大跨徑懸索橋力學性能研究

楊雅新

河南水利與環(huán)境職業(yè)學院（450011）

大跨徑懸索橋力學性能研究

楊雅新

河南水利與環(huán)境職業(yè)學院（450011）

懸索橋由于其優(yōu)美的結(jié)構(gòu)和宏偉的規(guī)模成為大跨徑橋梁的主要型式之一。這里根據(jù)具體的大跨徑懸索橋工程實例，結(jié)合有限元模型，對橋梁進行力學分析。通過分析橋梁的受力特點，研究在豎向荷載靜力作用的情況下大跨徑懸索橋的力學性能。希望對類似工程起到積極的借鑒作用。

大跨徑；懸索橋；拉應力；力學性能

0　引言

目前，大跨徑橋梁中的“橋梁皇后”——懸索橋成為大跨徑橋梁的主要型式之一。在世界范圍內(nèi)跨越長度最長的橋梁類型便是懸索橋（長度為0.9km以上的橋梁基本都是懸索橋）。截至到目前，我國已經(jīng)建設(shè)了多座大跨度懸索橋，如汕頭海灣大橋、西陵長江大橋、香港青馬大橋、虎門大橋等。

1　工程概況

某大跨徑懸索橋工程，主跨長度約1490m，南北主塔采用高為219.5m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，錨碇基礎(chǔ)同樣采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)且錨碇直徑約65 m，南、北錨深分別為50m、30m。鋼箱梁的高度約3.2m、寬約36m，包括兩條主纜繩（直徑約為905 mm），每條主纜繩都由184股（共23370根直徑為5.32mm的高強度鋼絲）組成。該工程建設(shè)采用雙向六車道標準設(shè)計，車速100km/h。橋面鋪裝面積約48430m2，橋面設(shè)計使用年限為15年。

2　大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)分析

2.1懸索橋的結(jié)構(gòu)

懸索橋，又名吊橋（suspensionbridge），指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索（或鋼鏈）作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。

1）懸索

懸索橋中最大的力是懸索中的張力和塔架中的壓力。由于塔架基本上不受側(cè)向的力，它的結(jié)構(gòu)可以做得相當纖細，此外懸索對塔架還有一定的穩(wěn)定作用。在大跨徑懸索橋中的懸索通常由一定數(shù)目的橢圓形平行鋼絲索組成。為使懸索在受拉時不發(fā)生滑動變形，利用剛性圓形索夾將懸索和吊桿箍緊。在大跨徑懸索橋中通常采用由扭轉(zhuǎn)式鋼繩和圓鋼組成的吊桿。

2）橋塔

橋塔的主要作用是支撐和承受由懸索傳遞而來的垂直分力和水平分力。橋梁建設(shè)過程中橋塔和橋面下應設(shè)置橫系梁以使橋塔能夠承受懸索和橋面上的巨大載荷。雖然橋梁在建設(shè)過程中多采用單層框架式橋塔，但在橋塔較高時為了增加橋塔在水平方向上的剛度，往往多設(shè)幾根橫系梁，形成多層框架式的橋塔。

3）加勁梁

在普通的中小跨徑及大跨徑的懸索橋中多采用簡支體系，但簡支體系的加勁梁基礎(chǔ)尺寸較連續(xù)加勁梁較小，所以兩用的大跨度懸索橋一般采用連續(xù)加勁梁。

4）錨碇

懸索橋錨碇作為懸索橋的主要部分，其主要作用為：抵抗懸索的豎直反力和鋼索的水平分力。懸索橋的錨碇可以直接固定在巖石之中，或者依據(jù)橋梁建設(shè)地點的不同采用陸地基礎(chǔ)固定或者水中基礎(chǔ)固定［1］。

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2.2大跨徑懸索橋中存在的特殊力學問題

1）靜力風載荷作用情況下的側(cè)向位移問題

在扁箱梁的阻力系數(shù)較小的情況下，懸索橋選用流線形箱梁時桁架梁的位移較小，所以在建設(shè)大跨徑懸索橋的過程中應設(shè)法提高懸索橋的側(cè)向剛度。

2）偏載情況下的扭轉(zhuǎn)變形問題

當橋梁跨徑在5000m左右時，跨中扭轉(zhuǎn)角度高達35°。如果再考慮實際中的靜風荷載的作用，橋梁很可能會發(fā)生扭轉(zhuǎn)、變形、失穩(wěn)現(xiàn)象，因此在橋梁設(shè)計的過程中必須提高橋梁結(jié)構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度。

3）空氣動力情況下的穩(wěn)定性問題

當橋梁跨徑在2000m左右時，可人為采取一定的抗風措施以避免橋梁顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)。當橋梁跨徑超過2500m時，橋梁發(fā)生顫振現(xiàn)象的臨界風速急劇降低，大跨徑橋梁顫振問題已成為大跨徑懸索橋設(shè)計建設(shè)過程中首先要解決的問題。

3　三維有限元模型與分析

3.1懸索橋三維模型

大跨徑懸索橋主塔單元劃分示意圖如圖1（a）所示，1/2主梁截面特征值計算截面如圖1（b）所示，懸索橋主橋劃分模型如圖2所示。

圖1　懸索橋部分三維模型圖

圖2　懸索橋整橋三維模型圖

3.2懸索橋整橋力學分析

大跨徑懸索橋的主要受力構(gòu)件為懸索橋的橋塔和主纜。主梁主要受力方式為受彎，在對橋塔進行受力分析時，可以將懸索橋構(gòu)件等效為受拉彎桿件。本文結(jié)合工程實例對主梁彎矩進行分析，分別從橋梁主梁主跨1/2截面處、1/4截面處、1/8截面處、1/16截面處進行彎矩分析。懸索橋各控制截面彎矩變化范圍見表1。

表1　懸索橋各控制截面彎矩變化范圍

由圖2和表1可以得出，當單位車輛下的荷載沿懸索橋的縱向方向運行時，彎矩的大小隨著主跨的1/2截面、1/4截面、1/8截面、1/16截面處依次增大。由于懸索橋的主梁和鋪裝橋面的活動載荷撓度隨著主梁彎矩的增加而增加。懸索橋的主梁和鋪裝橋面的活動載荷撓度越大，該點處的鋪裝橋面所承受的縱向拉力受整橋的力學影響也越大。因此，懸索橋的主梁彎矩最大處的位置就是需要我們重點分析研究的典型的截面［2］。

3.3懸索橋局部載荷條件分析

局部結(jié)構(gòu)自重：選取的大跨徑懸索橋局部梁段模型中各個部件總體重量，由計算機所編寫的程序自動計算得出。

二期恒載：懸索橋橋面鋪裝重量及其他附屬構(gòu)造的重量、二期恒載形成的載荷可以簡化成在橋梁模型范圍內(nèi)均勻分布的載荷。

吊索力：將懸索橋整橋模型中的吊索應力單獨提取出來，將其等效為外加的載荷，并將其加載局部橋梁梁段模型中。

車輛荷載：將車輛的自重換算成以其輪胎接觸面積為基礎(chǔ)的均勻分布的載荷，均勻加載局部梁模型上。在整橋模型中作為集中荷載加載的車輛軸重，就需模擬成輪胎接地面積中的均勻荷載，利用MIDAS對局部梁有限元模型進行分析，大跨徑懸索橋局部梁段有限元數(shù)值分析模型如圖3所示。

圖3　大跨徑懸索橋局部梁段有限元數(shù)值分析模型

3.4懸索橋局部力學分析

將懸索橋局部梁段再進行細化分析，截取梁段部分位置建立正交異性板模型進行詳細的有限元網(wǎng)格的劃分，以進行更加準確的撓度、拉應力、載荷等力學性能的分析。圖4為大跨徑懸索橋局部梁段頂板力學模型的平面圖。由圖4可知，大跨徑懸索橋發(fā)生不安全因素的部位主要集中在A區(qū)域處。

圖4　大跨徑懸索橋局部梁段頂板力學模型平面圖

4　結(jié)語

這里首先對懸索橋的結(jié)構(gòu)進行了分析，再結(jié)合具體的工程實例通過建立有限元計算分析模型，計算分析了該橋的整體力學性能，同時對局部載荷條件進行了簡化模擬分析?？傊瑧宜鳂虻牧W性能比較復雜，進行受力分析時應堅持科學的原則，嚴謹?shù)膽B(tài)度，才能確保研究的合理性。

［1］杜昕.大跨徑懸索橋與斜拉橋鋼橋面鋪裝在豎向荷載靜力作用下力學特性研究［D］.東南大學碩士學位論文，2005.

［2］周云崗.大跨徑三塔纜索承重橋梁力學參數(shù)敏感度分析［J］.同濟大學學報，2012（07）：16-23.