鋼桁梁懸索橋參數(shù)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 精 衛(wèi)

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

1 工程概況

總體布置為單跨850 m簡支懸索橋方案，主梁采用鋼桁架加勁梁，索塔采用門型混凝土索塔。主橋主纜跨徑布置為：(270+850+270) m，主纜矢跨比為1/10，矢高為85 m。

2 計(jì)算模型

全橋總體分析采用“MIDS CIVIL 2012”有限元程序進(jìn)行。計(jì)算模型為空間桿系模型，主纜和吊索均采用索單元，索塔和鋼桁架加勁梁采用空間梁單元模擬。主塔承臺(tái)底及主纜錨固點(diǎn)處均采用固結(jié)約束；成橋分析階段主纜與主塔頂在索鞍處按照主從約束固接；鋼桁梁梁端設(shè)置豎向支座和橫向抗風(fēng)支座，縱向位移和轉(zhuǎn)角均按自由處理，計(jì)算模型見圖1，圖2。

3 參數(shù)分析

選取參數(shù)為主纜垂跨比、桁梁高度，通過分析主梁應(yīng)力和撓度、主纜內(nèi)力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、主塔內(nèi)力、工程數(shù)量等指標(biāo)來進(jìn)行參數(shù)選取和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 主纜垂跨比

雙塔懸索橋主跨垂跨比一般在1/9～1/11之間，其特性是隨主纜垂跨比減小，纜力增加，結(jié)構(gòu)重力剛度加大，活載作用下加勁梁撓度有減小，但工程造價(jià)越高(涉及主纜面積、塔高及錨碇規(guī)模)；若垂跨比增大，結(jié)論則相反(見表1)。

表1 懸索橋垂跨比統(tǒng)計(jì)表

因此，本橋選取了1/9.5,1/10,1/10.5三種垂跨比進(jìn)行了研究。比選結(jié)果如表2～表5所示。

3.1.1主纜內(nèi)力對比

從表2可知：主纜內(nèi)力隨著垂跨比的減小而增加；垂跨比由1/9.5減少至1/10時(shí)，主纜內(nèi)力增大約4.5%；垂跨比由1/10減少至1/10.5時(shí)，主纜內(nèi)力增加約4.9%。以1/10垂跨比的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，因垂跨比不同帶來的數(shù)值變化均在±10%以內(nèi)。因此，較小的垂跨比會(huì)導(dǎo)致主纜內(nèi)力增加過快而不經(jīng)濟(jì)，不宜選用。

表2 不同垂跨比比較結(jié)果(一)

3.1.2加勁梁撓度對比

從表3可知：在活載作用下，加勁梁撓度隨著垂跨比的減小而減??；在體系溫差荷載作用下，加勁梁撓度隨著垂跨比的減小而增加；橋梁整體剛度較大，主梁撓跨比均小于1/300，滿足規(guī)范的要求。以1/10垂跨比的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，汽車荷載撓度因垂跨比不同帶來的向下最大豎向撓度變化量均在±10%以內(nèi)，溫度作用下加勁梁的最大豎向撓度變化量均在±5%以內(nèi)。

表3 不同垂跨比比較結(jié)果(二)

3.1.3加勁梁應(yīng)力對比

表4 不同垂跨比比較結(jié)果(三)

從表4可知：在活載作用下，加勁梁各桿件的應(yīng)力隨著垂跨比的減小而減小，其中主桁上、下弦桿和斜腹桿相對較明顯。以1/10垂跨比的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，因垂跨比不同帶來的鋼桁架在活載下的應(yīng)力變化量均在±5%以內(nèi)。

3.1.4動(dòng)力特性對比

表5 不同垂跨比比較結(jié)果(四)

從表5可知：懸索橋的振動(dòng)頻率，隨著主纜垂跨比的減小而增大，即結(jié)構(gòu)剛度隨之增大。但變化幅度不大，以1/10垂跨比的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，因垂跨比不同帶來的頻率變化量在±10%之間。

3.1.5主要工程數(shù)量對比

垂跨比引起的數(shù)量變化主要體現(xiàn)在主纜、索塔和錨碇上，除普通鋼筋外，主纜、索塔和錨碇三者數(shù)量之和隨著垂跨比的減小而增大；而高強(qiáng)鋼材增大數(shù)量比普通鋼筋減小的數(shù)量要大，因此，在橋面系和主梁不變的情況下，大橋建安費(fèi)隨著垂跨比的減小而增大。

3.1.6索塔內(nèi)力對比

由于本橋所處地區(qū)的基本抗震設(shè)防烈度為7度地震區(qū)域，地震力的大小與索塔的高度趨勢一致，垂跨比越小，理論上索塔越矮，則索塔根部地震產(chǎn)生的內(nèi)力越小。

通過以上對比可以得出：以1/10垂跨比的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在主纜、索塔和錨碇的數(shù)量變化上，三者引起的大橋建安費(fèi)隨著垂跨比的減小而增大，采用1/9.5的垂跨比，大橋經(jīng)濟(jì)性最好，1/10的垂跨比次之。但從動(dòng)力特性來看，1/10的垂跨比橋梁結(jié)構(gòu)性能更好，建議采用1/10的垂跨比。

根據(jù)以上研究的結(jié)論，綜合考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗震性能，本橋垂跨比決定采用適中的1/10。

3.2 梁高

鋼桁架的高度由結(jié)構(gòu)體系的豎向、橫向剛度以及抗風(fēng)穩(wěn)定性等因素確定，根據(jù)已建成橋梁的經(jīng)驗(yàn)(矮寨7.5 m，壩陵河10 m，四渡河6.5 m，北盤江5 m)，本橋分別選取加勁梁桁架高度H為6.5 m，7.0 m，7.5 m，桁架縱向節(jié)間距均為6.8 m，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力部位進(jìn)行比較分析。

3.2.1主纜內(nèi)力對比

主纜最大內(nèi)力對比見表6。

表6 主纜最大內(nèi)力對比

3.2.2吊索內(nèi)力對比

吊索內(nèi)力對比見表7。

表7 吊索內(nèi)力對比

表6，表7計(jì)算結(jié)果表明，因梁高變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)恒載重量表變化很小，主纜及吊索內(nèi)力變化較小，且主纜和吊索最大內(nèi)力隨主梁高度增加而增加。

3.2.3加勁梁活載撓度對比

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移表明，主梁高度變化對結(jié)構(gòu)總體剛度影響很小，隨著主梁高度的增加，主塔縱向位移增大，加勁梁端縱向位移減小，加勁梁豎向位移減小橫向位移增大。總體來說梁高變化對結(jié)構(gòu)縱向及橫向剛度的影響小于對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響。以7.0 m桁高的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，主梁撓度變化百分比在±1.5%以內(nèi)，見表8。

表8 活載位移比較 m

3.2.4加勁梁應(yīng)力對比

結(jié)果表明，梁高變化對桁架縱向應(yīng)力影響較小，且桁架上、下弦桿及豎腹桿最大內(nèi)力隨主梁高度增加而增加，主要原因在于主纜和主梁形成的超靜定結(jié)構(gòu)中主梁高度(剛度)的增加使得主梁承擔(dān)的內(nèi)力增加。以主要組合為例，上弦桿應(yīng)力變幅在2%以內(nèi)，下弦桿應(yīng)力變幅在25%以內(nèi)，豎腹桿應(yīng)力變幅在5%以內(nèi)，斜腹桿應(yīng)力變幅在15%以內(nèi)，平聯(lián)應(yīng)力變幅在10%以內(nèi)，表明該結(jié)構(gòu)體系在合適的主梁高度范圍內(nèi)主梁高度的增加不能有效降低縱向桿件應(yīng)力，見表9。

表9 加勁梁應(yīng)力對比

3.2.5鋼桁架數(shù)量對比

表10 鋼桁架用鋼量比較

以7 m桁高的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，因桁高不同帶來的主桁用鋼數(shù)量的變化在±1.5%之間，見表10。

4 結(jié)語

通過以上主纜垂跨比、桁梁高度，通過主梁應(yīng)力和撓度、主纜內(nèi)力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、主塔內(nèi)力、工程數(shù)量等指標(biāo)對比分析，可以得出：采用不同的高跨比對大橋的結(jié)構(gòu)受力和工程數(shù)量影響甚微。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭宏宇，梅葵花，呂志濤.CFRP纜索體系懸索橋的優(yōu)勢及可行性研究[J].橋梁建設(shè)，2006(4):7-10.

[2] 羅喜恒，肖汝誠，鞏海帆.空間纜索懸索橋的主纜線性分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004,32(10)：1349-1354.

[3] Y.J.Ge,H.F.Xiang.Aerodynamic challenges in long span bridge[J].IstructE Centenary Conference，2008(2)：121-148.

[4] L.Moisseiff, F.Lienhard.Suspension bridges under the action of lateral forces.with discussion[J].Transactions of the American Society of Civil Engineers,1933(98)：1080-1095.