大跨度懸索橋受力特性敏感參數(shù)分析

常 贊

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410004)

0 引 言

在實(shí)際施工過(guò)程中,影響懸索橋線(xiàn)形的因素很多,如結(jié)構(gòu)自重、溫度、結(jié)構(gòu)剛度和邊界條件等結(jié)構(gòu)參數(shù).由于懸索橋的柔性比較大[1],在靜力荷載作用下橋梁將產(chǎn)生較大的變形.這些因素的不確定性會(huì)對(duì)懸索橋線(xiàn)形產(chǎn)生一定的影響.以往對(duì)于自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析較多,地錨式懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)全橋線(xiàn)形的研究較少

本文是以一座在建的大跨度懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?該橋?yàn)閱慰绲劐^式懸索橋,南岸為隧道式錨,北岸為重力式錨,主梁為鋼箱梁,跨中設(shè)中央扣,索塔為鋼筋混凝土門(mén)式框架結(jié)構(gòu),是一個(gè)很典型的地錨式懸索橋例子,運(yùn)用大型通用有限元程序建立全橋模型,通過(guò)改變重要參數(shù)結(jié)構(gòu)自重、溫度、結(jié)構(gòu)剛度和邊界條件分析這些參數(shù)對(duì)全橋靜力特性的影響,得出的結(jié)論可為以后同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供有益的理論參考依據(jù).

圖1 全橋模型圖

1 建立模型

運(yùn)用大型通用有限元程序建立了該橋全橋三圍空間模型.該橋主跨為820 m,吊桿分布為13.2 m+62×12.8 m+13.2 m,南岸橋塔高139.442 m,北岸橋塔高127.442 m,南岸錨定為隧道式錨,北岸錨定為重力式錨,鋼箱梁高3 m,寬29.1 m,索塔為C50鋼筋砼門(mén)式框架結(jié)構(gòu)(如圖1).全橋劃分為507個(gè)單元,共有517個(gè)節(jié)點(diǎn).主纜和吊桿為只受拉桁架單元,加勁梁和索塔為梁?jiǎn)卧?橋塔均為固定支座,跨中位置主纜和加勁梁垂直連接采用剛性連接.

2 影響橋梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)自重

結(jié)構(gòu)自重主要由結(jié)構(gòu)的尺寸和容重來(lái)確定,但實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)尺寸和容重均在局部會(huì)有出入,以及加勁梁在安裝過(guò)程中要加入大量的螺栓,拼接板等,所以結(jié)構(gòu)的自重有可能大于設(shè)計(jì)值,這就對(duì)橋的整體線(xiàn)形和受力產(chǎn)生了影響.自重偏重一般在5%～10%,為了讓結(jié)果更加明確且具有對(duì)照性,在這里分別取自重增加5%、10%、20%來(lái)分析自重改變對(duì)該橋靜力特性的影響.

2.2 溫度

影響溫度分布的外部因素主要是大氣溫度變化的作用,如日照、晝夜溫差、寒流、風(fēng)、雨、雪等各種氣象因素的作用.影響溫度分布的內(nèi)部因素主要是結(jié)構(gòu)的熱物理性質(zhì)、構(gòu)件形狀等.由于日照溫差和驟然降溫在時(shí)間上變化快、作用范圍存在局部性[2-4],難以進(jìn)行整體分析,在這里不考慮這兩種溫度荷載.年溫差變化較均勻,整體變形大,便于仿真分析.根據(jù)設(shè)計(jì)資料,體系降溫為29℃,體系升溫為26℃.

2.3 橋塔剛度

當(dāng)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件長(zhǎng)度保持不變時(shí),結(jié)構(gòu)的剛度由構(gòu)件材料的彈性模量E和幾何特性A、I以及支撐條件決定.混凝土彈性模量隨著時(shí)間的變化而變化[5],一般可增加10%～15%,混凝土強(qiáng)度實(shí)際值往往比規(guī)范建議值高,這使得混凝土彈性模量E值比規(guī)范建議值高,參考規(guī)范建議值以及結(jié)合具體情況,實(shí)際中混凝土彈性模量E取值通常比理論值要高10%左右.計(jì)算時(shí)分別取索塔剛度增加5%、10%、20%.

2.4 邊界條件

橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際邊界條件相當(dāng)復(fù)雜[6-7],支承連接設(shè)施本身存在一定的摩阻力,并在外荷載下表現(xiàn)出彈性或非彈性的變形,與理想的“鉸接”、“剛接”有一定的差異,所以橋的實(shí)際邊界條件與設(shè)計(jì)時(shí)的邊界條件也有一定的差別.該橋在設(shè)計(jì)時(shí)主索鞍位置處的邊界條件是索塔和主纜在一點(diǎn)固結(jié),而實(shí)際的邊界條件是在主索鞍處主纜與索鞍在一條弧線(xiàn)上多點(diǎn)固結(jié)形成邊界.分析時(shí)將索鞍位置的邊界條件調(diào)整為主纜與索塔在多點(diǎn)固結(jié)

3 參數(shù)的敏感性分析

3.1 結(jié)構(gòu)自重敏感性分析

由于結(jié)構(gòu)尺寸和容重的偏差,以及其他零部件的重量,在其他參數(shù)不變的情況下,分別考慮結(jié)構(gòu)自重偏大5%、10%、20%.結(jié)構(gòu)自重偏大導(dǎo)致成橋面下?lián)虾退魉用娣较蚱?如圖2所示).跨中下?lián)媳容^明顯,偏重5%時(shí)最大下?lián)线_(dá)到17 cm,偏重10%時(shí)最大下?lián)线_(dá)34 cm,偏重20%時(shí)最大下?lián)线_(dá)68 cm,橋面位移以跨中為對(duì)稱(chēng)軸成拋物線(xiàn)變化.索塔偏位自塔底向塔頂遞增,偏重5%時(shí)索塔塔頂偏位最大達(dá)到1.9 cm,偏重10%時(shí)索塔塔頂偏位最大達(dá)到3.7 cm,偏重20%時(shí)索塔塔頂偏位最大達(dá)到7.5 cm.由此可見(jiàn),自重的變化對(duì)該橋的線(xiàn)形有較大影響.

3.2 溫度敏感性分析

考慮年溫差作用,結(jié)構(gòu)整體升溫26℃,體系降溫29℃.整體升降溫對(duì)懸索橋位移的影響(如圖3).

當(dāng)結(jié)構(gòu)整體升溫和降溫時(shí),對(duì)橋跨中的位移和塔頂影響最大,升溫時(shí)跨中撓度增大,最大達(dá)到61 cm,降溫時(shí)跨中撓度減小,最大值達(dá)到68 cm.升溫時(shí)橋塔偏位增大,最大達(dá)到7 cm,降溫時(shí)索塔偏位減小,減小最大值達(dá)5.3 cm.由圖3可知,整體升溫和整體降溫對(duì)懸索橋線(xiàn)形產(chǎn)生的影響曲線(xiàn)基本對(duì)稱(chēng),而單條曲線(xiàn)近似成拋物線(xiàn).

3.3 結(jié)構(gòu)剛度敏感性分析

混凝土的彈性模量隨著時(shí)間是不斷增大的,彈性模量增大使得混凝土實(shí)際強(qiáng)度值比設(shè)計(jì)值大,混凝土強(qiáng)度增加使得懸索橋的整體剛度增大,懸索橋索塔剛度變化對(duì)全橋線(xiàn)形的影響如圖4所示.由圖4可知索塔剛度增大,橋面上拱,索塔往背河向偏移,跨中上拱位移最大4 cm,塔頂位移僅1 cm.相對(duì)于橋的原始位移,由索塔引起的結(jié)構(gòu)剛度增加對(duì)結(jié)構(gòu)線(xiàn)形的影響不大.

圖4 結(jié)構(gòu)剛度誤差效應(yīng)

3.4 邊界條件敏感性分析

懸索橋的實(shí)際邊界條件與設(shè)計(jì)時(shí)所用的邊界條件是有一定差別的,改變?cè)摌蛟谒魉斘恢玫倪吔鐥l件,由主纜與索鞍在一點(diǎn)固結(jié)調(diào)整為主纜與索鞍在一條弧線(xiàn)上多點(diǎn)固結(jié).改變邊界條件對(duì)懸索橋線(xiàn)形的影響如圖5所示.由圖5可知邊界條件的改變導(dǎo)致橋面位移減小,橋面上拱,跨中影響最大,索塔偏位基本保持不變.

圖5 邊界條件誤差效應(yīng)

4 結(jié) 論

(1)敏感性參數(shù)如:結(jié)構(gòu)自重、溫度、索塔剛度和邊界條件對(duì)大跨懸索橋的線(xiàn)形都有一定的影響,對(duì)跨中撓度影響最大.而各參數(shù)中結(jié)構(gòu)自重對(duì)懸索橋線(xiàn)形影響是最大的,其次是溫度的影響,相對(duì)于自重和溫度的影響,索塔剛度和邊界條件對(duì)懸索橋的線(xiàn)形影響相對(duì)較小.

(2)敏感性參數(shù)對(duì)主梁撓度的影響是:自重增大、整體升溫導(dǎo)致橋面下?lián)显龃?整體降溫、結(jié)構(gòu)剛度增大、改變索塔處邊界條件使得橋面上拱撓度減小;敏感性參數(shù)對(duì)索塔線(xiàn)形的影響是:自重增大、整體升溫使索塔向河心偏移,整體降溫、結(jié)構(gòu)剛度增大、改變索塔處邊界條件使索塔向兩岸偏移.

(3)通過(guò)對(duì)敏感性參數(shù)的分析研究,可以提高懸索橋仿真計(jì)算的精度,準(zhǔn)確的控制施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)線(xiàn)形,對(duì)施工控制提供有益的理論參考.

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