異型斜拉橋背索的型變效應

任 偉，蓋軼婷，蘭 彬，3

(1．舊橋檢測與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，陜西 西安 710064;2．中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075; 3．山東高速集團有限公司，山東 濟南 518049)

異型斜拉橋背索的型變效應

任 偉1，蓋軼婷2，蘭 彬1，3

(1．舊橋檢測與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，陜西 西安 710064;2．中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075; 3．山東高速集團有限公司，山東 濟南 518049)

為研究空間扭背索斜塔斜拉橋與常規(guī)布索斜拉橋在力學性能上的差異，本文以一獨柱斜塔空間扭背索斜拉橋為依托，采用數(shù)值算法，通過變換背索布索方式，對空間扭背索與扇形背索兩種布索方式斜拉橋在靜力性能、動力特性、穩(wěn)定性方面的差異進行對比分析。研究結果表明:空間扭背索布索方式易造成索力分布不均勻，主梁彎矩、應力偏大等問題;相對于扇形背索，空間扭背索布索方式的斜拉橋整體剛度較小;穩(wěn)定性方面二者區(qū)別不大?？傮w而言，空間扭背索斜拉橋在受力上基本合理，但是在獲得一定視覺效果的同時，其力學性能有所降低。

橋梁工程 空間扭背索 扇形背索 靜力性能 動力性能

隨著人們對城市景觀要求的不斷提高，新穎結構往往作為一個地區(qū)標志性建筑的首選，空間扭背索斜塔斜拉橋就是這樣一個新生事物。目前已建成的類似結構有江西南昌英雄大橋、山東省濟寧市太白樓西路梁濟運河大橋等。所謂空間扭背索組合梁斜塔斜拉橋，是指斜拉橋采用獨塔形式，索塔向邊跨傾斜，邊跨背索采用扭索面，即錨固在索塔最低處的拉索的另一端錨固在距索塔最遠的主梁上;錨固在索塔上最高處的拉索的另一端錨固在距索塔最近的主梁上。由于采用了超出常規(guī)的布索順序和傾斜的橋塔，使得該類斜拉橋更具觀賞價值［1-3］。

斜拉橋布索方式的不同會引起結構受力性能的差別［4-5］。但是目前對兩者之間的差異到底有多大，孰優(yōu)孰劣，還無相關研究。因此本文以某空間扭背索斜拉橋為依托，通過變換背索布索方式，從靜力、動力及穩(wěn)定性幾個方面研究布索方式對橋梁結構性能產生的影響。

1 數(shù)值分析模型建立

1.1 依托工程

依托橋型為一座跨徑(96+220)m的空間扭背索組合梁斜塔斜拉橋。主跨為單箱多室鋼箱梁，邊跨主梁為分離式PC箱梁，這兩段主梁在主塔根部位置通過剪力鍵和預應力相連。橋塔采用獨柱混凝土斜塔，鋼錨箱，主塔全高133 m，塔身向邊跨傾斜8°。全橋共設28對斜拉索。該橋總體布置如圖1所示，對比橋型如圖2所示。

圖1 總體布置

圖2 對比橋型

1.2 模型建立

本文主要研究扭背索對全橋結構行為的影響，因此建立了2個數(shù)值模型:①空間扭背索模型;②扇形背索模型。全橋模型采用結構分析軟件MIDAS/Civil建立。斜拉索采用桁架單元模擬，主梁和主塔采用空間梁單元，鋼錨箱處主塔和鋼—混結合段處主梁采用換算截面。主要材料參數(shù)均來源于規(guī)范或現(xiàn)場實測值。

2 對比分析

2.1 靜力分析對比

1)拉索彈性模量修正值比較

斜拉索由于受到垂度的影響，其受力性能會發(fā)生改變［6-7］。因此需要對兩模型拉索的彈性模量采用Ernst公式修正［8-9］。兩種布索方式修正后的彈性模量對比如圖3所示。由圖3邊跨拉索彈性模量修正值可以看出，修正后的扭背索拉索彈性模量變化幅度小于扇形背索。對 Ernst公式的分析發(fā)現(xiàn)，采用空間扭背索布索方式時由于水平投影小的拉索相應的受力也小，正好降低了 Ernst公式中項的變化速率，因此其對剛度的影響也較小。

圖3 拉索彈性模量修正值比較

2)索力及應力比較

在自重、二期鋪裝、預應力和斜拉索作用下，空間扭背索布索方式與扇形背索布索方式的成橋索力及應力比較如圖4所示。

由圖4可知，相對于扭背索，扇形背索方式索力分布均勻，且錨固在同一錨固區(qū)的索力相差也較小。其中空間扭背索模型索力變化范圍為4 501～2 173 kN;扇形背索模型索力變化范圍為4 149～2 553 kN。此外，錨固在同一橋塔斷面的扭背索，拉索索力相差也較大，其中差值在700 kN以上的占50%。扇形背索布索方式的索力分布相對較均勻，主邊跨錨固在同一鋼錨箱的拉索索力相差較小，其中差值在700 kN以上的僅為14.3%。布索方式差異對主梁應力的影響相對較小，其中主跨3/4L位置的相差較大，差值在7.4～8.9 MPa之間，其余位置差值均很小。

3)位移比較

在自重、二期鋪裝、預應力和斜拉索作用下，兩種布索方式對主梁位移的影響很小，說明背索的布索方式對獨塔斜拉橋線形影響不大。

主塔縱向位移最不利工況下(主跨滿載)，扭背索布索方式主塔最大位移為18.1 cm，扇形背索布索方式僅為8.3 cm，均偏向主跨。扭背索布索方式的主塔位移偏大的主要原因是受拉索角度的影響，扭背索給主塔提供的水平平衡力受到限制。

圖4 索力及應力比較

4)主梁彎矩

在自重、二期恒載、預應力和斜拉索作用下，比較兩種布索方式對應主梁彎矩可看出，空間扭背索布索方式的主梁彎矩大，比常規(guī)索布索方式的峰值大35 182 kN·m。

2.2 動力分析對比

計算了扭背索模型和扇形背索模型前10階自振特性的頻率和振型特點。扭背索模型的第一階振動模態(tài)為主塔縱向彎曲，頻率為0.773 Hz，而該振型直到第7階才出現(xiàn)在扇形背索模型中，頻率為8.035 Hz。說明扭背索斜拉橋，由于主跨和邊跨索力相差較大，對主塔約束剛度相對較薄弱?？臻g扭背索模型第8階出現(xiàn)邊跨豎彎振動，頻率為4.571 Hz，而扇形背索是在第9階才出現(xiàn)該振型，頻率為10.187 Hz。說明空間扭背索布索方式對主梁的豎向剛度約束也較小。

2.3 穩(wěn)定分析對比

第一類穩(wěn)定性分析采取兩個工況:①全橋均布力對稱作用;②主跨均布力對稱作用。兩個工況下，扇形背索布索方式的第一類穩(wěn)定特征值都大于扭背索布索方式，但兩者的同階次失穩(wěn)模態(tài)是相同的?？傮w上看來，二者在穩(wěn)定性上差別不大。

采用塑性鉸法來計算依托斜拉橋的第二類穩(wěn)定(極限承載力)。共分兩個工況:①全橋對稱布置均布力;②僅在主跨布置均布力，且左右對稱作用。出現(xiàn)塑性鉸時，兩種工況下扭背索的活荷載系數(shù)分別為5.52和5.48;扇形背索分別為5.60和5.53。扇形背索布索方式的活荷載系數(shù)比扭背索布索方式略大，這說明相對于常規(guī)布索方式的斜拉橋，空間扭背索斜拉橋的承載能力較弱。

3 結論

以某空間扭背索斜拉橋為算例，研究布索方式對斜拉橋結構性能的影響，主要結論如下:

1)扭背索能夠降低垂度引起的非線性影響;由于邊跨扭背索索力分布不均勻，易引起較高的主梁應力。

2)空間扭背索在獲得美學效果的同時，靜力性能有所降低。

3)空間扭背索模型結構剛度相對較低。從結構振型和頻率上看，主塔的結構剛度和邊跨主梁的結構剛度明顯弱于常規(guī)斜拉橋。

4)扇形背索斜拉橋的第一類整體穩(wěn)定性略好于空間扭背索斜拉橋，但二者區(qū)別不大?？臻g扭背索斜拉橋承載能力略低于扇形背索斜拉橋。

［1］蘭彬．背索布索方式對獨塔斜拉橋結構性能影響分析［D］．西安:長安大學，2008．

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［5］賀拴海．高等橋梁結構理論與計算方法［M］．北京:人民交通出版社，2003．

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［7］亢戰(zhàn)，鐘萬勰．斜拉橋參數(shù)共振問題的數(shù)值研究［J］．土木工程學報，1998(4):14-22．

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［9］夏品奇，JAMES M W，BROWN J．斜拉橋有限元建模與模型修正［J］．振動工程學報，2003，16(2):219-223．

Back cable type-variable-effect of special-shaped cable stayed bridge

REN Wei1，GAI Yiting2，LAN Bin1，3
(1．Key Laboratory of Bridge Detection Reinforcement Technology Ministry of Communications，PRC，Xi’an Shaanxi 710064，China; 2．CCCC First Highway Consultants Co．，Ltd．，Xi’an Shaanxi 710075，China; 3．Shandong High-speed Group Co．，Ltd．，Jinan Shandong 518049，China)

T he performance difference between cable-stayed bridge with space-twisting back cables and conventional cable-stayed bridge was compared．A space-twisting back cable stayed bridge with a leaning tower was studied using numerical analysis．W ith the change of the layout of back cables，the static performance，dynamic characteristics and the stability of the two types of cable-stayed bridges were different．By comparison，the disadvantages of the spacetwisting back cable stayed bridge include uneven distribution of cable force，larger moment and stress in girders and lower stiffness．But the stability of the two types of bridges is almost the same．In general，the performance of the space-twisting back cable stayed bridge is reasonable．As the sacrifice for amazing vision beauty，its performance is not as good as that of the conventional cable-stayed bridge．

Bridge Engineering;Space-twisting Back Cable;Sector Back Cable;Static performance;Dynamic performance

U448.27

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．04

(責任審編 趙其文)

2014-12-01;

:2015-05-28

國家自然科學基金項目(51308056);2012年交通運輸部應用基礎研究項目(2012319812100);陜西省交通運輸廳2014年度交通科研項目(14-17k);廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-034)

任偉(1975— )，男，陜西西安人，副教授，工學博士。

1003-1995(2015)08-0013-03