吊拉組合加固中斜拉索索力的參數(shù)化分析

鄢生全

(廣東長(zhǎng)大公路工程有限公司第一分公司)

1 引言

采用斜拉索加固懸索橋完成后，斜拉索在加勁梁處的豎向分力是變化的，即斜拉索協(xié)助主纜受力的工作狀態(tài)是不斷變化的，因此確定影響斜拉索索力變化參數(shù)的程度對(duì)精確分析加固效果至關(guān)重要。

2 工程概況

某懸索橋?yàn)楣芫€(xiàn)越深溝的構(gòu)造物，建成于1989年，設(shè)計(jì)跨度108 m，理論矢高10.8 m，矢跨比為1/10。該橋設(shè)兩根主纜，主纜由四根鋼絲繩組成，鋼絲繩規(guī)格為 GB1102-74.6×37+1×52-1 600，重力式錨碇。全橋共設(shè)35對(duì)吊桿，吊桿由Φ26 mm的圓鋼加工而成。加勁梁與主塔均采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)。

由于提高產(chǎn)量要求，擬對(duì)懸索橋進(jìn)行技術(shù)改造提升承載能力，經(jīng)過(guò)方案比選增加8根斜拉索協(xié)助主纜受力，以提高主纜的安全系數(shù)。

3 斜拉索索狀態(tài)計(jì)算原理

斜拉索計(jì)算的常見(jiàn)方法有懸鏈線(xiàn)法、拋物線(xiàn)法和有限元法，其中懸鏈線(xiàn)法為精確計(jì)算方法，計(jì)算公式如下

式中:q為單位索長(zhǎng)重量;H為拉索水平方向分力;其余參數(shù)意義見(jiàn)圖1所示。

圖1 懸鏈線(xiàn)法計(jì)算示意圖

由積分可得懸鏈線(xiàn)的長(zhǎng)度S為

懸鏈線(xiàn)由軸力引起的彈性伸長(zhǎng)量△S為

于是，索的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)S0為

溫度對(duì)無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的影響可以表示為

根據(jù)公式(1)～(7)建立方程關(guān)系，分析斜拉索張拉后索力隨環(huán)境溫度和位移變化的情況，計(jì)算原理如下:(1)斜拉索張拉完成后，根據(jù)斜拉索張拉索力以及l(fā)、c可以得出張拉完成時(shí)環(huán)境溫度作用下的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)S0;(2)環(huán)境溫度和l、c發(fā)生變化后，由環(huán)境溫度可得出S溫度，根據(jù)S溫度以及變化后的l、c可得出新斜拉索索力。上述關(guān)系建立的方程為超越方程，可以采用迭代法求解。

4 斜拉索索力參數(shù)分析

懸索橋加固后，影響斜拉索索力變化的因素主要有參數(shù)l和c以及環(huán)境溫度。該懸索橋斜拉索初始張拉力為85 kN，斜拉索初始張拉溫度為10℃，以具有代表性的1號(hào)(最短斜拉索)、3號(hào)(最長(zhǎng)斜拉索)斜拉索為例，分別分析各因素對(duì)斜拉索張拉后索力變化的影響情況。1號(hào)、3號(hào)斜拉索的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)、3號(hào)斜拉索計(jì)算參數(shù)

4.1 環(huán)境溫度

斜拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境升溫時(shí)，斜拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)增長(zhǎng)，斜拉索索力就會(huì)減小;當(dāng)環(huán)境降溫時(shí)，斜拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)減短，斜拉索索力就會(huì)增大。

圖2 斜拉索索力受環(huán)境溫度影響情況

由圖2可知，1號(hào)、3號(hào)斜拉索張拉后索力隨溫度變化的關(guān)系近似于線(xiàn)形關(guān)系，1號(hào)斜拉索的溫度-索力關(guān)系直線(xiàn)的斜率大于3號(hào)斜拉索，環(huán)境溫度對(duì)短斜拉索索力的影響程度大于長(zhǎng)斜拉索。

4.2 加勁梁處斜拉索錨固位置位移

加勁梁處斜拉索錨固位置位移包含豎向位移和水平位移。由圖3可知，斜拉索3的豎向分力與豎向位移的關(guān)系近似于線(xiàn)性關(guān)系，而斜拉索1的豎向分力與豎向位移的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系。加勁梁處斜拉索錨固端向下位移時(shí)，斜拉索豎向分力顯著增大，而向上位移時(shí)，斜拉索豎向分力變化較小。短斜拉索的豎向分力受加勁梁處斜拉索錨固端豎向位移影響程度大于長(zhǎng)斜拉索。

由圖4可知，斜拉索3的豎向分力與水平位移的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系，斜拉索1的豎向分力與水平位移的關(guān)系近似于兩段斜率不同的直線(xiàn)。加勁梁處斜拉索錨固端向跨中位移時(shí)，斜拉索豎向分力顯著增大，而向邊跨位移時(shí)，斜拉索豎向分力變化較小。短斜拉索的豎向分力受加勁梁處斜拉索錨固端水平位移影響程度大于長(zhǎng)斜拉索。

圖3 斜拉索索力受c的變化值影響情況

圖4 斜拉索索力受l的變化值影響情況

4.3 主塔位移

主塔位移包含豎向位移和水平位移。主塔向跨中發(fā)生縱向位移時(shí)，l值減小，主塔向邊跨發(fā)生縱向位移時(shí)，l值增大;主塔向下發(fā)生豎向變形時(shí)，c值減小，主塔向上發(fā)生豎向變形時(shí)，c值增大。

圖5 斜拉索索力受主塔縱向位移影響情況

圖6 斜拉索索力受主塔豎向位移影響情況

由圖5可知，斜拉索加勁梁處豎向分力受主塔縱向位移影響較小，位移-豎向力關(guān)系近似于線(xiàn)性關(guān)系。

由圖6可知，斜拉索加勁梁處豎向分力受向下的主塔豎向變形影響較小，位移-豎向力關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系;斜拉索加勁梁處豎向分力受向上的主塔豎向變形影響較大，位移-豎向力關(guān)系近似于線(xiàn)性關(guān)系。短斜拉索的豎向分力受向下的主塔豎向變形位移影響程度大于長(zhǎng)斜拉索。

5 結(jié)論

本文以懸鏈線(xiàn)公式為基礎(chǔ)建立了斜拉索索狀態(tài)力學(xué)模型，確定了影響斜拉索張拉后索力變化的因素，研究了各參數(shù)的影響程度。根據(jù)分析可知，影響張拉后斜拉索索力的主要參數(shù)包括環(huán)境溫度、加勁梁處斜拉索錨固位置豎向位移、加勁梁處斜拉索錨固位置縱向位移、主塔豎向變形，且短斜拉索的豎向分力受各參數(shù)影響的程度大于長(zhǎng)斜拉索。

根據(jù)懸索橋現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的數(shù)據(jù)可知，加勁梁處斜拉索錨固位置縱向位移和主塔豎向位移均小于1 cm，對(duì)該懸索橋斜拉索張拉后加勁梁處豎向分力變化影響較小，因此，影響該懸索橋張拉后斜拉索索力的主要參數(shù)為環(huán)境溫度和加勁梁處斜拉索錨固位置豎向位移。正確選取環(huán)境溫度值，精確計(jì)算加勁梁處斜拉索錨固位置豎向位移，才能提高斜拉索張拉后協(xié)助主纜受力狀態(tài)分析的精度。

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