鋼索塔縱向加勁肋參數(shù)研究

黃本才，欒好發(fā)，高 峰

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

在20世紀(jì)60年代以前，較大跨度的懸索橋和斜拉橋索塔幾乎全是用鋼材來制造，后來由于高塔模板技術(shù)和混凝土澆注技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)大部分的懸索橋和斜拉橋多采用混凝土索塔。但日本是一個(gè)例外，修建的懸索橋和斜拉橋，多采用鋼索塔。因?yàn)槿毡臼堑卣痤l繁出現(xiàn)的國(guó)家，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗地震比較好。我國(guó)修建的斜拉橋除香港汀九橋和南京長(zhǎng)江三橋外也幾乎都采用混凝土索塔。鋼索塔在我國(guó)處于剛剛應(yīng)用時(shí)期，我國(guó)現(xiàn)行鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)不能滿足鋼索塔的有關(guān)規(guī)定，因此有必要展開對(duì)鋼索塔的詳細(xì)研究，為鋼索塔的應(yīng)用提供一些有意義的參考。

本文結(jié)合具體的工程，對(duì)鋼索塔豎向肋板的厚度、間距和寬度進(jìn)行研究，計(jì)算不同厚度、不同間距和不同寬度豎肋板對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，在決定承載力方面，穩(wěn)定性比強(qiáng)度更具有決定性，對(duì)以受壓為主的高聳鋼索塔來說更是如此，鋼索塔構(gòu)造優(yōu)化實(shí)質(zhì)就是分析構(gòu)造對(duì)鋼索塔穩(wěn)定的影響[1-7]。

1 模型建立

1.1 整體模型的建立

以國(guó)外一座鋼索塔斜拉橋?yàn)楸尘?，進(jìn)行鋼索塔的受力分析計(jì)算。該橋的索塔構(gòu)造和整體布置見圖1、圖2。

圖1 橋塔布置圖

圖2 雙塔三跨斜拉橋

本文對(duì)主塔施工完成（裸塔狀態(tài)）和主梁為最大懸臂狀態(tài)時(shí)這兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)的自重、施工荷載。

1.2 索塔模型的建立

圖3 索塔有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中規(guī)定工字型和箱形截面受壓構(gòu)件的腹板，高厚比不滿足要求時(shí)，可用縱向加勁肋加強(qiáng)，并規(guī)定縱向加勁肋在腹板兩側(cè)成對(duì)布置，肋板寬度不應(yīng)小于10倍腹板厚度，肋板厚度不應(yīng)小于0.75倍腹板厚度。

索塔塔壁上布置的豎向加勁肋很難滿足上述要求，索塔塔壁上布置的豎向加勁肋只能在內(nèi)部布置，而且一般要布置多道縱向加勁肋。布置了多道縱向加勁肋，縱向加勁肋的間距、厚度、寬度對(duì)索塔第一類穩(wěn)定的影響都需要進(jìn)行相關(guān)的研究。

2.1 肋板間距對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

本橋鋼索塔截面的尺寸，很難把肋板的間距在索塔橫截面的長(zhǎng)度方向和寬度方向調(diào)整為一致，以間距的代表值作為參考，間距的代表值分別取0.4m、0.6m、0.8m、1m、2m。0.4m代表橫截面長(zhǎng)度方向有4道縱向肋板，寬度方向有3道縱向肋板；0.6m代表橫截面長(zhǎng)度方向有3道縱向肋板，寬度方向有2道縱向肋板；0.8m代表橫截面長(zhǎng)度方向有2道縱向肋板；寬度方向有1道縱向肋板，1m代表橫截面長(zhǎng)度方向和寬度方向各有1道縱向肋板；2m代表橫截面長(zhǎng)度方向和寬度方向都沒有縱向肋板。對(duì)兩種工況分析獲得一階失穩(wěn)模態(tài)和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。發(fā)生一階失穩(wěn)的部位集中在塔底處的肋板或者塔底附近的壁板。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板間距對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖4。

圖4 穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板間距變化趨勢(shì)圖

從圖4看出，工況1的穩(wěn)定安全系數(shù)變化劇烈，工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)隨肋板間距的增加而減小。綜合工況1和工況2，肋板間距取0.6m比較恰當(dāng)。即沿鋼索塔橫截面長(zhǎng)度方向和寬度方向分別布置三道、兩道肋板比較恰當(dāng)。

2.2 肋板厚度對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

肋板的厚度依次取15mm、18mm、19mm、20mm、22mm、24mm和30mm，按兩種工況進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)的一階失穩(wěn)模態(tài)和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。工況1發(fā)生一階失穩(wěn)的部位集中在塔底處的肋板和塔頂附近的橫隔板。工況2發(fā)生一階失穩(wěn)的部位集中在塔底處的肋板和塔底處附近的橫隔板。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板厚度對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖5。

從圖5看出，當(dāng)肋板厚度從20mm降低為15mm時(shí)，即肋板厚度與壁板的厚度的比值從0.91降低為0.682，索塔的穩(wěn)定安全系數(shù)急劇降低，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中規(guī)定箱形截面受壓構(gòu)件的縱向加勁肋厚度不應(yīng)小于0.75倍腹板厚度保持一致。綜合工況1和工況2，肋板厚度取20mm。

圖5 穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板厚度變化趨勢(shì)圖

2.3 肋板寬度對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

肋板寬度依次取0、0.1m、0.2mm、0.25m、0.3m、0.35m和0.4m，按兩種工況進(jìn)行分析。當(dāng)肋板寬度較小時(shí)，工況1和工況2的失穩(wěn)表現(xiàn)為塔底附近的壁板失穩(wěn)；肋板厚度較大時(shí)，工況1的失穩(wěn)表現(xiàn)為塔頂附近的橫隔板失穩(wěn)，工況2的失穩(wěn)表現(xiàn)為塔底肋板失穩(wěn)。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板厚度對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖6。

圖6 穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板寬度變化趨勢(shì)圖

從圖6看出，當(dāng)肋板寬度從0增加到為0.25m時(shí)，工況1和工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)增加很快，當(dāng)大于0.25m時(shí)，工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)增加趨于平緩，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中規(guī)定箱形截面受壓構(gòu)件的縱向加勁肋的寬度不應(yīng)小于10倍腹板厚度要求基本一致。綜合工況1和工況2，肋板寬度取0.3m比較恰當(dāng)。

2.4 肋板厚度與寬度的比值對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

為了得到肋板寬度、厚度同時(shí)變化對(duì)鋼索塔穩(wěn)定的影響，進(jìn)行了以下分析：分別取肋板厚度與壁板厚度的比值m=0.682、m=1、m=1.09，肋板的寬度0.1m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m，獲得工況1、工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板寬度、厚度對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖7、圖8。

圖7 工況1穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板寬度、厚度變化趨勢(shì)圖

圖8 工況2穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板寬度、厚度變化趨勢(shì)圖

從圖7看出，m取相同的值，穩(wěn)定安全系數(shù)隨肋板寬度的變化呈波形，體現(xiàn)了肋板寬度、厚度合理搭配的重要性；當(dāng)肋板寬度取0.31m時(shí)，三條曲線基本相交與一點(diǎn)，肋板厚度三個(gè)不同值對(duì)索塔穩(wěn)定幾乎沒有影響；肋板寬度取0.31m，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）關(guān)于肋板寬度的規(guī)定基本一致。從圖8可以看出，m取相同的值，穩(wěn)定安全系數(shù)隨肋板寬度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；在相同肋板寬度的條件下，m取1時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于m取0.682時(shí)的值；m取0.682時(shí)，隨肋板寬度的增長(zhǎng)，穩(wěn)定安全系數(shù)變化不大，并且比較小，在設(shè)計(jì)中意義不大；在相同肋板寬度的條件下，m取1時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎和t取1.09時(shí)的值相同；m取1和m取1.09時(shí)，肋板寬度從0.1m增長(zhǎng)到0.25m時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢(shì)明顯，肋板寬度從0.25m增長(zhǎng)到0.4m時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢(shì)減緩，可以得出肋板寬度的合理取值取值范圍為0.25～0.4m，也與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）關(guān)于肋板寬度的規(guī)定基本一致。

3 結(jié)語

本文結(jié)合具體工程，對(duì)鋼索塔構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明：在鋼索塔的設(shè)計(jì)時(shí)，肋板寬度的取值以《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）關(guān)于肋板寬度的規(guī)定為參考比較合理；肋板厚度等于或者略小于壁板厚度比較合理；當(dāng)肋板寬度較小，增加肋板厚度，難以獲得較大的穩(wěn)定安全系數(shù)；當(dāng)肋板寬度增加到一定程度時(shí)，靠增加肋板寬度來獲得較大的穩(wěn)定安全系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。

[1]（日）伊騰學(xué)，川田忠樹，等.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)的序幕[M].劉建新，和丕壯，譯.北京：人民交通出版社，2002.

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[3]劉士林，梁智濤，候金龍，等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]項(xiàng)海帆.中國(guó)土木工程學(xué)科的發(fā)展戰(zhàn)略（建筑、環(huán)境與土木工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)特邀報(bào)告）[R].北京：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，2004.

[5]呂烈武，沈世釗，沈祖炎，等.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定理論[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1983.

[6]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[7]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].