鋼索塔縱向加勁肋參數(shù)研究

黃本才，欒好發(fā)，高 峰

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130021）

0 引言

在20世紀(jì)60年代以前，較大跨度的懸索橋和斜拉橋索塔幾乎全是用鋼材來制造，后來由于高塔模板技術(shù)和混凝土澆注技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國大部分的懸索橋和斜拉橋多采用混凝土索塔。但日本是一個(gè)例外，修建的懸索橋和斜拉橋，多采用鋼索塔。因?yàn)槿毡臼堑卣痤l繁出現(xiàn)的國家，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗地震比較好。我國修建的斜拉橋除香港汀九橋和南京長江三橋外也幾乎都采用混凝土索塔。鋼索塔在我國處于剛剛應(yīng)用時(shí)期，我國現(xiàn)行鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)不能滿足鋼索塔的有關(guān)規(guī)定，因此有必要展開對(duì)鋼索塔的詳細(xì)研究，為鋼索塔的應(yīng)用提供一些有意義的參考。

本文結(jié)合具體的工程，對(duì)鋼索塔豎向肋板的厚度、間距和寬度進(jìn)行研究，計(jì)算不同厚度、不同間距和不同寬度豎肋板對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，在決定承載力方面，穩(wěn)定性比強(qiáng)度更具有決定性，對(duì)以受壓為主的高聳鋼索塔來說更是如此，鋼索塔構(gòu)造優(yōu)化實(shí)質(zhì)就是分析構(gòu)造對(duì)鋼索塔穩(wěn)定的影響[1-7]。

1 模型建立

1.1 整體模型的建立

以國外一座鋼索塔斜拉橋?yàn)楸尘埃M(jìn)行鋼索塔的受力分析計(jì)算。該橋的索塔構(gòu)造和整體布置見圖1、圖2。

圖1 橋塔布置圖

圖2 雙塔三跨斜拉橋

本文對(duì)主塔施工完成（裸塔狀態(tài)）和主梁為最大懸臂狀態(tài)時(shí)這兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)的自重、施工荷載。

1.2 索塔模型的建立

圖3 索塔有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中規(guī)定工字型和箱形截面受壓構(gòu)件的腹板，高厚比不滿足要求時(shí)，可用縱向加勁肋加強(qiáng)，并規(guī)定縱向加勁肋在腹板兩側(cè)成對(duì)布置，肋板寬度不應(yīng)小于10倍腹板厚度，肋板厚度不應(yīng)小于0.75倍腹板厚度。

索塔塔壁上布置的豎向加勁肋很難滿足上述要求，索塔塔壁上布置的豎向加勁肋只能在內(nèi)部布置，而且一般要布置多道縱向加勁肋。布置了多道縱向加勁肋，縱向加勁肋的間距、厚度、寬度對(duì)索塔第一類穩(wěn)定的影響都需要進(jìn)行相關(guān)的研究。

2.1 肋板間距對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

本橋鋼索塔截面的尺寸，很難把肋板的間距在索塔橫截面的長度方向和寬度方向調(diào)整為一致，以間距的代表值作為參考，間距的代表值分別取0.4m、0.6m、0.8m、1m、2m。0.4m代表橫截面長度方向有4道縱向肋板，寬度方向有3道縱向肋板；0.6m代表橫截面長度方向有3道縱向肋板，寬度方向有2道縱向肋板；0.8m代表橫截面長度方向有2道縱向肋板；寬度方向有1道縱向肋板，1m代表橫截面長度方向和寬度方向各有1道縱向肋板；2m代表橫截面長度方向和寬度方向都沒有縱向肋板。對(duì)兩種工況分析獲得一階失穩(wěn)模態(tài)和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。發(fā)生一階失穩(wěn)的部位集中在塔底處的肋板或者塔底附近的壁板。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板間距對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖4。

圖4 穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板間距變化趨勢(shì)圖

從圖4看出，工況1的穩(wěn)定安全系數(shù)變化劇烈，工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)隨肋板間距的增加而減小。綜合工況1和工況2，肋板間距取0.6m比較恰當(dāng)。即沿鋼索塔橫截面長度方向和寬度方向分別布置三道、兩道肋板比較恰當(dāng)。

2.2 肋板厚度對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

肋板的厚度依次取15mm、18mm、19mm、20mm、22mm、24mm和30mm，按兩種工況進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)的一階失穩(wěn)模態(tài)和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。工況1發(fā)生一階失穩(wěn)的部位集中在塔底處的肋板和塔頂附近的橫隔板。工況2發(fā)生一階失穩(wěn)的部位集中在塔底處的肋板和塔底處附近的橫隔板。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板厚度對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖5。

從圖5看出，當(dāng)肋板厚度從20mm降低為15mm時(shí)，即肋板厚度與壁板的厚度的比值從0.91降低為0.682，索塔的穩(wěn)定安全系數(shù)急劇降低，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中規(guī)定箱形截面受壓構(gòu)件的縱向加勁肋厚度不應(yīng)小于0.75倍腹板厚度保持一致。綜合工況1和工況2，肋板厚度取20mm。

圖5 穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板厚度變化趨勢(shì)圖

2.3 肋板寬度對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

肋板寬度依次取0、0.1m、0.2mm、0.25m、0.3m、0.35m和0.4m，按兩種工況進(jìn)行分析。當(dāng)肋板寬度較小時(shí)，工況1和工況2的失穩(wěn)表現(xiàn)為塔底附近的壁板失穩(wěn)；肋板厚度較大時(shí)，工況1的失穩(wěn)表現(xiàn)為塔頂附近的橫隔板失穩(wěn)，工況2的失穩(wěn)表現(xiàn)為塔底肋板失穩(wěn)。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板厚度對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖6。

圖6 穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板寬度變化趨勢(shì)圖

從圖6看出，當(dāng)肋板寬度從0增加到為0.25m時(shí)，工況1和工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)增加很快，當(dāng)大于0.25m時(shí)，工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)增加趨于平緩，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中規(guī)定箱形截面受壓構(gòu)件的縱向加勁肋的寬度不應(yīng)小于10倍腹板厚度要求基本一致。綜合工況1和工況2，肋板寬度取0.3m比較恰當(dāng)。

2.4 肋板厚度與寬度的比值對(duì)鋼索塔第一類穩(wěn)定的影響

為了得到肋板寬度、厚度同時(shí)變化對(duì)鋼索塔穩(wěn)定的影響，進(jìn)行了以下分析：分別取肋板厚度與壁板厚度的比值m=0.682、m=1、m=1.09，肋板的寬度0.1m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m，獲得工況1、工況2的穩(wěn)定安全系數(shù)。工況1、工況2相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及肋板寬度、厚度對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響的變化趨勢(shì)見圖7、圖8。

圖7 工況1穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板寬度、厚度變化趨勢(shì)圖

圖8 工況2穩(wěn)定安全系數(shù)—肋板寬度、厚度變化趨勢(shì)圖

從圖7看出，m取相同的值，穩(wěn)定安全系數(shù)隨肋板寬度的變化呈波形，體現(xiàn)了肋板寬度、厚度合理搭配的重要性；當(dāng)肋板寬度取0.31m時(shí)，三條曲線基本相交與一點(diǎn)，肋板厚度三個(gè)不同值對(duì)索塔穩(wěn)定幾乎沒有影響；肋板寬度取0.31m，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）關(guān)于肋板寬度的規(guī)定基本一致。從圖8可以看出，m取相同的值，穩(wěn)定安全系數(shù)隨肋板寬度的增長而增長；在相同肋板寬度的條件下，m取1時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于m取0.682時(shí)的值；m取0.682時(shí)，隨肋板寬度的增長，穩(wěn)定安全系數(shù)變化不大，并且比較小，在設(shè)計(jì)中意義不大；在相同肋板寬度的條件下，m取1時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎和t取1.09時(shí)的值相同；m取1和m取1.09時(shí)，肋板寬度從0.1m增長到0.25m時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢(shì)明顯，肋板寬度從0.25m增長到0.4m時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢(shì)減緩，可以得出肋板寬度的合理取值取值范圍為0.25～0.4m，也與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）關(guān)于肋板寬度的規(guī)定基本一致。

3 結(jié)語

本文結(jié)合具體工程，對(duì)鋼索塔構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明：在鋼索塔的設(shè)計(jì)時(shí)，肋板寬度的取值以《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）關(guān)于肋板寬度的規(guī)定為參考比較合理；肋板厚度等于或者略小于壁板厚度比較合理；當(dāng)肋板寬度較小，增加肋板厚度，難以獲得較大的穩(wěn)定安全系數(shù)；當(dāng)肋板寬度增加到一定程度時(shí)，靠增加肋板寬度來獲得較大的穩(wěn)定安全系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。

[1]（日）伊騰學(xué)，川田忠樹，等.長大橋梁建設(shè)的序幕[M].劉建新，和丕壯，譯.北京：人民交通出版社，2002.

[2]戴永寧.南京長江第三大橋鋼索塔技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]劉士林，梁智濤，候金龍，等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]項(xiàng)海帆.中國土木工程學(xué)科的發(fā)展戰(zhàn)略（建筑、環(huán)境與土木工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)特邀報(bào)告）[R].北京：國家自然科學(xué)基金委員會(huì)，2004.

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[6]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[7]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].