2）计算模型采用大型有限元分析软件Midas Civil 进行全桥上部结构整体计算分析。4）静力分析结果大沽桥钢结构采用容许应力法设计，经计算，标准作用组合下，大沽桥大拱最大应力为151 MPa，小拱最大应力为154 MPa，主梁最大应力为110 MPa，满足规范要求。表2-1前10 阶屈曲临界荷载系数图2-15一阶屈曲失稳模态6）抗震性能分析结果采用反应谱分析方法对大沽桥进行抗震性能分析。分析结果表明，大沽桥抗震性能良好，主体结构满足规范要求。......
2023-07-01
整体计算分析：探索有效切入点优化业务策略
【摘要】：图7-14组合桁梁桥全杆系模型7.2.3.2施工阶段定义为了更有效地改善连续组合桁梁桥负弯矩区的受力性能，该桥综合采用部分组合技术、双重组合技术以及优化施工工序三项措施。表7-1模型计算中定义的施工阶段情况7.2.3.3施工阶段分析分析得到桥梁各个施工阶段的计算结果，所有的荷载效应及组合均按照《公路桥涵设计通用规范》选取。
吉兆桥工程采用部分组合技术、双重组合技术以及优化施工工序三项措施，有效地改善大跨径连续组合桁梁桥的受力性能，全桥施工全过程计算分析进一步验证上述技术措施的合理性和有效性。
7.2.3.1 计算模型
采用有限元软件Midas Civil 建立桥梁结构的空间计算模型，进而得到横向分布系数。计算分析的研究重点由全桥分析转化为单梁分析。选取中间一榀组合桁架梁，进行全杆系模型分析。组合桁梁桥的负弯矩区采用新型抗拔不抗剪连接件取代栓钉，实现负弯矩区桥面板与上弦钢梁部分不组合的受力特性，模型中采用释放纵向约束的弹性连接单元进行模拟；正弯矩区栓钉的布置遵循完全剪力连接的设计原则，同时支点负弯矩区部分下弦钢梁内灌注自流平混凝土，以实现双重组合的设计思想，模型中采用双单元共节点的方式进行模拟。此外，桁梁段与钢梁段通过刚臂连接，桥面板内的纵向预应力束通过定义钢束预应力荷载的方式实现，建立的组合桁梁桥全杆系模型如图7 -14 所示。
图7-14 组合桁梁桥全杆系模型
7.2.3.2 施工阶段定义
为了更有效地改善连续组合桁梁桥负弯矩区的受力性能，该桥综合采用部分组合技术、双重组合技术以及优化施工工序三项措施。所谓部分组合技术，即仅在正弯矩区布置常规的栓钉连接件，而在负弯矩区布置一种新型的连接件。这种连接件纵向抗剪刚度很弱，使混凝土板与上弦杆可沿纵向自由滑动，从而有效地释放混凝土板中的拉应力，同时这种连接件可以抵抗因车辆偏载引起的桥面板掀起作用。所谓双重组合技术，即在负弯矩区附近下弦杆内灌注混凝土，形成钢管混凝土截面，充分发挥混凝土材料抗压性能好的优点，显著改善下弦杆钢板受压稳定性能，较为经济地实现增大负弯矩区结构刚度和承载力的目的。通过上述方法，在连续桁梁桥的负弯矩区形成一个倒置的组合截面。图7-15 为采用部分组合技术和双重组合技术的连续组合桁梁桥示意。
图7-15 桥梁部分组合技术和双重组合技术的连续组合桁梁桥示意
在合理优化施工工序的基础上，连续组合桁梁桥采用部分组合和双重组合技术，充分发挥其综合效益，从而有效地改善结构的受力状态，简化施工工艺，提高材料利用效率，降低结构施工成本和周期等。图7-16 所示为吉兆桥采用的优化施工工序，共6 个关键步骤。
图7-16 吉兆桥采用的优化施工工序
根据桥梁实际采用的优化施工工序，模型计算中定义的施工阶段情况见表7-1。
表7-1 模型计算中定义的施工阶段情况
7.2.3.3 施工阶段分析
分析得到桥梁各个施工阶段的计算结果，所有的荷载效应及组合均按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）选取。
（1）钢梁拼装合龙。钢梁在支架上拼装合龙后，应力水平较低，腹杆及弦杆应力在±15 MPa以内。
（2）灌注下弦杆混凝土。本阶段支架尚未拆除，因而钢梁应力仍然维持在较低水平，腹杆及弦杆应力在±15 MPa 以内。
（3）浇筑跨中混凝土桥面板。本阶段支架尚未拆除，因而钢梁应力仍然维持在很低的水平，跨中混凝土桥面板应力都非常小。
（4）拆除临时支撑。为了使跨中正弯矩区形成组合截面，从而共同承担拆除支撑后对结构瞬间施加的荷载，在浇注跨中混凝土后再拆除支架。拆除支架后跨中箱梁的最大应力为96 MPa，腹杆的最大应力为59 MPa。桥面板最大压应力为5.4 MPa，计算结果如图7 -17、图7 -18 所示。
图7-17 拆除临时支撑后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-18 拆除临时支撑后桥面板应力分布（单位：MPa）
（5）浇筑支点混凝土。浇注支点混凝土后，跨中钢梁的最大应力为98 MPa，腹杆的最大应力为62 MPa。混凝土桥面板最大压应力约为5 MPa，而支点负弯矩区混凝土处应力0 状态，计算结果如图7 -19、图7 - 20 所示。
图7-19 浇注支点混凝土后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-20 浇注支点混凝土后桥面板应力分布（单位：MPa）
（6）张拉已浇筑混凝土预应力。为了提高负弯矩区混凝土桥面板的压应力储备，采取分段张拉预应力的方法。张拉混凝土桥面板内的预应力后，跨中箱梁最大拉应力为99 MPa，支点负弯矩区下弦杆最大压应力为66 MPa，上弦杆最大拉应力为99 MPa，混凝土桥面板最大压应力约为6 MPa，计算结果如图7 -21、图7 -22 所示。
（7）浇筑预留槽混凝土。图7-23 所示为浇注预留槽混凝土后钢梁应力分布。预留槽后浇段将正、负弯矩区混凝土桥面板连成整体，此阶段上弦杆和跨中箱梁的最大拉应力为86 MPa，下弦杆最大压应力为79 MPa，腹杆最大应力为70 MPa。
（8）张拉预留槽预应力。张拉预留槽预应力后钢梁上弦杆最大拉应力为80 MPa，下弦杆最大压应力为90 MPa，跨中箱梁最大拉应力为62 MPa，腹杆最大应力为71 MPa，混凝土桥面板最大压应力为6.6 MPa。计算结果如图7 -24、图7 -25 所示。
图7-21 张拉预应力后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-22 张拉预应力后桥面板应力分布（单位：MPa）
图7-23 浇注预留槽混凝土后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-24 张拉预留槽预应力后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-25 张拉预留槽预应力后桥面板应力分布（单位：MPa）
（9）施工桥面铺装，成桥。施工桥面铺装后，钢梁上弦杆最大拉应力为91 MPa，下弦杆最大压应力为106 MPa，腹杆最大应力为77 MPa。混凝土桥面板最大压应力为7.5 MPa，无拉应力出现。计算结果如图7 -26、图7 - 27 所示。
图7-26 施工桥面铺装后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-27 施工桥面铺装后桥面板应力分布（单位：MPa）
（10）成桥10 年。根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—1986），混凝土徐变可考虑有效弹性模量E 1 =kE，计算结构重力对徐变影响时取k=0.4，计算混凝土收缩对徐变影响时取k=0.5，E 为混凝土的弹性模量。基于该取值建议，最终成桥后钢梁的应力分布，与之前阶段相比应力变化不大。混凝土的收缩徐变效应会降低桥面板压应力的储备，但桥面板混凝土未出现拉应力。计算结果如图7 - 28、图7 - 29 所示。
7.2.3.4 正常运营阶段计算结果
1）正常运营阶段荷载工况组合
依据《公路桥涵通用设计规范》（JTG D60—2004），正常运营阶段分析采用的荷载工况包括：
（1）汽车荷载：公路-Ⅰ级车道荷载。
（2）温度荷载：整体升温30℃、整体降温30℃、主梁梯度升温、主梁梯度降温。
（3）支座沉降：10 mm。
考虑最不利荷载组合，对于钢结构部分采取容许应力法分析，荷载工况组合按标准值组合，主要考虑4 种组合形式，组合系数均取1.0。
组合1：恒荷载+汽车荷载+人群荷载+整体温升+梯度温升+支座沉降。
组合2：恒荷载+汽车荷载+人群荷载+整体温降+梯度温降+支座沉降。
组合3：恒荷载+汽车荷载+人群荷载+整体温升+梯度温降+支座沉降。
组合4：恒荷载+汽车荷载+人群荷载+整体温降+梯度温升+支座沉降。
对于混凝土桥面板，跨中无预应力段混凝土桥面板按照普通钢筋混凝土构件设计，其余位置的混凝土桥面板按照A 类预应力混凝土构件设计，预应力混凝土构件设计需要考虑短期效应和长期效应两种基本情况。
图7-28 成桥10 年后钢梁应力分布（单位：MPa）
图7-29 成桥10 年后桥面板应力分布（单位：MPa）
短期效应组合如下：
（1）恒荷载+0.7 倍（汽车及人群荷载）+体系温升+0.8 倍梯度温降+支座沉降。
（2）恒荷载+0.7 倍（汽车及人群荷载）+体系温降+0.8 倍梯度温升+支座沉降。
长期效应组合为：恒荷载+0.4 倍（汽车及人群荷载）+支座沉降。
2）正常运营阶段计算结果
对于钢结构部分，计算结果如图7 -30 所示。由图可知，上弦杆最大拉应力为92 MPa，下弦杆最大压应力为139 MPa，腹杆最大应力为95 MPa。计算结果表明，钢结构应力满足规范要求。
图7 -31 所示为正常运营阶段最不利标准组合下桥面板压应力分布，最大压应力为- 12 MPa，满足规范要求。为使得结构构件各部分具有相同的安全度，将中跨跨中合龙块及合龙块之间的混凝土标号强度提高至C60。与此同时，按普通钢筋混凝土构件设计中跨跨中混凝土桥面板，并适当加大该区域纵向普通钢筋直径。
图7-30 正常运营阶段组合1～4 工况钢梁的应力分布包络（单位：MPa）
图7-31 正常运营阶段最不利标准组合桥面板压应力分布（单位：MPa）
短期效应组合下，混凝土桥面板最大拉应力为1.2 MPa，长期效应组合时不出现拉应力，桥面板符合A 类预应力混凝土构件的设计要求。
7.2.3.5 整体计算结论
通过对全桥进行计算，全面分析施工全过程和正常运营阶段桥梁的整体受力性能，综合评定钢梁和混凝土桥面板的设计控制参数，主要结论如下：
（1）在最不利荷载工况下，钢梁应力控制在140 MPa 以内，满足规范要求。
（2）混凝土桥面板的最大压应力满足规范要求。
（3）跨中无预应力段混凝土通过配置两层横向间距为100 mm、钢筋直径为22 mm 的普通钢筋，控制短期效应作用下混凝土裂缝宽度为0.2 mm 以内，实现普通混凝土构件的设计要求。
（4）预应力混凝土桥面板满足A 类预应力混凝土构件的设计要求。
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