交叉吊索數(shù)對三塔協(xié)作體系疲勞性能的影響

孫宏莉

三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁是三塔斜拉橋和三塔懸索橋相結合而產生的一種新型橋梁體系。該體系很好地發(fā)揮了三塔斜拉橋和三塔懸索橋各自的優(yōu)勢，解決了三塔斜拉橋隨跨徑增大塔根軸力過大和三塔懸索橋錨碇過大和豎向剛度過低的問題[1]。但是，目前三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁尚未受到工程界的重視，相關的研究還處于空白階段。端吊索疲勞問題是限制三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁實際應用的重要因素之一。本文通過在斜拉部分和懸吊部分的交界區(qū)設置交叉吊索，以研究其對端吊索應力幅的影響。通過交叉吊索數(shù)的參數(shù)分析，本文找到了一種降低端吊索應力幅的有效措施，實現(xiàn)端吊索的疲勞控制。

1 三塔斜拉—懸索協(xié)作體系的端吊索疲勞問題

毋庸置疑，任何橋梁在活載作用下，構件都會出現(xiàn)應力幅的變化，當交變應力幅大于材料的耐久極限，就會出現(xiàn)疲勞問題。對于三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁，由于斜拉與懸吊結合部剛度變化大，導致在運營階段，端吊索(最外側的那根吊索)在活載作用下會產生比較大的交變軸力[2]。因此，若處理不當會導致該根吊索的交變應力超過容許值，從而導致疲勞破壞。降低三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁端吊索交變應力幅的方法很多，包括增加交叉吊索數(shù)、增大吊索面積、增大主梁剛度、設置中央扣等。其中，增加交叉吊索數(shù)，可以增大斜拉部分和懸吊部分的銜接范圍，以減緩兩部分的剛度突變。同時更多的交叉吊索可以分擔更多的交變力，是最有效且最經濟的方法。

2 基本模型的建立

試擬跨徑布置為(304+1 024+1 024+304)m的三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁方案，如圖1所示。邊跨設置兩個輔助墩，輔助墩間距離96 m。1 024 m主跨由兩側各304 m的斜拉索部分和中間416 m的懸吊部分組成，吊跨比為0.406。斜拉部分和懸索部分兩體系連接處，設置1根與斜拉索交叉的吊索。

主塔為預應力鋼筋混凝土塔，混凝土材料為C55。主塔全高為222 m，其中橋面以上高162 m，高跨比為0.152，錨索區(qū)高度為38 m(2×19 m)。加勁梁采用封閉式流線形扁平鋼箱梁，鋼箱梁采用Q345qD材料。在中心線處梁高4 m，全橋寬41 m。

全橋纜索系統(tǒng)由主纜、斜拉索和吊索組成。協(xié)作體系各構件的截面參數(shù)見表1。

用ANSYS建立有限元計算模型[3]。加勁梁采用Beam44空間梁單元，可以自定義單元形心位置，方便地提取單元內力、應力等計算結果。主塔由于外形基本為規(guī)則矩形，采用形心對中的Beam44空間梁單元。主纜、斜拉索和吊索均采用Link8桿單元模擬。

表1 構件截面參數(shù)表

3 交叉吊索數(shù)對端吊索應力幅影響的分析

原模型設置了1根與斜拉索交叉的吊索。在此基礎上，改變交叉吊索數(shù)，使其在0～5之間變化，考察交叉吊索數(shù)對交界區(qū)域吊索和斜拉索應力幅的影響。在交界區(qū)，吊索和斜拉索的編號如圖2所示。斜拉索從左至右為1號～5號，吊索在交叉區(qū)域從左至右為1號～5號，在懸吊區(qū)為6號～8號。

對不同的交叉吊索數(shù)的模型，用ANSYS通用有限元軟件進行計算分析，得到交叉吊索數(shù)對交界區(qū)吊索和斜拉索的應力幅的影響如圖3，圖4所示。

分析圖3，得出如下結論:1)在各索中端吊索的應力幅最大，其他各索應力幅相近。端吊索的應力幅值約為其他各索的3倍;2)從不設置交叉吊索，到設置5根交叉吊索，端吊索的應力幅呈線性規(guī)律遞減，從267 MPa減小到147 MPa，減幅達45%，其余吊索的應力幅減幅不大;3)當交叉吊索數(shù)大于兩根時，在交叉區(qū)域，交叉吊索的應力幅向跨中方向遞減。除端吊索外，交叉區(qū)域內的其余吊索應力幅值很小，甚至低于非交叉區(qū)的吊索;4)交叉吊索數(shù)量對非交叉區(qū)的吊索應力幅基本上沒有影響。

分析圖4，得出如下結論:1)在不設置交叉吊索時，端斜拉索的應力幅值較大，其值達到237 MPa。斜拉索的應力幅向邊跨主塔方向呈線性規(guī)律遞減;2)設置交叉吊索后，隨交叉吊索數(shù)增大，各端吊索靠外側相鄰的斜拉索的應力幅呈線性規(guī)律遞減。該斜拉索都比端吊索處的斜拉索應力幅值大;3)除設置1根交叉吊索的情況外，其余情況下5號斜拉索的應力幅值最大。從設置交叉吊索后，該斜拉索的應力幅值減小了約18%。但交叉吊索數(shù)的增大，對端斜拉索的應力幅沒有影響，交叉吊索數(shù)從 1增加到5，端斜拉索的應力幅只減小了約3%。

綜上所述，設置交叉吊索對減小吊索的交變應力幅非常有效，對解決端吊索的疲勞問題很有幫助，設置交叉吊索數(shù)對減小斜拉索的交變應力幅效果有限。

因此，三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁的端吊索疲勞問題并不是一個可怕和不能解決的問題。通過設置合理的交叉吊索數(shù)，可以很好地解決端吊索的疲勞問題。所以這個問題不會成為推廣應用三塔斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁的障礙。

[1] NielsJ.Gimsing.纜索支承橋梁——概念與設計[M].金增洪，譯.北京:人民交通出版社，2002:178-180.

[2] 孫淑紅，蒙 云.吊拉組合橋交接區(qū)域吊桿的疲勞問題研究[J].重慶交通學院學報，1999(16):53-55.

[3] 王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.