大跨度橋梁結(jié)構(gòu)空間受力特性研究

趙 浩

0 引言

斜拉橋以其造型美觀、跨越能力強、跨徑布置靈活、施工干擾少、力學(xué)性能好、材料費用較低、剛度較好、抗風(fēng)能力強等優(yōu)點，在大跨度橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，成為一種最為常用的結(jié)構(gòu)。近年來，隨著新材料的開發(fā)，電子計算機軟硬件的發(fā)展，施工技術(shù)的進步，斜拉橋不斷向大跨徑、更輕巧方向發(fā)展。被稱為世界第一高橋的法國塔恩河河谷Millau高架橋，其大橋斜拉索高處高出地面1 125 ft，2008年興建的雙向三線高架斜拉橋中國香港昂船洲大橋，主跨1 018 m，同年興建的雙塔斜拉橋蘇通長江大橋，主跨1 088 m。

1 大跨度斜拉橋梁結(jié)構(gòu)特點

斜拉橋是一種將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的橋梁，其結(jié)構(gòu)體系由承壓的索塔、受拉力的斜拉索、承彎的主梁組成，可以看作是用拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。作為一種拉索體系，斜拉橋比梁式橋具有更大的跨越能力，是大跨度橋梁最主要的橋型。目前所采用的索塔形式有A形、倒Y形、H形、獨柱幾種，主梁一般采用混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，索塔大多采用混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索采用高強材料，如高強鋼絲或鋼絞線制成。斜拉橋的主要荷載并非橋梁上面的汽車和火車，而是其自重，主要是主梁。其荷載傳遞途徑主要是利用錨固在主梁和索塔上的斜拉索，將主梁的恒載和車輛荷載傳遞至索塔，再通過索塔傳遞至地基。這種斜向產(chǎn)生的巨大的水平分力依靠塔的自錨固體系得以平衡，使斜拉索承受巨大的拉力，塔梁承受巨大的壓力，充分發(fā)揮鋼材受拉和混凝土受壓的特性，大幅度增加橋梁的跨越能力，降低了主梁的彎矩值。

2 大跨度斜拉橋梁結(jié)構(gòu)空間受力特性

斜拉橋是塔、梁、拉索三種基本構(gòu)件組成的橋梁結(jié)構(gòu)體系，通常表現(xiàn)為柔性受力特性，同連續(xù)梁和桁架梁結(jié)構(gòu)相比，受幾何非線性影響比較突出，特別是對大跨度斜拉橋來說，由于斜拉索較長，會因自重產(chǎn)生較大的垂度，其伸長量與索內(nèi)拉力并不成正比關(guān)系。當(dāng)荷載作用于斜拉橋結(jié)構(gòu)某節(jié)點時，節(jié)點將發(fā)生位移，而荷載也會發(fā)生移動，這種位移使荷載對節(jié)點相連接的桿件作用方向發(fā)生改變的同時，還改變了荷載對結(jié)構(gòu)上其他節(jié)點產(chǎn)生的彎矩?？偟恼f來，這種幾何非線性靜力特性來源于三個方面:斜拉索垂度效應(yīng)、軸力與彎矩耦合產(chǎn)生的梁—柱效應(yīng)、大變形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)幾何形狀變化引起的非線性效應(yīng)。

2.1 斜拉索垂度效應(yīng)

斜拉索是一種柔性構(gòu)件，受其自重和軸力的影響，呈現(xiàn)出懸鏈線線形特征。斜拉索的軸向剛度受垂度的影響而發(fā)生改變，而其垂度則取決于斜拉索張力。因此，斜拉索張力和斜拉索變形之間，存在著明顯的幾何非線性特征。在荷載作用下，斜拉索在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變可以認(rèn)為是線彈性的，受斜拉索材料彈性的控制;斜拉索中各股鋼絲在斜拉索荷載作用下會產(chǎn)生相對運動，使斜拉索各股鋼絲重新排列而變得更為緊密;此外，斜拉索中除了產(chǎn)生應(yīng)變外，索垂度還會發(fā)生變化，垂度發(fā)生的變化同材料應(yīng)力無關(guān)，而是純粹的幾何變化所導(dǎo)致的，受到索內(nèi)張力、索長和索自重分布的影響。斜拉索所產(chǎn)生的這種幾何非線性變化因斜拉索自重和水平投影長度的增加而增加，隨斜拉索預(yù)應(yīng)力的增大而減小。這種斜拉索所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，在大跨度斜拉橋梁的全橋非線性效應(yīng)中占有極大的比重。其應(yīng)力水平越低，斜拉索彈性模量損失就越多，所以應(yīng)當(dāng)盡可能的保證斜拉索在恒、活載作用下處于較高的應(yīng)力水平，從而在充分應(yīng)用材料的基礎(chǔ)上，減小斜拉索垂度效應(yīng)。

2.2 梁—柱效應(yīng)

胡克定律是力學(xué)基本定律之一，適用于一切固體材料的彈性定律，即在彈性限度內(nèi)，物體的形變與引起形變的外力成正比。但是，即便在構(gòu)件滿足胡克定律的情況下，斜拉橋各構(gòu)件也會呈現(xiàn)出幾何非線性受力特性，這主要是因為斜拉索拉力使主梁和橋塔等構(gòu)件處于彎矩和軸力的耦合作用下的原因。在軸向力的作用下，主梁和橋塔等構(gòu)件的橫向撓度會引起附加彎矩，并對軸向剛度的大小造成影響，從而使疊加原理不再適用。但是，如果梁、柱等構(gòu)件在承受著一系列橫向荷載和位移作用時，在軸向力保持不變的情況下，所承受的橫向荷載和位移作用則是可以疊加的。因此，可以將軸向力看作是影響主梁和橋塔等構(gòu)件橫向剛度的一個參數(shù)。

對梁—柱效應(yīng)幾何非線性受力特性進行分析的經(jīng)典方法是基于有限元離散化觀點的穩(wěn)定函數(shù)法，目前這種方法在斜拉橋的結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 大變形效應(yīng)

當(dāng)斜拉橋在承受荷載時，其上部結(jié)構(gòu)，包括斜拉索、主梁、橋塔等上部結(jié)構(gòu)的幾何位置都會發(fā)生顯著的變化。這種變化從空間有限元模型分析法的角度來看，各節(jié)點坐標(biāo)在荷載作用下，隨荷載增量影響變化較大，同時，其各單元的長度、傾角等幾何特性也會相應(yīng)的發(fā)生較大的改變，整個結(jié)構(gòu)的剛度矩陣成為幾何變形的函數(shù)，荷載和位移不再保持線性特征，內(nèi)力和外荷載之間也不再是正比關(guān)系，整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出幾何非線性特征。受結(jié)構(gòu)大變形效應(yīng)的影響，產(chǎn)生了與荷載量并不成正比的附加應(yīng)力。不過，如果將荷載增量加載細(xì)分到足夠程度，使荷載迭代次數(shù)足夠多，結(jié)構(gòu)大變形所引起的幾何非線性特征，可以用分段線性特征來代替考慮。

3 結(jié)語

通過對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)空間受力幾何非線性特征的分析，包括斜拉索垂度效應(yīng)、軸力與彎矩耦合產(chǎn)生的梁—柱效應(yīng)、大變形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)幾何形狀變化引起的非線性效應(yīng)，可以看出:

1)大跨度斜拉橋梁幾何非線性受力特征對橋梁的豎、橫向剛度，尤其是橫向剛度影響不大;2)大跨度斜拉橋梁的大變形效應(yīng)主要對主梁和索塔豎桿軸力、豎向彎矩有一定影響，而對橋梁大部分桿件的恒載內(nèi)力影響較小;3)由于軸力與彎矩耦合會產(chǎn)生梁—柱效應(yīng)和大變形效應(yīng)，所以可以提高橋面板抗性，如鋼正交異性板等，從而提高橋梁的橫向剛度，分擔(dān)主梁彎矩效應(yīng)，降低主梁縱向彎矩，降低主梁縱、橫梁所受的內(nèi)力，并改善索塔的受力狀況，降低其縱向彎矩以及由主塔荷載所引起的橫向彎矩和軸力，但是這種方法對于主梁所受的剪力分擔(dān)作用并不會很明顯。

總之，目前大跨度橋梁在我國經(jīng)濟建設(shè)和人民生活中占據(jù)了越來越重要的地位，加強大跨度橋梁結(jié)構(gòu)空間受力特性的研究，對于提高大跨度橋梁的安全性和穩(wěn)定性有著重要意義。

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