大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行懸索橋受力性能對(duì)比分析

張清旭 寧曉駿 周興林 李啟萌 江小飚

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500; 2.云南省港航投資建設(shè)有限責(zé)任公司 昆明 650051)

0 引言

在各類橋梁結(jié)構(gòu)中，懸索橋具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、造型優(yōu)美、規(guī)模壯觀等特點(diǎn)，常被稱為“橋梁皇后”。目前國(guó)內(nèi)大跨徑懸索橋大多采用雙塔三跨或單跨的形式，隨著跨徑的增大，主塔、主纜和錨碇的規(guī)模增加，各項(xiàng)拉應(yīng)力和負(fù)載形式也迅速增加，工程的安全性顯得尤為重要[1]。

在研究非傳統(tǒng)懸索橋時(shí)，雙纜懸索體系引起了國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者的關(guān)注，主要分析了雙纜體系在承受滿布均布荷載的情況下，荷載在上纜與下纜間的分配情況；研究了雙主纜懸索體系在承受不平衡活載時(shí)的力學(xué)特性；推導(dǎo)了雙主纜懸索體系對(duì)橋塔順橋向約束的剛度表達(dá)式；分析了雙纜多跨懸索體系與傳統(tǒng)多跨懸索體系在活載作用下主纜用鋼量的差異[2-5]。這些研究大多面向大跨多塔剛性懸索橋，而針對(duì)雙纜體系是否適用于大跨人行懸索橋以及是否滿足安全需求的研究較少。

基于此，利用有限元軟件Midas/Civil對(duì)某大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行懸索橋在單纜和雙纜兩種結(jié)構(gòu)體系下靜動(dòng)力特性進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)雙纜體系的力學(xué)特點(diǎn)，為類似的工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

以某人行懸索橋?yàn)楸尘?，?gòu)建了基于單纜結(jié)構(gòu)體系和雙纜結(jié)構(gòu)體系下的雙塔懸索橋。大橋位于云南省德宏州芒市某景區(qū)內(nèi)，主跨188 m，橋梁全長(zhǎng)287 m，矢高12.533 m，矢跨比為1/15。橋?qū)? m，橋面凈寬2 m，橋面為鋼化夾層玻璃。雙纜體系下頂纜矢高11.753 m，矢跨比為1/16，底纜矢高13.431 m，矢跨比為1/14。橋梁立面位于半徑為9 400 m的圓曲線上，立面布置如圖1。

(a) 單纜懸索橋 單位：m

(b) 雙纜懸索橋 單位：m

圖1 不同結(jié)構(gòu)體系立面布置

2 有限元模型

采用有限元軟件Midas/Civil建立整體空間模型，根據(jù)模型的基本參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將單纜懸索橋模型劃分為595個(gè)節(jié)點(diǎn)，840個(gè)單元，其中主纜和吊桿共250個(gè)單元。雙纜懸索橋模型共劃分720個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 084個(gè)單元，其中主纜和吊桿單元數(shù)493個(gè)。兩種體系采用相同的邊界條件，主塔頂橫梁和主纜之間采用剛性連接，塔底及主纜錨固處采用固結(jié)[6-7]。表1為懸索橋各主要構(gòu)件材料參數(shù)。模型示意見(jiàn)圖2。

表1 懸索橋主要構(gòu)件參數(shù)

圖2 模型示意

3 結(jié)果分析

3.1 成橋狀態(tài)

主纜是懸索橋的主要承重部位，恒載通過(guò)吊桿向主纜傳遞，然后傳遞給錨碇和基礎(chǔ)[8-10]。根據(jù)建立的有限元模型，成橋狀態(tài)下不同體系的主纜內(nèi)力見(jiàn)表2。

表2 不同體系下的主纜內(nèi)力 kN

由表2可知，單纜和雙纜體系下的左邊跨塔頂主纜張力分別為1 151.9 kN和1 245.1 kN。采用雙纜體系對(duì)矢高的要求更高，橋塔高度的增加能加大主纜與水平線的夾角。在成橋階段，雙纜體系下主跨主纜的張力為1 195.8 kN，單纜體系下主纜張力為1 107.3 kN，差距8%，較為接近。

3.2 人群荷載作用分析

本橋人群荷載按3.5 kN/m2計(jì)，利用Midas/Civil將人群荷載均勻加載到橋面板[11-12]，獲得主纜內(nèi)力的分配情況如表3所示。

表3 人群荷載下的主纜內(nèi)力 kN

由表3可知，單纜體系下主跨塔頂主纜張力為1 218.7 kN，雙纜體系下主跨塔頂頂纜最大張力為550.8 kN，底纜最大張力為708.0 kN。單纜體系下主跨跨中主纜張力為1 175.2 kN，雙纜體系下主跨跨中頂纜最大張力為535.1 kN，底纜最大張力為681.6 kN。這表明在人群荷載作用下，底纜分擔(dān)的荷載更多，約為頂纜的1.3倍。

單獨(dú)選出主梁?jiǎn)卧@得人群荷載作用下的主梁彎矩包絡(luò)圖如圖3所示。從圖3可以看出，兩種體系下主梁的彎矩變化趨勢(shì)近似，除橋塔及梁端外，其余截面彎矩變化幅度不大。相對(duì)于單纜體系，雙纜體系下主梁的彎矩變化更趨于穩(wěn)定，且除跨中正彎矩有一定提高外，其余截面彎矩均出現(xiàn)不同程度的下降。

(a)單纜體系

(b)雙纜體系

人群荷載作用下主梁豎向撓度如圖4所示。從圖4中可以得出，兩種體系下主梁的豎向撓度變化情況近似，撓度曲線呈W形，在1/4L和3/4L處取得最值。雙纜體系下最大下?lián)蠟?19.5 mm，單纜體系下最大下?lián)蠟?67.8 mm，減小約15%。

(a)單纜體系

(b)雙纜體系

3.3 風(fēng)荷載作用分析

本橋風(fēng)速根據(jù)規(guī)范P=1/100取值，風(fēng)速為26.0 m/s，風(fēng)壓為0.423 kN/m2，計(jì)算得到橫向風(fēng)荷載值[13-14]，獲得風(fēng)荷載作用下的梁端位移和塔底彎矩見(jiàn)表4。從表4可以得出，單纜體系下梁端位移106.597 mm，雙纜體系下梁端位移75.305 mm，減少了29.4%。單纜體系塔底彎矩為221.1 kN·m，雙纜體系的塔底彎矩為157.2 kN·m，減少了28.9%。

表4 風(fēng)荷載下的梁端位移和塔底彎矩

橫風(fēng)荷載作用下，不同體系的主梁彎矩如圖5所示，撓度見(jiàn)圖6。從圖中可以得出，兩種結(jié)構(gòu)體系下主梁彎矩和撓度的變化趨勢(shì)比較相似。雙纜體系下最大正彎矩為3.28 kN·m,跨中撓度為311.2 mm。單纜體系下最大正彎矩為4.54 kN·m，跨中撓度為357.3 mm。彎矩減小了27.8%，撓度減小了12.9%。

(a)單纜體系

(b)雙纜體系

(a)單纜體系

(b)雙纜體系

3.4 自振特性

對(duì)懸索橋來(lái)說(shuō)，自振特性對(duì)結(jié)構(gòu)體系安全性至關(guān)重要。利用有限元軟件Midas/Civil構(gòu)建兩種不同結(jié)構(gòu)體系下的整體空間模型，提取前十階頻率進(jìn)行對(duì)比分析[15-16]，如表5所示。

表5 前十階自振特性 Hz

由表5可知，單纜體系的1階對(duì)稱側(cè)彎頻率為0.173 5 Hz，雙纜體系的1階對(duì)稱側(cè)彎頻率為0.185 Hz，增加了6.6%。此外，雙纜體系的豎彎頻率、豎振頻率以及側(cè)振頻率均有所提高，安全性能得到加強(qiáng)。

4 結(jié)論

雙纜懸索體系與傳統(tǒng)單纜懸索體系存在較大差異。依托某大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行懸索橋?qū)嶋H工程，利用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行性能分析，主要結(jié)論如下：

(1)人群荷載作用下，雙纜體系中底纜承擔(dān)更多荷載，主梁彎矩變化穩(wěn)定，撓度相比單纜體系減小15%。

(2)橫風(fēng)荷載作用下，兩種結(jié)構(gòu)體系下主梁彎矩和撓度的變化趨勢(shì)比較相似，雙纜體系的彎矩和撓度均小于單纜體系。

(3)雙纜體系的側(cè)彎頻率、豎彎頻率、豎振頻率和側(cè)振頻率相比單纜體系均有所提高。雙纜體系具有更優(yōu)的力學(xué)性能，安全性更高。