限位吊索對雙塔雙跨懸索橋的受力影響

吳 晶

(廣東省交通運(yùn)輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，廣州 510420)

0 引言

限位吊索為雙塔雙跨懸索橋的特有吊索，位于邊跨靠近錨碇處的吊索，其下端錨固于過渡墩上，上端與索夾相連。因其直接錨固于過渡墩上，在恒載作用下，限位吊索的吊索力較其他索力大，甚至超過塔旁兩側(cè)最長的吊索。因此，限位吊索對雙塔雙跨懸索橋的作用不可忽視。本文以西江特大橋?yàn)楸尘?，分析限位吊索對雙塔雙跨懸索橋的靜力及動力特性的影響。

1 工程概況

西江特大橋位于廣東省汕(頭)湛(江)高速公路清遠(yuǎn)清新至云浮新興段，項(xiàng)目于2020年1月建成通車。

西江特大橋是主跨為738m的雙塔雙跨懸索橋，跨徑布置為(300m+738m+204m)，其中鋼箱梁長度為202m+738m。矢跨比為1:9，主纜橫橋向中心間距為31.2m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為15m。主纜采用公稱直徑為φ5.2mm、抗拉強(qiáng)度為1 770MPa的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)度鋼絲。吊索采用公稱直徑為φ5.0mm、抗拉強(qiáng)度為1 770MPa的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)度鋼絲，設(shè)置于北邊跨和中跨，橋塔側(cè)吊索距橋塔中心線水平距離為16.5m，其余吊索水平間距為15m，限位裝置處吊索與相鄰吊索間距為20.5m。鋼箱梁構(gòu)件均采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345D，鋼箱梁全寬34m，梁高3m，頂板寬30m，風(fēng)嘴寬2.2m，平底板寬24.3m，斜底板寬4.85m，風(fēng)嘴外側(cè)設(shè)置寬1.5m的檢修道(供后期檢修使用)。

主塔采用C50混凝土。主塔分北、南兩個橋塔，橋塔是由塔柱、橫梁組成的門式剛架結(jié)構(gòu)，塔柱為普通鋼筋砼結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。橋塔共有兩個塔柱，兩道橫梁。橋型布置、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 西江特大橋橋型布置(單位：m)

圖2 西江特大橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

2 有限元分析

為分析限位吊索對雙塔雙跨懸索橋受力特性的影響，采用有限元軟件MIDAS /CIVIL2015分別建立該橋設(shè)置與不設(shè)置限位吊索的兩種模型，模型中主纜采用只受拉的桁架單元(輔助單元為索單元)、吊索采用桁架單元，主塔和主梁采用梁單元。模型的邊界條件為：主纜與主塔兩端位置采用一般支撐中的固定支座(固結(jié))，主纜與主塔的連接采用剛性連接中的主從節(jié)點(diǎn)連接(剛體)，主梁在北過渡墩設(shè)置一般支撐中的約束豎向位移(DZ)，主梁與主塔的連接采用彈性連接中的一般連接，其中主梁與北塔的連接只約束橫向位移(SDY)，主梁與南塔塔的連接則約束豎向位移(SDX)。有限元分析模型如圖3所示。

圖3 西江特大橋計算模型

2.1 靜力計算結(jié)果

西江特大橋靜力分析主要參數(shù)取值見表1。

表1 西江特大橋計算參數(shù)取值

橋梁在設(shè)計荷載作用下設(shè)置限位吊索與不設(shè)置限位吊索的主要計算結(jié)果見表2(其中模型1為設(shè)置限位吊索的模型，模型2為不設(shè)置限位吊索的模型)。對比表2數(shù)據(jù)可知：

表2 設(shè)計荷載作用下主要靜力計算結(jié)果

(1)不設(shè)置限位吊索的邊跨主梁內(nèi)力及變形均比設(shè)置限位吊索的要大，內(nèi)力的差值為17%，撓度的差值為12.6%，撓度最大位置均在跨中。彎矩最大位置則發(fā)生變化，模型1邊跨跨中彎矩在跨中，而模型2邊跨跨中彎矩則在距離邊墩58m的位置。

(2)不設(shè)置限位吊索的塔梁結(jié)合處主梁負(fù)彎矩比設(shè)置限位吊索的要大，內(nèi)力的差值為7.5%。

(3)設(shè)置限位吊索與不設(shè)置限位吊索對主塔偏位、主塔內(nèi)力、主梁梁端位移及中跨主梁的內(nèi)力和撓度則無較大影響。

2.2 動力計算結(jié)果

Midas程序提供的結(jié)構(gòu)動力特性的計算方法有子空間迭代法、多重Ritz向量法和Lanczos算法。因Lanczos算法在運(yùn)算量和存儲量上有所優(yōu)化，計算速度更快，因此本次計算選擇Lanczos算法。兩種不同計算模型計算得到的橋梁前9階自振頻率見表3。

表3 動力計算結(jié)果

由表3可知，設(shè)置限位吊索主要影響主梁的前三階對稱豎彎頻率，而對主梁的反對稱豎彎、主梁橫向彎曲、主纜的橫向彎曲頻率及主梁第四階之后的對稱豎彎則無影響。動力計算結(jié)果表明，設(shè)置了限位吊索的對稱豎彎頻率均比不設(shè)置限位吊索的頻率要略大，可見與不設(shè)置限位吊索相比，設(shè)置限位吊索對主梁的豎向抗彎剛度提高有限。

3 成橋荷載試驗(yàn)

3.1 靜力試驗(yàn)

該橋成橋靜載試驗(yàn)于2019年11月18日至2019年11月29日之間進(jìn)行，主要依據(jù)的規(guī)范為《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)，測試結(jié)果見表4。由表4可知，橋梁結(jié)構(gòu)各主要控制指標(biāo)實(shí)測值均與設(shè)置限位吊索模型理論計算值吻合較好。

表4 實(shí)測值與理論值對比

3.2 動力試驗(yàn)

為獲得該橋梁的動力特性(如固有頻率、振型、阻尼比等)，需對其進(jìn)行脈動試驗(yàn)。脈動試驗(yàn)是指在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振動的情況下，通過布置在橋梁上的振動傳感器拾取橋梁由風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)激勵引起的微幅振動，經(jīng)低頻放大器將信號放大后，用動態(tài)信號采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣、分析，以測定結(jié)構(gòu)的相關(guān)動力特性。

根據(jù)該橋梁結(jié)構(gòu)理論振型的特點(diǎn)，在鋼箱梁主跨16分點(diǎn)、邊跨6分點(diǎn)上下游布置豎向測點(diǎn)，在相同斷面的下游側(cè)布置水平測點(diǎn)，在兩個主塔上各布置了順橋向和橫橋向的水平測點(diǎn)，在中跨主纜四分點(diǎn)上下游布置橫向測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖4所示。實(shí)測橋梁自振頻率及振型見表5。

圖4 西江特大橋脈動測點(diǎn)布置

表5 結(jié)構(gòu)部分實(shí)測模態(tài)與理論模態(tài)對比

由表5可知，結(jié)構(gòu)前九階實(shí)測模態(tài)頻率與理論模態(tài)頻率較吻合，說明理論模型與橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。

由本次成橋荷載試驗(yàn)靜力及動力結(jié)果分析可知，建立限位吊索的理論模型與橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)較吻合。雙塔雙跨懸索橋因其限位吊索的存在，荷載試驗(yàn)本應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注限位吊索的索力增量，但因限位吊索較短，就目前的測試技術(shù)難以準(zhǔn)確地檢測吊索的索力，因此本次荷載試驗(yàn)未能對限位吊索索力增量予以關(guān)注。建議建設(shè)單位在橋梁建設(shè)期間，對限位吊索安裝一些性能較好的傳感器(如光纖光柵應(yīng)變傳感器等)，加強(qiáng)監(jiān)測限位吊索的受力情況，從而進(jìn)一步判斷限位吊索的工作狀況。

4 結(jié)論

本文以西江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，對限位吊索對雙塔雙跨懸索橋受力的影響進(jìn)行了分析，并通過荷載試驗(yàn)對理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)置與不設(shè)置限位吊索對雙塔雙跨懸索橋靜力分析的主要影響為邊跨彎矩及撓度，對主塔偏位、主塔內(nèi)力、梁端位移及中跨的內(nèi)力和撓度影響較小。限位吊索的設(shè)置使雙塔雙跨懸索橋的主梁內(nèi)力較平緩，利于結(jié)構(gòu)材料的利用，若不設(shè)置限位吊索，邊跨的內(nèi)力則會較中跨大。

(2)限位吊索的設(shè)置對結(jié)構(gòu)動力的主要影響為主梁的前三階對稱豎彎頻率，不影響主梁第四階之后的對稱豎彎、主梁的反對稱豎彎、主梁橫向彎曲及主纜的橫向彎曲頻率。設(shè)置限位吊索對提高主梁的豎向抗彎剛度作用有限。

(3)雙塔雙跨懸索橋成橋荷載試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注限位吊索的索力增量，因現(xiàn)有測試技術(shù)難以對短吊桿索力進(jìn)行準(zhǔn)確測試，本次靜載試驗(yàn)未對限位吊索的索力進(jìn)行測試。建議建設(shè)單位在橋梁建設(shè)過程中，對限位吊索安裝一些性能較好的傳感器，做好橋梁運(yùn)營期間限位吊索索力的監(jiān)測。