列車荷載對梁體撓度和拉索索力變化的影響

張瑜 孔祥凱

摘要：隨著交通事業(yè)的迅速發(fā)展，我國在橋梁結構的建設中投入了大量的精力，在建橋的同時尤其注重橋梁安全。斜拉橋是一種最為常見的并且被廣泛利用的橋梁結構，作為一種拉索體系，有著比梁式橋跨越能力大的優(yōu)點，因此成為大跨度橋梁的最主要橋型。拉索作為整個橋梁結構的主要受力結構，直接影響著整個結構的安全。由于拉索結構纖細，是斜拉橋結構體系中最為敏感的構件，在橋梁正常運營狀態(tài)即列車荷載的影響下很容易為了使橋梁結構給人們提供安全可靠的服務，有必要研究斜拉橋在運營狀態(tài)下列車荷載對主桁節(jié)點撓度和拉索索力的變化規(guī)律。

關鍵詞：斜拉橋；列車荷載；撓度；索力

1 引言

斜拉橋是一種由主塔與鋼纜組成來支撐橋面的橋梁，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁[1]，主要由索塔、斜拉索、主梁組成，其中索塔承受壓力，拉索承受拉力，梁體受彎，可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁[2]。

課題主要以武漢天興洲長江大橋為工程背景，通過大型有限元軟件ANSYS建立武漢天興洲長江大橋正橋斜拉橋模型，得到斜拉橋成橋狀態(tài)下的各拉索索力[3]，并模擬該模型在拉索無損傷時列車通過全橋，得到列車荷載對梁體撓度和拉索索力的影響規(guī)律。

2 工程背景

武漢天興洲長江大橋為雙層公鐵兩用橋，采用雙塔三索面鋼桁斜拉橋，斜拉橋主梁為板桁結合鋼桁梁，N形桁架，三片主桁，桁寬2×15 m，桁高15.2 m，節(jié)間長度14 m；主塔采用鋼筋混凝土結構；每塔兩側各有3×16根拉索，斜拉索為鍍鋅平行鋼絲，雙層PE護套，冷鑄錨。鋼桁梁上索距14 m，相鄰索面中心距15 m；斜拉索下端錨固于主桁上弦節(jié)點錨箱內(nèi)，上端錨固于上塔柱鋼錨梁內(nèi)，斜拉索上端為張拉端。

橋墩從漢口到武昌依次為0#墩至5#墩；由于武漢天興洲長江大橋的結構對稱性，僅對2#塔中間索面主跨和邊跨拉索及正橋中間索面主桁下弦節(jié)點撓度進行分析。主桁下弦節(jié)點編號規(guī)定：斜拉橋主桁從0#墩至中孔跨中的下弦節(jié)點用字母“E”表示，其數(shù)值依次從0至39，即E0～E39，而從5#墩至中孔跨中的下弦桿節(jié)點用字母“E'”表示，數(shù)值從0至38，即E'0～E'38。拉索編號規(guī)定：從2#塔至跨中依次是S1至S16，2#塔至邊跨依次為S'1至S'16；索力以拉為正，撓度向上為正。

3 列車荷載的加載方式

為分析梁體撓度的變化規(guī)律，規(guī)定以0#墩對應節(jié)點E0為下行列車荷載作用起始點，以5#墩對應節(jié)點E'0為上行列車荷載作用起始點，靜力加載完成后提取出全橋各節(jié)點在列車荷載不同位置時的索力和撓度值，并畫出各節(jié)點在列車荷載作用下索力和撓度變化曲線。篇幅限制，僅對貨車四線同時下行這種最不利情況進行分析計算。

索力變化曲線上縱坐標表示各拉索索力變化值，橫坐標表示列車荷載過橋位置；撓度變化曲線上縱坐標表示主桁各節(jié)點撓度隨列車荷載作用的變化值，橫坐標表示列車荷載過橋位置。

規(guī)定：撓度變化值=列車過橋時主桁各節(jié)點的預拱度值-大橋完好狀態(tài)下初始預拱度值

索力變化值=列車過橋時的索力值-大橋完好狀態(tài)下初始索力值。

4.列車過橋時梁體撓度與索力變化

列車單機四線下行從橋梁一端一起向另一端行駛，隨著車輛荷載的移動，主桁各節(jié)點的撓度也隨之變化。列車荷載作用下，2#塔中間索面主跨和邊跨拉索索力變化曲線分別見圖1（a）、圖1（b）；中間索面主跨和邊跨拉索與梁體錨固點處的下弦節(jié)點撓度變化曲線分別見圖2（a）、圖2（b）。

列車單機四線同時下行，由圖1（a）和圖1（b）分析可知：

2#塔中間索面各拉索索力變化規(guī)律與列車荷載作用位置有關，列車荷載作用位置越靠近拉索與梁體錨固點處的主桁下弦節(jié)點，索力變化值越大，當正好作用在此位置時索力變化值達到整條曲線的最大值。列車距離越遠，對索力的影響越小。

列車單機四線同時下行，由圖2（a）和圖2（b）分析可知：

當荷載運行在0#塔～1#塔之間節(jié)點位置時，E4～E6產(chǎn)生下?lián)?，并出現(xiàn)尖點，E7～E19出現(xiàn)上撓，但撓度變化不明顯。荷載作用在2#塔邊跨節(jié)點處，邊跨拉索與梁體錨固點處對應的主桁下弦節(jié)點撓度變化值出現(xiàn)尖點，E14產(chǎn)生撓度變化最大值15.099 mm，荷載繼續(xù)向X軸方向移動，在2#塔主跨節(jié)點處，主跨拉索與梁體撓度錨固點對應的主桁下弦節(jié)點處的撓度明顯下?lián)?，其兩側?jié)點產(chǎn)生輕微上撓。

5 結論

主梁拉索索力與主桁下弦節(jié)點撓度變化均受列車荷載作用位置的影響，隨著車輛荷載作用位置靠近主桁某個下弦節(jié)點，該處主桁下弦節(jié)點撓度變化值和索力變化值也隨之增大，在此處出現(xiàn)明顯的尖點；隨著車輛荷載的遠離，對此處節(jié)點的影響越來越小。

參考文獻

[1]曾廣彬.大跨徑連續(xù)梁橋施工技術[J].交通科技，2018，S（1）：1140-1142.

[2]王大寶，魏海偉.南京長江大橋動力特性試驗分析[J].交通科技，2018，（3）：65-67.

作者簡介：張瑜，1991.03，漢族，河北省衡水人，碩士研究生，山東公路技師學院，初級，從事工作：教師。

孔祥凱，1991.09，男，漢族，山東省曲阜人，碩士研究生，山東省交通科學研究院，助理工程師，從事工作：工程檢測。

（作者單位：1.山東公路技師學院；

2.山東省交通科學研究院）