土部分橋梁全長565m，主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面現(xiàn)澆箱梁（37+66+37）m，引橋為組合箱梁橋（2.5+3×30+4×30）m。主橋的裝飾鋼箱拱在立面觀看為彩虹造型。裝飾鋼箱拱全長360m，拱圈為雙片鋼箱，跨徑布置為（80+200+80）m，吊桿采用擠壓式鋼絞線拉索，裝飾鋼箱拱布置圖如圖2-4所示：圖2-1虞姬大橋圖2-2項目總體布置圖（包括混凝土橋和裝飾拱）圖2-3橋位平面圖圖2-4鋼箱拱總體布置圖拱圈的上下邊緣線為二次拋物線，拱腳線形為圓弧和拋物線的組合，如圖2-4所示。拱圈矢跨比為1:4.5，寬度為2m，拱頂位置拱圈高度為3m。在中間橋墩上方使用球形支座，拱底處不設(shè)置拱腳。在橫橋向，東西側(cè)兩片拱圈通過門式風(fēng)撐連接，增加鋼箱拱橫向的穩(wěn)定性，間距為24.8m。順橋向的拱圈內(nèi)每隔3m布置一道橫隔板，橫隔板與拱軸線垂直，中心挖空預(yù)留后期檢修孔洞。拱圈吊桿位置處加設(shè)橫隔板，和吊桿長度方向一致。拱圈內(nèi)采用I型加勁肋。鋼箱拱除吊桿外材料全部采用Q235鋼。鋼縱梁高2.2m，寬1.7m，鋼縱梁頂?shù)装搴透拱寰捎肐型加勁肋。1.1.2吊桿構(gòu)造圖2-5吊桿立面布置圖如圖2-5所示(圖中N表示北側(cè)，S表示南側(cè))，相鄰吊桿在順橋向的標(biāo)準(zhǔn)中心距為6m，橫橋向采用雙側(cè)吊桿，東西兩側(cè)中心距為24.8m。吊索上下端均采用吊耳式，考慮到疲勞、吊裝及可更換性、吊索設(shè)計安全系數(shù)取2.5。如圖2-6所示，項目中的吊桿索體采用GJ15-3成品索。吊桿索體采用φ15.2環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線，材料強度1860MPa。索體內(nèi)部為3根環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線，絞線束纏纖維高強聚脂帶，再擠塑高密度聚乙烯(HDPE)。鋼絞線和索體均符合相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求。圖2-6吊桿構(gòu)造圖1.2有限元模型建立1.2.1模型建立根據(jù)設(shè)計圖紙，本次模型首先采用SolidWorks軟件建立三維模型。將鋼箱拱結(jié)構(gòu)按照圖紙劃分的節(jié)段，分別建立各節(jié)段對應(yīng)的零件如圖2-7~圖2-10所示。然后使用SolidWorks軟件的零件裝配的功能，將各部分零件按照圖紙拼裝出鋼箱拱的整體模型，如圖2-11所示。圖2-7拱頂節(jié)段圖2-8拱腳節(jié)段圖2-9拱梁交界節(jié)段圖2-10鋼縱梁節(jié)段圖2-11SolidWorks鋼箱拱三維模型將SolidWorks軟件中建立的鋼箱拱三維模型導(dǎo)入通用有限元軟件Ansys進行計算。在Ansys中鋼箱拱的鋼板材采用shell181單元。吊桿采用link10只受拉單元。鋼縱梁支架采用只壓單元模擬。有限元模型中吊桿的預(yù)應(yīng)力張拉采用降溫法施加。有限元模型如圖2-12所示。圖2-12Ansys鋼箱拱空間有限元模型1.2.2施工階段模擬施工階段號施工階段描述1安裝拱肋鋼箱、風(fēng)撐、吊桿2張拉吊桿3拆除鋼縱梁支架，成橋階段1.2.3吊桿張拉順序以及目標(biāo)成橋索力鋼箱拱圈的吊桿采用油壓千斤頂（圖2-13）在鋼箱拱的東西兩側(cè)同時張拉，張拉順序見下表2-1。表2-1張拉次序表張拉次序吊桿編號張拉次序吊桿編號張拉次序吊桿編號張拉次序吊桿編號(1)N-13(8)S-05(15)S-12(22)N-04(2)N-11(9)N-05(16)S-10(23)S-04(3)S-11(10)N-03(17)N-10(24)S-02(4)S-09(11)S-03(18)N-08(25)N-02(5)N-09(12)S-01(19)S-08(6)N-07(13)N-01(20)S-06(7)S-07(14)N-12(21)N-062-13油壓千斤頂張拉吊桿圖2-14千斤頂張拉100kN本項目鋼箱拱圈的吊桿初始張拉力均為100kN，根據(jù)千斤頂廠家提供的油壓公式P=0.10503F+0.37534，可知千斤頂讀數(shù)控制在10.878MPa，如圖2-14所示。根據(jù)現(xiàn)場實際張拉的情況，整理如下表2-2。表2-2實際張拉索力吊桿編號實際張拉索力（kN）吊桿編號實際張拉索力（kN）NW-01100NE-01100NW-02113NE-02100NW-03100NE-03100NW-04100NE-04100NW-05100NE-05100NW-06100NE-06100NW-07100NE-07120NW-08100NE-08100NW-09100NE-09100NW-10100NE-10100NW-11132NE-11130NW-12110NE-12107NW-13141NE-13138SW-12113SE-12110SW-11100SE-11122SW-10100SE-10100SW-09100SE-09100SW-08100SE-08100SW-07100SE-07100SW-06100SE-06100SW-05100SE-05100SW-04100SE-04100SW-03100SE-03100SW-02115SE-02100SW-01100SE-011001.3施工階段累計豎向位移通過有限元計算，獲得了在成橋階段的鋼縱梁累計豎向位移和拱肋累計豎向位移的結(jié)果值。將相關(guān)計算結(jié)果統(tǒng)計于下表2-4~表2-6中。1.3.1鋼縱梁累計豎向位移表2-3第3施工階段西側(cè)鋼縱梁累計豎向位移節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)-86.06-72.35-27-81.6933-81.92-83.6-74.97-24-81.6636-82.03-81-78.70-21-81.5639-82.07-78-81.03-18-81.5242-82.16-75-82.57-15-81.4545-82.22-72-83.19-12-81.4348-82.36-69-83.07-9-81.3851-82.42-66-82.96-6-81.3854-82.54-63-82.80-3-81.3657-82.62-60-82.730-81.3960-82.79-57-82.553-81.3963-82.87-54-82.466-81.4466-83.02-51-82.359-81.4769-83.12-48-82.2912-81.5672-83.22-45-82.1515-81.5875-82.57-42-82.0918-81.6578-81.01-39-81.9821-81.6981-78.84-36-81.9424-81.7883.6-74.90-33-81.8227-81.8086.06-72.27-30-81.7730-81.87表2-4第3施工階段東側(cè)鋼縱梁累計豎向位移節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)-86.06-72.44-27-81.5633-81.82-83.6-75.06-24-81.5336-81.94-81-78.97-21-81.4439-81.99-78-81.11-18-81.3942-82.09-75-82.66-15-81.3345-82.15-72-83.29-12-81.2948-82.30-69-83.19-9-81.2651-82.36-66-83.08-6-81.2554-82.50-63-82.89-3-81.2257-82.59-60-82.790-81.2460-82.78-57-82.593-81.2363-82.86節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)-54-82.486-81.2766-83.04-51-82.339-81.3069-83.13-48-82.2512-81.3772-83.24-45-82.0815-81.4075-82.6-42-81.9918-81.4978-81.05-39-81.8621-81.5481-78.70-36-81.8024-81.6583.6-75.15-33-81.6827-81.6886.06-72.31-30-81.6430-81.77第3施工階段東西兩側(cè)鋼縱梁累計豎向位移比較情況，見圖2-15圖2-15第3施工階段東西兩側(cè)鋼縱梁累計豎向位移比較1.3.2拱肋累計豎向位移表2-5第3施工階段西側(cè)拱肋累計豎向位移節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)-1000-33-96.8536-96.55-98-44.29-30-97.1739-96.24-95-51.56-27-97.4042-95.98-92-58.40-24-97.6845-95.62-89-65.89-21-97.8048-95.30-86-69.97-18-97.9551-94.82-83-75.85-15-98.0554-94.40-81-79.77-12-98.1757-93.86-78-84.53-9-98.2560-93.39節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)-75-88.13-6-98.3663-92.79-72-90.33-3-98.4166-92.20-69-91.40-98.4869-91.37-66-92.243-98.3972-90.3-63-92.826-98.3375-88.10-60-93.429-98.2078-84.48-57-93.8912-98.1081-79.71-54-94.4415-97.9983-75.98-51-94.8518-97.8986-70.5-48-95.3321-97.7489-65.70-45-95.6424-97.6292-58.17-42-95.9927-97.3595-51.41-39-96.2730-97.1298-44.12-36-96.5933-96.811000表2-6第3施工階段東側(cè)拱肋累計豎向位移節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)節(jié)點位置X(m)豎向位移(mm)-1000-33-97.0036-96.58-98-44.40-30-97.3039-96.26-95-51.36-27-97.5242-95.95-92-58.68-24-97.7945-95.63-89-65.57-21-97.9148-95.31-86-70.00-18-98.0651-94.82-83-75.93-15-98.1554-94.34-81-79.85-12-98.2657-93.86-78-84.60-9-98.3560-93.38-75-88.20-6-98.4563-92.78-72-90.39-3-98.5066-92.18-69-91.460-98.5769-91.35-66-92.303-98.4872-90.28-63-92.896-98.4275-88.09-60-93.499-98.3078-84.49-57-93.7112-98.2081-79.74-54-94.5215-98.0783-75.81-51-94.9518-97.9786-69.87-48-95.4421-97.8189-63.29-45-95.7624-97.6892-58.70-42-96.1327-97.4095-51.34-39-96.4030-97.1798-44.2-36-96.7333-96.841000第3施工階段東西兩側(cè)拱肋累計豎向位移比較情況，見圖2-16。圖2-16第3施工階段東西兩側(cè)拱肋累計豎向位移比較1.4施工階段特征截面正應(yīng)力各施工階段西側(cè)鋼縱梁截面的應(yīng)力值見下表2-7~表2-9。（表中的坐標(biāo)值是以橋梁計算跨徑中點為原點）。截面應(yīng)力點位置如圖2-15所示。圖2-17西側(cè)鋼縱梁截面應(yīng)力點示意圖表2-7西側(cè)鋼縱梁L/4截面應(yīng)力值（位置：X=50.5m）（MPa）施工階段號1點2點3點4點10.640.642.412.3721.671.692.372.31329.829.929.629.7表2-8西側(cè)鋼縱梁跨中截面應(yīng)力值（位置：X=0m）（MPa）施工階段號1點2點3點4點10.740.742.422.4524.074.122.952.96333.732.829.930.8表2-9西側(cè)鋼縱梁與拱肋相接處截面應(yīng)力值（位置：X=86.06m）（MPa）施工階段號1點2點3點4點151.049.414.814.6272.470.721.021.0331.228.758.059.41.5不同工況下吊桿索力本項目共采集了兩次拉索的頻率值，第一次采集對應(yīng)于施工階段2完成后施工階段3開始前。第二次采集對應(yīng)于施工階段3完成后。梳理兩次采集對應(yīng)于有限元模型的工況結(jié)果于下表2-10（表中W表示西側(cè)，E表示東側(cè)），以供后續(xù)章節(jié)的研究工作。表2-10兩工況下吊桿的索力值吊桿編號張拉完畢未拆支架時索力(kN)拆除支架后索力(kN)吊桿編號張拉完畢未拆支架時索力(kN)拆除支架后索力(kN)NW-0159.77112.81NE-0162.75116.23NW-02113.44142.37NE-0298.83128.23NW-0358.2880.05NE-0359.8781.54NW-0494.54114.28NE-0495.46114.47NW-0554.3373.33NE-0554.9172.77NW-0691.59110.53NE-0691.93109.32NW-0756.4075.11NE-0777.2094.52NW-0891.26109.71NE-0891.07108.38NW-0953.5971.94NE-0953.6971.08NW-1088.81107.18NE-1089.55106.82NW-1177.0495.30NE-1174.5691.73NW-1288.28106.51NE-1287.99105.13NW-1