超大跨徑斜拉橋受力特性分析

蔣維剛 徐利平

超大跨徑斜拉橋受力特性分析

蔣維剛 徐利平

就 1 600m斜拉橋在方案試設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行了一些探討,對斜拉橋跨徑增大后在動(dòng)力特性方面表現(xiàn)出與常規(guī)斜拉橋的不同進(jìn)行了概念分析;此外,從靜力和動(dòng)力的角度分析了 1 600m斜拉橋在施工長懸臂階段的受力情況,驗(yàn)證了最大單懸臂狀態(tài)的施工安全性。

斜拉橋,動(dòng)力特性,單懸臂階段

0 引言

斜拉橋是一種橋面體系受壓,支承體系受拉的橋梁。其橋面體系用加勁梁構(gòu)成,其支承體系由鋼索組成。該種橋型不僅具有受力明確、跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn),而且也具有很強(qiáng)的景觀效果,能夠很好的與不同的建橋環(huán)境相融合,常常能在方案設(shè)計(jì)階段脫穎而出。

1956年,瑞典的 Str?msund橋拉開了現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)的序幕,至今全世界已建成 300余座,跨徑已經(jīng)達(dá)到了超千米級水平,以目前我國的蘇通長江公路大橋?yàn)榇?主跨 1 088m),蘇通大橋的建成更是增強(qiáng)了一大批橋梁設(shè)計(jì)、科研人員對建造更大跨徑斜拉橋的信心;在 2006年的中國香港“國際橋梁工程會議”中,丹麥的 Gimsing教授指出“由于主梁軸力、架設(shè)穩(wěn)定性等方面的原因,在接下來的半個(gè)世紀(jì)里,傳統(tǒng)的自錨式斜拉橋?qū)ふ业耐黄瓶缍仍? 200m～2 000m之間”。

本文對 1 600 m的傳統(tǒng)自錨斜拉橋進(jìn)行了試設(shè)計(jì),參考了蘇通大橋相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),分析了其動(dòng)力特性和施工階段的靜力行為。

1 成橋動(dòng)力特性分析

大跨度斜拉橋是柔性結(jié)構(gòu),且大多為跨海大橋,橋址處自然環(huán)境特別惡劣(如風(fēng)、雨),關(guān)注其自身的振動(dòng)特性就顯得尤為重要,本文對已建空間模型進(jìn)行特征值分析,比較了在不同梁高的情況下,主跨 1 600m斜拉橋方案在成橋狀態(tài)典型動(dòng)力特性,見表 1。計(jì)算模型如圖 1所示。為了減小風(fēng)阻系數(shù),盡量減小索塔所受的風(fēng)荷載,本次索塔的截面采用多邊形的形式,橋塔采用“A”形塔,主梁采用的是流線型封閉鋼箱梁,采用鋼材為 Q345qD,屬于薄壁結(jié)構(gòu),梁高 4.5m。

表1 主跨 1 600 m斜拉橋動(dòng)力特性表

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(下面簡稱抗風(fēng)規(guī)范)中的簡化公式為：按照抗風(fēng)規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn),顫振穩(wěn)定性系數(shù)If為：

其中,[Vcr]為結(jié)構(gòu)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速;ft為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)基頻;B為橋面全寬。

由此可計(jì)算得 If=19.8＞7.5,根據(jù)抗風(fēng)規(guī)范第 6.3.3可知,應(yīng)對主梁進(jìn)行氣動(dòng)選型,通過節(jié)段模型試驗(yàn)、全橋模型試驗(yàn)和詳細(xì)的顫振穩(wěn)定性分析進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn),必要時(shí)應(yīng)采取振動(dòng)控制技術(shù)。

從表 1中可以看出：主跨 1 600m的斜拉橋的一階振動(dòng)形式表現(xiàn)為側(cè)彎,這樣的振動(dòng)形式不同于現(xiàn)已建的千米級以下的斜拉橋,這主要是由于主跨跨徑增加后,隨著橋跨不斷增大,橋梁的寬跨比越來越小,其側(cè)向剛度降低的緣故。

無論是一階振動(dòng)還是二階振動(dòng),其振動(dòng)周期都是隨著梁高的增加而減小,但減小的幅度不大,對應(yīng)的周期都比較接近。由此可知從動(dòng)力特性的角度出發(fā),主梁的高度在滿足方便施工的情況下是可以自由選擇的。

2 施工階段分析

在斜拉橋的設(shè)計(jì)過程中除了對其進(jìn)行成橋狀態(tài)的受力分析外,還須對其進(jìn)行施工的各階段進(jìn)行分析,以保證施工的可行性,這一點(diǎn)在國內(nèi)外規(guī)范中都有體現(xiàn);對于超千米級跨徑的斜拉橋來說,其施工階段的可行性分析更為重要,本次概念設(shè)計(jì)中主要對其施工最大單懸臂階段進(jìn)行了模擬分析,通過分析探索在極限風(fēng)荷載作用下,主跨 1 600m這樣的超千米級斜拉橋的最大單懸臂施工能否按照常規(guī)的斜拉橋施工來進(jìn)行。

對于主跨 1 600m的斜拉橋,其最大單懸臂施工階段的懸臂長度達(dá)到 792m(蘇通大橋施工階段最大單懸臂長度為 536m),控制最大單懸臂階段的荷載主要是極限風(fēng)荷載,索塔、主梁尺寸同前。

為了研究最大單懸臂階段在風(fēng)荷載下的動(dòng)力振動(dòng)特性,首先就得掌握該階段結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)特性,單懸臂階段的振動(dòng)特性如表 2所示。

由此可知施工階段首先出現(xiàn)的為側(cè)彎振動(dòng),應(yīng)采取相對應(yīng)正確的抗風(fēng)措施。

表2 最大單懸臂下的動(dòng)力特性

3 結(jié)語

本文對主梁采用封閉鋼箱梁主跨為 1 600m的斜拉橋進(jìn)行了成橋和最大單懸臂階段的結(jié)構(gòu)分析,得到了一些有益的成果：

對于主梁采用封閉鋼箱梁的超千米級斜拉橋,通過計(jì)算分析可知：控制主梁截面設(shè)計(jì)的荷載工況為極限橫向風(fēng),在此工況下主梁的角點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到 329MPa,按照設(shè)計(jì)要求采用Q420的鋼板是可以滿足設(shè)計(jì)要求的,索塔的最大拉、壓應(yīng)力分別為 1.3 MPa,27MPa,按照規(guī)范要求混凝土標(biāo)號需用到 C70。

從結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析結(jié)果可知,采用漂浮體系后結(jié)構(gòu)屬于長周期結(jié)構(gòu),對抗震是比較有利的,但和一般的斜拉橋是有區(qū)別的,結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)的振動(dòng)形式為側(cè)彎的形式,這表明隨著橋梁主跨跨度的增加,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度逐漸降低,成為設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié);另外參考相關(guān)文獻(xiàn)可以知道對主跨 1 200m的斜拉橋結(jié)構(gòu),其第一階振動(dòng)形式也表現(xiàn)為側(cè)向彎曲,而我國建設(shè)的蘇通長江公路大橋(1 088m)其一階振動(dòng)形式表現(xiàn)為縱漂,由此我們可以找到一個(gè)規(guī)律：在今后建造更大跨徑斜拉橋時(shí)要特別注意其側(cè)向剛度的設(shè)計(jì),側(cè)向的振動(dòng)會對結(jié)構(gòu)帶來一系列的問題,如鋼箱梁的疲勞問題等。

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Analysis on mechanical characteristics of long-span cable-stayed bridge

JIANG W ei-gang XU Li-ping

This paper discusses p roblems encountering in scheme design process of 1 600m cab le-stayed bridge,analyzes dynamic features difference between common cable-stayed and cab le-stayed bridge after increasing span.Moreover,it analyzesmechanical condition of 1 600m cable-stayed bridge at long cantilever construction phase from static and dynam ic aspects,and proves the construction security under the largest single cantilever state.

cable-stayed bridge,dynamic characteristics,single cantilever phase

U 448.27

A

1009-6825(2011)03-0161-02

2010-09-26

蔣維剛(1985-),男,助理工程師,同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200000

徐利平(1964-),男,教授級高級工程師,同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200000