斯朗擁宗 扎西羅布

(1.西藏大學(xué)工學(xué)院 拉薩850012; 2.西藏自治區(qū)交通勘察設(shè)計研究院 拉薩850000)

引言

隨著人行懸索橋的跨度不斷增加, 其結(jié)構(gòu)日趨輕柔化[1,2]?？缍却蠓仍鲩L帶來的主要問題是懸索橋結(jié)構(gòu)空間剛度的急劇下降, 豎向平行的纜索體系懸索橋?qū)︼L(fēng)荷載的作用非常敏感, 其抗風(fēng)問題日益突出[3,4], 這使得風(fēng)致振動對大跨徑懸索橋安全性的影響更加重要, 而影響大跨徑懸索橋風(fēng)振性能最為關(guān)鍵的因素就是抗風(fēng)穩(wěn)定性。

現(xiàn)有人行景觀懸索橋設(shè)計仍是依據(jù)傳統(tǒng)的大跨徑公路懸索橋設(shè)計理念, 缺乏創(chuàng)意, 其橋塔仍為傳統(tǒng)的公路懸索橋門式橋塔結(jié)構(gòu), 美學(xué)效果不理想[5,6]; 同時, 隨著跨徑的發(fā)展, 亟需解決超大跨人行懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性問題[7,8]。

本文針對超大跨徑人行景觀懸索橋, 提出一種卵蛋拱形橋塔的雙曲拋物面空間纜索體系大跨徑人行懸索橋, 采用卵蛋拱形橋塔代替門式橋塔結(jié)構(gòu), 在卵蛋拱形橋塔之上懸掛碳纖維雙曲拋物面空間纜索體系, 以便提高超大跨徑人行懸索橋的空間剛度, 鋼絲平行纜索和碳纖維雙曲拋物面空間纜索兩組纜索協(xié)同工作, 優(yōu)勢互補。

結(jié)合某500m 級超大跨徑人行景觀懸索橋,開展超大跨徑雙曲拋物面空間纜索體系人行懸索橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)形研究, 進行工程參數(shù)設(shè)計, 建立Midas 有限元分析模型, 開展懸索橋的顫振穩(wěn)定性分析研究, 從根本上解決特大跨人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性問題。

1 構(gòu)形研究

改革傳統(tǒng)人行懸索橋結(jié)構(gòu), 采用卵蛋拱形橋塔代替門式橋塔結(jié)構(gòu), 卵蛋拱形橋塔由上部拋物線和左右橢圓弧線組成, 造型美麗, 可提升人行懸索橋的景觀品位。改革傳統(tǒng)人行懸索橋纜索,增加碳纖維雙曲拋物面空間纜索, 形成平行鋼絲纜索和碳纖維雙曲拋物面空間纜索混合纜索, 碳纖維雙曲拋物面空間纜索懸掛于卵蛋拱形橋塔的拋物線段拱圈上, 二組纜索混合使用, 優(yōu)勢互補, 協(xié)同工作, 可提高人行懸索橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性。在碳纖維雙曲拋物面空間纜索上鋪設(shè)不銹鋼鐵絲網(wǎng), 種植藤蔓植物, 可遮蔽陽光, 同時增加景觀效果。

雙曲拋物面是一種高斯負曲面, 其曲面可由一條凸形拋物線在另一條凹形拋物線上移動而形成。同時雙曲拋物面也是典型的二次直紋曲面,其曲面可以由兩族直線構(gòu)成, 應(yīng)用直紋曲面建造的空間交叉桿系建筑物, 可形成空間扭殼結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的力學(xué)性能。雙曲拋物面方程為:

式中:fx、fy為雙曲拋物面空間索網(wǎng)縱向和橫向矢高;a、b為半長和半寬。

分析可得直紋線水平投影的斜率為:

雙曲拋物面空間纜索按照拋物線線形下垂一定垂度, 平行主纜和碳纖維雙曲拋物面空間纜索形成混合纜索結(jié)構(gòu)體系, 平行纜索用以承擔(dān)豎向荷載, 雙曲拋物面空間纜索用以提高懸索橋的抗側(cè)剛度和抗扭剛度, 兩組纜索協(xié)同工作, 優(yōu)勢互補。雙曲拋物面空間纜索分布形式如圖1 所示。

圖1 雙曲拋物面空間纜索分布形式Fig.Spatial cable distribution of hyperbolic paraboloid

如圖2 所示, 設(shè)置多道鋼結(jié)構(gòu)曲梁放置在雙曲拋物面索網(wǎng)之上, 采用夾具將平行鋼絲纜索和雙曲拋物面索網(wǎng)與鋼結(jié)構(gòu)曲梁牢固連接, 加強空間纜索體系的空間剛度和整體性, 也可方便斜向吊桿的安裝, 可確保加勁梁橋面系與空間纜索體系共同受力工作。

圖2 雙曲拋物面混合空間纜索人行景觀橋構(gòu)形Fig.2 Configuration of hyperbolic paraboloid hybrid spatial cable pedestrian landscape bridge

新型空間混合纜索和傳統(tǒng)的抗風(fēng)纜索的上下二套柔性纜索協(xié)同工作, 雙曲拋物面空間纜索在上面吊住懸索橋橋面系, 傳統(tǒng)的抗風(fēng)纜索在下面拽住懸索橋橋面系, 可以牢牢固定懸索橋橋面系, 從而可以大幅度提高人行懸索橋的抗扭頻率。本工程的超大跨徑人行懸索橋效果如圖3 所示。

圖3 雙曲拋物面混合空間纜索人行景觀橋效果Fig.3 Effect of hyperbolic paraboloid mixed space cable pedestrian landscape bridge

2 有限元建模

某峽谷景區(qū)人行大跨徑懸索橋, 主跨徑為480m, 橋面全寬8m, 采用卵蛋拱形橋塔的空間纜索人行懸索橋方案。

卵蛋拱形橋塔由拋物線段塔頂和左右兩個橢圓弧線段塔柱組成, 橋塔最高處為68m, 橋塔最寬處為50m, 其中拋物線段塔頂?shù)膶挾葹?0m,矢高為8m, 橢圓弧線段塔柱高度為60m, 卵蛋拱形橋塔采用直徑為5m 的圓形鋼管, 鋼管壁厚為20mm, 內(nèi)灌注C60 混凝土, 卵蛋拱形橋塔采用樁基礎(chǔ), 傾斜角度為15°。

空間纜索體系由平行鋼絲纜索和雙曲拋物面碳纖維索網(wǎng)組成, 平行鋼絲纜索采用1670MPa 的高強鋼絲纜索, 左右兩股平行鋼絲纜索間距為8m, 每股直徑均為0.4m, 豎向鋼絲吊桿間距為8m, 共計2 ×59 根吊桿。

為了平衡懸索橋拉力, 每側(cè)設(shè)置四根斜拉背索, 一端錨固在卵蛋拱橋塔中, 另一端錨固在隧道式錨碇中, 四根斜拉背索分為左右兩組, 斜拉背索采用1670MPa 高強鋼絲, 每根高強鋼絲直徑為0.6m。

雙曲拋物面索網(wǎng)采用3500MPa 的高強碳纖維纜索, 全橋共10 根, 每根主纜直徑為0.05m。帶有下拉桿的鋼結(jié)構(gòu)曲梁設(shè)置在雙曲拋物面索網(wǎng)和兩股平行鋼絲纜索之上, 鋼結(jié)構(gòu)曲梁間距24m, 共計19 根, 曲梁兩端設(shè)置斜向碳纖維吊桿與加勁梁相連, 斜向碳纖維吊桿間距24m, 共計2 ×19 根斜向吊桿?？癸L(fēng)主纜索為左右兩股直徑為0.2m 的高強鋼絲纜索, 連接拉桿間距為8m,共計2 ×59 根連接拉桿。

橋面加勁梁采用鋼梁格結(jié)構(gòu), 高度為600mm, 鋼梁寬度為300mm, 150mm 透明鋼化玻璃內(nèi)嵌于鋼梁格結(jié)構(gòu)之中, 橋面加勁梁在跨中處設(shè)置一個觀光圓環(huán), 圓環(huán)內(nèi)直徑14m, 圓環(huán)外直徑20m。

本工程采用Midas 軟件建模并計算。采用索單元模擬纜索部分, 卵蛋拱橋塔、橋面系加勁梁及鋼結(jié)構(gòu)曲梁等構(gòu)件采用三維空間梁單元建模。

按照零位移原則, 按拋物線形建模并施加相應(yīng)的自重荷載, 給索單元設(shè)置初始應(yīng)變, 計算出懸索的位移, 然后不斷更新節(jié)點坐標(biāo)和索單元初拉力來求平衡狀態(tài), 得到主纜的初始應(yīng)力狀態(tài)后, 通過反復(fù)修正來使成橋狀態(tài)的有關(guān)控制參數(shù)滿足要求, 從而得到主纜的成橋線形。MIDAS 模型如圖4 所示。

圖4 Midas 有限元模型Fig.4 Midas finite element model

3 豎向荷載作用下的計算結(jié)果

對主跨橋面做滿荷加載, 橋面附加恒荷載采用均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值10kN/m2, 橋面活荷載采用均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值5kN/m2。對直接受荷載的加勁梁作內(nèi)力分析, 計算結(jié)果見圖5 ～圖7。

圖5 豎向荷載作用下位移計算結(jié)果(恒+活)(單位: m)Fig.5 Displacement calculation results under vertical load(Dead load +live load)(unit: m)

圖6 內(nèi)力計算結(jié)果(恒+活)(單位: kN)Fig.6 Internal force calculation results(Dead load +live load)(unit: kN)

圖7 應(yīng)力計算結(jié)果(恒+活)(單位: kN/m2)Fig.7 Stress calculation results(Dead load +live load)(unit: kN/m2)

由以上計算結(jié)果可知, 在豎向恒活荷載作用下, 最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置, 最大位移為0.373m, 滿足規(guī)范規(guī)定1/800 限值要求。

碳纖維主纜最大內(nèi)力為62637.0kN, 碳纖維主纜最大應(yīng)力為1276.0MPa, 滿足強度要求。鋼主纜最大內(nèi)力為155567.7kN, 鋼主纜最大應(yīng)力為792.3MPa, 滿足強度要求。橋塔最大內(nèi)力為334467kN, 橋塔最大應(yīng)力為89.3MPa, 橋塔材料采用鋼管混凝土, 混凝土采用C60 混凝土, 鋼材選用Q355 鋼材, 可以滿足強度要求。

圖8 典型振型Fig.8 Typical vibration mode

4 動力模態(tài)分析

主纜是懸索橋的主要承力結(jié)構(gòu), 動力特性分析必須考慮重力剛度的影響, 建模時以初拉力的形式計入主纜、吊索的成橋內(nèi)力?；贛idas 的非線性靜力分析、應(yīng)力剛化效應(yīng)和模態(tài)分析功能, 進行自振特性分析。為了不遺漏任何振型,分析過程中采用子分塊法求解特征方程、自振頻率以及振型特點, 雙曲拋物面混合纜索空間懸索橋比較有代表性的振型見圖8。

由圖8 中的計算結(jié)果可知,第1 階振型為正對稱側(cè)彎, 頻率為0.6143Hz; 第2 階振型為反 對 稱 豎 彎, 頻 率 為0.8687Hz; 第11 階振型為正對稱扭轉(zhuǎn), 頻率為3.0491Hz; 第13 階振型為反對稱扭轉(zhuǎn), 頻率為3.3687Hz。整體來看, 振型密集, 出現(xiàn)明顯的振型分組現(xiàn)象, 前10 階振型主要以側(cè)彎、豎彎振動為主, 直到第11 階才出現(xiàn)正對稱扭轉(zhuǎn)振型。先發(fā)生正對稱扭轉(zhuǎn)振動, 后發(fā)生反對稱扭轉(zhuǎn)振動, 扭彎頻率比值為3.51 較高, 表明本工程懸索橋結(jié)構(gòu)具有良好的空間剛度。

5 抗風(fēng)穩(wěn)定性研究

在實際工程中, 懸索橋的橫斷面大都是非流線型的, 故對分離流扭轉(zhuǎn)的顫振臨界風(fēng)速應(yīng)用較為廣泛。本章采用分離流扭轉(zhuǎn)的顫振臨界風(fēng)速計算中的Selberg 公式來分析懸索橋的顫振穩(wěn)定性:

式中:ηs是主梁截面形狀影響系數(shù),ηα是攻角效應(yīng)系數(shù), 對于0 度風(fēng)攻角下的平板斷面,ηs、ηα均取1.0;r是橋梁斷面(包括加勁梁和主纜)慣性半徑;b1為加勁梁截面的半橋?qū)?μ為橋梁與空氣的密度比;m為加勁梁及主纜的質(zhì)量密度;ρ為空氣密度;ωt、ωv分別為最低階扭轉(zhuǎn)圓頻率和豎向圓頻率。本設(shè)計中,ηs、ηα均取1.0。經(jīng)過計算,r=9.15m,μ=2.12,ωt、ωv分別為13.94rad/s、3.97rad/s。因此, 本設(shè)計懸索橋的顫振臨界風(fēng)速為:

由此, 該橋的顫振臨界風(fēng)速較高, 滿足本工程72m/s 的設(shè)計風(fēng)速要求, 具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

6 對比分析

為了驗證雙曲拋物面混合空間懸索橋的優(yōu)勢, 建立平行懸索橋的有限元模型, 開展對比分析, 平行懸索橋的Midas 模型如圖9 所示。

圖9 平行懸索橋Midas 有限元模型Fig.9 Midas finite element model of parallel suspension bridge

平行懸索橋的典型振型及振型頻率計算結(jié)果如圖10 所示。由圖10 中的計算結(jié)果可知, 平行纜索懸索橋第1 階振型為正對稱側(cè)彎, 頻率為0.4721Hz; 第4階振型為正對稱豎彎, 頻率為0.6408Hz; 第6 階振型為正對稱扭轉(zhuǎn), 頻率為0.7703Hz; 第8階振型為反對稱扭轉(zhuǎn), 頻率為0.9052Hz。扭 彎 頻 率 比 值 為1.20, 抗風(fēng)穩(wěn)定性較差。

圖10 平行懸索橋典型振型Fig.10 Typical vibration mode diagram of parallel suspension bridge

由公式(3)可以計算得到平行懸索橋的顫振臨界風(fēng)速。平行纜索懸索橋的相關(guān)參數(shù)取值如下:r= 4.95m,μ= 2.12,ωt、ωv分 別 為4.840rad/s、2.966rad/s。因此, 平行纜索懸索橋的顫振臨界風(fēng)速為:

表1 平行懸索橋與雙曲拋物面懸索橋?qū)Ρ萒ab.1 Comparison between parallel suspension bridge and hyperbolic paraboloid suspension bridge

如表1 所示, 相對于平行纜索懸索橋, 雙曲拋物面混合纜索空間懸索橋扭轉(zhuǎn)頻率提高295.8%, 扭彎比提高192.5%, 表明空間纜索體系大大提高了懸索橋的空間剛度; 顫振臨界風(fēng)速較平行纜索懸索橋提高374.4%, 表明雙曲拋物面混合纜索空間懸索橋具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

為滿足行人的舒適性要求, 我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定, 人行橋的豎彎基頻應(yīng)不小于3Hz。然而, 對于旅游景區(qū)大跨徑懸索橋這種柔性結(jié)構(gòu), 很難滿足這一要求, 本工程通過設(shè)置質(zhì)量調(diào)節(jié)阻尼器,可改善大跨徑懸索橋的行人舒適度。

為了證實雙曲拋物面形空間纜索懸索橋的合理性, 選取兩座傳統(tǒng)的人行懸索橋進行對比分析, 將本設(shè)計的雙曲拋物面人行懸索橋的模態(tài)振型主要指標(biāo)與所選取兩個人行懸索橋進行對比,對比結(jié)果見表2。

表2 雙曲拋物面懸索橋與其他人行懸索橋?qū)Ρ萒ab.2 Comparison between hyperbolic paraboloid suspension bridge and other pedestrian suspension bridges

通過對比可見, 相比于兩座對照的人行懸索橋, 本設(shè)計的雙曲拋物面懸索橋人行懸索橋的一階側(cè)彎、一階豎彎、一階扭轉(zhuǎn)基頻和扭彎比明顯更高, 其顫振臨界風(fēng)速遠遠大于對比橋梁, 證實雙曲拋物面形空間纜索懸索橋具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

7 結(jié)論

本文以某峽谷景區(qū)的500m 級雙曲拋物面空間混合纜索體系懸索橋為背景, 建立Midas 有限元模型, 進行靜力分析、模態(tài)分析和抗風(fēng)穩(wěn)定性分析, 得出以下結(jié)論:

1.雙曲拋物面空間混合纜索體系懸索橋, 平行纜索承擔(dān)豎向荷載, 碳纖維雙曲拋物面空間纜索和抗風(fēng)纜索兩套纜索可大幅度提高抗扭剛度。

2.碳纖維雙曲拋物面空間纜索和抗風(fēng)纜索兩套纜索協(xié)同工作, 優(yōu)勢互補, 上下左右四組抗風(fēng)拉索緊緊拽住橋面系, 可大幅度提高抗風(fēng)穩(wěn)定性。

3.前10 階振型主要以側(cè)彎、豎彎振動為主,直到第11 階才出現(xiàn)正對稱扭轉(zhuǎn)振型(3.0491Hz)。先發(fā)生正對稱扭轉(zhuǎn)振動, 后發(fā)生第13 階反對稱扭轉(zhuǎn)振動(3.3687Hz), 扭轉(zhuǎn)頻率較高, 雙曲拋物面空間交叉纜索、拋物線剛性曲梁和抗風(fēng)纜索形成了強大的空間纜索體系, 具有良好的空間剛度。

4.雙曲拋物面形空間纜索體系抗扭剛度較大, 能顯著提升懸索橋的顫振穩(wěn)定性, 本設(shè)計的500m 級人行景觀窄幅懸索橋一階正對稱扭轉(zhuǎn)基頻高達3.0491, 扭彎頻率比值為3.51, 顫振臨界風(fēng)速為117.71m/s 較高, 滿足本工程72m/s 的設(shè)計風(fēng)速要求。