大跨度部分地錨斜拉橋力學(xué)分析與參數(shù)研究

肖汝誠(chéng) 衛(wèi) 璞 孫 斌

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,上海200092)

斜拉橋跨徑增長(zhǎng)受到諸多因素制約,包括抗風(fēng)穩(wěn)定性,超長(zhǎng)斜拉索的強(qiáng)度、剛度問題以及塔梁交界處過(guò)大的主梁軸力等[1].國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問題提出了諸多解決方案[2-3],其中針對(duì)主梁軸力過(guò)大問題,Gimsing等[4]提出的部分地錨斜拉橋概念得到廣泛的關(guān)注.如圖1所示,部分地錨斜拉橋的部分錨索錨于錨碇,減小了主梁中的軸壓力,并在跨中產(chǎn)生拉力,這一結(jié)構(gòu)體系使主梁內(nèi)的軸力分布更加均勻,并能提高結(jié)構(gòu)剛度,為增加斜拉橋跨徑提供了思路.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)部分地錨斜拉橋進(jìn)行了大量研究工作[5-10],然而研究手段大多局限于有限元分析方法,解析分析方法研究相對(duì)較少.與有限元分析方法相比,解析方法能更直觀地反應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響,使工程師對(duì)于結(jié)構(gòu)受力性能有更好的把握,并能在概念設(shè)計(jì)階段提供簡(jiǎn)單有效的分析手段.此外,大跨度部分地錨斜拉橋暫無(wú)工程實(shí)例可供參考,基于解析公式的參數(shù)研究還可以為概念設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)選擇提供依據(jù).

本文基于索面膜化假定,推導(dǎo)了部分地錨斜拉橋受力的解析計(jì)算公式,與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了邊中跨比、塔梁高跨比、主梁剛度、索塔剛度和地錨錨索支承剛度等參數(shù)的分析研究,為該橋型的概念設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 平衡微分方程及其近似解

1.1 基本假定

本文采用如下分析約定:

1) 現(xiàn)代斜拉橋多采用密索體系,為簡(jiǎn)化分析,將斜拉索面簡(jiǎn)化為連續(xù)的索膜.

2) 為提高拉索支承效率,斜拉橋以扇形索面居多,本文假定斜拉索錨固于索塔頂端,為理想扇形體系.

4) 主梁采用漂浮體系,縱向無(wú)約束.

此時(shí)結(jié)構(gòu)位移可按下述位移量表示:主梁豎向位移v(x),梁端縱向位移w,左右索塔塔頂水平位移uL和uR,各位移量以圖2中所示方向?yàn)檎?

圖2 部分地錨斜拉橋計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.2 平衡微分方程

以主梁為研究對(duì)象,在活載及索面的連續(xù)作用力下,其平衡微分方程為

EIvIV=p-qcV,p

(1)

式中,E,I分別為主梁的彈性模量和抗彎截面慣矩;qcV,p為活載引起的斜拉索豎向力集度.

以索塔為研究對(duì)象,左右索塔塔頂水平力平衡條件為

(2)

(3)

以主梁和索面整體作為研究對(duì)象,水平方向僅受到地錨索力和塔頂水平力,平衡方程為

fHLe,p+kuL=fHRe,p+kuR

(4)

假設(shè)每根斜拉索承擔(dān)其索距范圍內(nèi)的恒活載,則單位長(zhǎng)度上的拉索面積為

(5)

式中,As為斜拉索面積;λ為拉索間距;θ為斜拉索傾角.由式(3)和圖3所示的位移變形關(guān)系求得單位長(zhǎng)度斜拉索索力,并向豎直方向投影后可得

(6)

向水平方向投影后可得

(7)

(8)

式中,Es為斜拉索彈性模量;γ為斜拉索重度;l0為斜拉索的水平投影長(zhǎng)度.

圖3 位移分量引起的斜拉索變形示意圖

令地錨錨索面積為Ase,僅塔頂水平位移引起其變形,假設(shè)地錨索錨固位置與梁平齊,由圖3位移變形關(guān)系求得其索力,并向水平方向投影可得

(9)

(10)

令自錨錨索的面積為Asa,僅塔頂水平位移和主梁水平位移引起其變形,由圖3位移變形關(guān)系求得其索力,并向水平方向投影可得

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

ξ=ξp+ξe

(18)

(19)

(20)

式中，X在左右扇面內(nèi)分別為XL和XR.

1.3 平衡微分方程的近似解

微分方程組中,ε表示主梁抗彎剛度與斜拉索軸向剛度之比,對(duì)大跨徑橋梁,ε為微小量[12],微分方程的近似解由2部分組成[13]:當(dāng)ε=0時(shí)，特解為V0,U0,W0;當(dāng)ε≠0時(shí)，通解為V1,U1,W1.其中,V0,U0,W0為忽略主梁剛度時(shí)的結(jié)構(gòu)位移,此時(shí)活載全部由斜拉索承擔(dān),反應(yīng)純纜索體系剛度,其解為

(21)

(22)

(23)

V1,U1,W1反應(yīng)主梁抗彎剛度對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,其解為

U1=W1=0

(24)

V1=C1eg(X)sing(X)+C2e-g(X)sing(X)+

C3eg(X)cosg(X)+C4e-g(X)cosg(X)

(25)

(26)

2 關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)計(jì)算及驗(yàn)證

2.1 關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)計(jì)算公式

通過(guò)上述微分方程及其近似解,可計(jì)算部分地錨斜拉橋的下述關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng):中跨最大撓度、彎矩;塔頂最大位移;自錨錨索最大應(yīng)力、應(yīng)力幅;地錨錨索最大應(yīng)力、應(yīng)力幅,對(duì)應(yīng)的活載工況及計(jì)算公式如表1所示.

表1 關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)計(jì)算公式

2.2 有限元驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述計(jì)算公式精度,對(duì)一座部分地錨斜拉橋方案進(jìn)行了分析.該橋跨徑布置為430 m+1 300 m+430 m.主梁梁高4.5 m,面積A=2.116 m2,豎向抗彎慣矩I=7.396 m4.主塔全高為350 m,塔頂抗推剛度為9 295.9 kN/m.拉索強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為710 MPa.活載按公路Ⅰ級(jí)取值.結(jié)構(gòu)立面布置如圖4所示.有限元模型采用單魚骨梁模型,分別進(jìn)行活載滿布中跨、兩邊跨、半中跨和一邊跨4種工況下的荷載效應(yīng)計(jì)算.

圖4 部分地錨斜拉橋方案立面布置(單位：m)

圖5為各關(guān)鍵響應(yīng)計(jì)算值的相對(duì)誤差,從中可以看出,本文計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)果相比,誤差均在15%以內(nèi).其中跨中位移計(jì)算結(jié)果誤差小于3%.

圖5 各關(guān)鍵響應(yīng)計(jì)算值的相對(duì)誤差

計(jì)算誤差來(lái)源主要包括簡(jiǎn)化分析中的膜化假設(shè)、理想扇形索面假定、未考慮大位移效應(yīng)、垂度修正僅采用切線模量以及微分方程的解中忽略了ε的高階項(xiàng)等.

3 參數(shù)研究

作為一種新型結(jié)構(gòu)體系,部分地錨斜拉橋的概念設(shè)計(jì)無(wú)工程實(shí)例可供參考,其參數(shù)取值需要通過(guò)分析方法獲得.本節(jié)對(duì)邊中跨比、塔梁高跨比、主梁剛度、索塔剛度和地錨錨索支承剛度等參數(shù)對(duì)關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)的影響進(jìn)行分析,為該橋型的概念設(shè)計(jì)提供參考.分析中,活載集度取為50 kN/m,其余參數(shù)除待討論參變量外,均與上節(jié)所述橋梁方案相同.

3.1 邊中跨比

圖6為部分地錨斜拉橋邊中跨比對(duì)各關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)的影響.可以看出：① 邊中跨比對(duì)跨中撓度、彎矩、地錨錨索最大應(yīng)力以及自錨錨索應(yīng)力幅的影響均呈拋物線形狀,在邊中跨比接近0.3取得最小值;② 邊中跨比增長(zhǎng)會(huì)減小自錨錨索最大應(yīng)力，當(dāng)邊中跨比由0.1增加到0.3時(shí),自錨索最大應(yīng)力降低148.2 MPa,而從0.3變化到0.6時(shí),自錨錨索應(yīng)力僅減小38.9 MPa;③ 邊中跨比增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致地錨錨索應(yīng)力幅增加,當(dāng)邊中跨比由0.1增加到0.3時(shí),地錨錨索應(yīng)力幅增加僅10.8 MPa,但從0.3增加到0.6時(shí),地錨索應(yīng)力幅增量達(dá)115.3 MPa.

圖6 部分地錨斜拉橋邊中跨比對(duì)各關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)的影響

以上分析可以看出,邊中跨比取0.3左右,不僅可以使部分關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)取得最小,而且對(duì)自錨錨索應(yīng)力和地錨錨索應(yīng)力幅的影響均相對(duì)較優(yōu).這一結(jié)果與文獻(xiàn)[7]基于有限元的分析結(jié)果一致,其中，文獻(xiàn)[7]的試設(shè)計(jì)邊中跨比取值為0.317.

從數(shù)值來(lái)看,邊中跨比對(duì)跨中彎矩的影響最小,對(duì)跨中撓度、塔頂位移和錨索應(yīng)力的影響次之,而對(duì)錨索應(yīng)力幅影響較大.這是由于錨索最小應(yīng)力均對(duì)應(yīng)邊跨滿載工況(見表1),在主跨一定的情況下,邊跨跨度的增加會(huì)使最小應(yīng)力減小,從而導(dǎo)致應(yīng)力幅增長(zhǎng)較快.

3.2 塔梁高跨比

圖7為塔梁高跨比(橋面以上索塔高度與主跨跨度的比值)對(duì)各關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)的影響.可以看出,除索塔塔頂位移外,塔梁高跨比的增加均可有效減小各力學(xué)響應(yīng).這是由于塔高增加,可以提高斜拉索的支承效率,但由于同時(shí)減小了自身線剛度以及地錨錨索支承剛度,因此增加至一定程度后會(huì)使塔頂位移有增加趨勢(shì).

圖7 塔梁高跨比對(duì)各關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)的影響

隨著塔高的增加,曲線下降斜率均趨緩,表明塔高對(duì)力學(xué)響應(yīng)的減小效果呈遞減趨勢(shì).例如,當(dāng)塔梁高跨比由0.1增加至0.2時(shí),跨中彎矩減小27.077 5 MN·m,而從0.5增加至0.6時(shí),彎矩僅減小5.593 5 MN·m.除此之外,塔高增加還會(huì)造成上下部結(jié)構(gòu)造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)的增長(zhǎng).

基于上述分析,部分地錨斜拉橋的塔梁高跨比可按傳統(tǒng)斜拉橋取值,其合理范圍在1/4～1/7之間[14].

3.3 主梁剛度

圖8為主梁剛度對(duì)跨中撓度和彎矩的影響.計(jì)算時(shí)所取主梁剛度為原始數(shù)值與圖中所示主梁剛度系數(shù)的乘積.可以看出,隨著主梁剛度的增長(zhǎng),跨中撓度減小而彎矩增加.從數(shù)值來(lái)看,當(dāng)主梁剛度系數(shù)由0.2增加至2.2時(shí),跨中撓度從1 574.2 mm減少至1 445.4 mm,變化幅度僅為8.18%,而跨中彎矩則由18.607 4 MN·m增加至112.388 6 MN·m,增幅達(dá)504%.可見,大跨度部分地錨斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度主要由纜索體系提供,主梁自身剛度貢獻(xiàn)較小.增加主梁剛度不僅對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響甚微,而且會(huì)急劇增加主梁自身承擔(dān)彎矩.設(shè)計(jì)中,當(dāng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)法滿足要求時(shí),應(yīng)采用增加鋼板厚度的方法進(jìn)行調(diào)整,而避免采用增加梁高的措施.

圖8 主梁剛度對(duì)跨中撓度和彎矩的影響

3.4 索塔剛度與地錨錨索支承剛度

圖9為索塔剛度對(duì)跨中撓度和塔頂位移的影響.與自錨斜拉橋不同,地錨錨索對(duì)塔頂提供彈性支承,其剛度大小ξe對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是值得討論的問題.圖10為地錨錨索支承剛度對(duì)跨中撓度和塔頂位移的影響,計(jì)算時(shí)所取索塔和地錨錨索支承剛度為原始數(shù)值與圖中所示剛度系數(shù)的乘積.

圖9 索塔剛度的影響

圖10 地錨錨索支承剛度的影響

當(dāng)索塔剛度系數(shù)由0.2增加至2.2時(shí),跨中撓度減小5.2%,塔頂位移減小12.7%;而當(dāng)?shù)劐^錨索支承剛度系數(shù)由0.2增加至2.2時(shí),跨中撓度減小42.4%,塔頂位移減小73.2%.可見,與傳統(tǒng)自錨式斜拉橋不同,索塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度貢獻(xiàn)較小,而地錨索對(duì)塔頂?shù)膹椥灾С袆偠葘?duì)結(jié)構(gòu)整體受力行為影響較大.

從式(20)可以看出,在地錨錨索面積、彈性模量和恒載應(yīng)力一定的情況下,其支撐剛度主要取決于傾角大小,式(20)中與角度相關(guān)的參數(shù)為

(27)

圖11為角度參數(shù)與地錨錨索傾角的關(guān)系,從圖中可以看出,為保證地錨錨索對(duì)塔頂?shù)闹С行?其傾角在35°～50°之間最優(yōu).

圖11 地錨錨索角度參數(shù)

4 結(jié)論

1) 大跨度部分地錨斜拉橋的邊中跨比可取為0.3左右.

2) 塔梁高跨比取值可與傳統(tǒng)斜拉橋相近,即取1/4～1/7.

3) 大跨度部分地錨斜拉橋主梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響很小,但對(duì)自身彎矩影響較大.

4) 地錨錨索支承剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力影響遠(yuǎn)大于索塔自身剛度,為保證支承效率,地錨錨索傾角應(yīng)在35°～50°范圍內(nèi).

)

[1] 王伯惠. 斜拉橋的極限跨徑 [J]. 公路, 2002 (4): 38-48.

Wang Bohui. Extreme span length of cable-stayed bridge [J].Highway, 2002(4): 38-48.(in Chinese)

[2] 王伯惠. 斜拉橋增大跨徑的技術(shù)措施 [J]. 公路, 2003(2): 57-65.

Wang Bohui. Technical measures to enlarging span length of cable-stayed bridge [J].Highway, 2003(2): 57-65.(in Chinese)

[3] Starossek U. Cable-stayed bridge concept for longer spans [J].JournalofBridgeEngineering, 1996,1(3): 99-103.

[4] Gimsing N J, Georgakis C T.Cablesupportedbridges:conceptanddesign[M]. Chichester, UK: Wiley, 2012.

[5] Nagai M, Fujino Y, Yamaguchi H, et al. Feasibility of a 1 400 m span steel cable-stayed bridge [J].JournalofBridgeEngineering, 2004,9(5): 444-452.

[6] Won J H, Yoon J H. Structural effects of partially earth-anchored cable system on medium-span cable-stayed bridges [J].InternationalJournalofSteelStructures, 2008,8(3): 225-236.

[7] Sun Bin, Cheng Jin, Xiao Rucheng. Preliminary design and parametric study of a 1400m partially earth-anchored cable-stayed bridge [J].ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalSciences, 2010,53(2): 502-511.

[8] Zhang Liwen, Xiao Rucheng, Xia Ruijie. Mechanical analysis and study on structural parameter of partially earth-anchored cable-stayed bridge part Ⅰ: mechanical analysis [J].AppliedMechanicsandMaterials, 2011,44-47: 1898-1905.

[9] Zhang Liwen, Xiao Rucheng, Xia Ruijie. Mechanical analysis and study on structural parameter of partially earth-anchored cable-stayed bridge part Ⅱ: parametric study [J].AppliedMechanicsandMaterials,2011,44-47: 1906-1912.

[10] Kim S H, Won J H, Cho K I, et al. Behavior of partially earth anchored cable-stayed bridge considering construction phase and operational phase [C]//IABSESymposiumReport. Weimar, Germany, 2007:1-8.

[11] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院. JTG/T D65-01—2007公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則 [S]. 北京:人民交通出版社,2007.

[12] Bruno D, Leonardi A. Natural periods of long-span cable-stayed bridges [J].JournalofBridgeEngineering,1997,2(3): 105-115.

[13] Bruno D, Grimaldi A. Nonlinear behavior of long-span cable-stayed bridges [J].Meccanica, 1985,20(4): 303-313.

[14] 邵旭東,胡建華. 橋梁設(shè)計(jì)百問 [M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.