溫度對(duì)懸索橋垂度的影響分析

劉 洋

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院 重慶 400074）

溫度對(duì)懸索橋垂度的影響分析

劉 洋

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院 重慶 400074）

懸索橋主纜為柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度的變化非常敏感，而垂度是懸索橋在設(shè)計(jì)及修建過(guò)程中所要控制的重要參數(shù)，知道溫度對(duì)垂度的影響對(duì)懸索橋線(xiàn)形的測(cè)量與監(jiān)控都有很重要的意義，但一般的橋梁工程教科書(shū)中均未對(duì)此影響做細(xì)致的推導(dǎo)講解，文章從懸索橋的拋物線(xiàn)方程出發(fā)，將溫度對(duì)垂度的影響做了理論推導(dǎo)和剖析，并且舉了簡(jiǎn)單的實(shí)例對(duì)不同跨徑及矢跨比下兩者的具體數(shù)值關(guān)系進(jìn)行了說(shuō)明，使這一問(wèn)題清晰明了的呈現(xiàn)出來(lái)，從而幫助學(xué)生們更好的理解這部分內(nèi)容。

溫度；懸索橋；垂度；拋物線(xiàn)方程；橋梁工程

懸索橋的學(xué)習(xí)過(guò)程中，線(xiàn)形的控制是非常重要的部分，了解影響線(xiàn)形的因素與該因素如何對(duì)線(xiàn)形施加影響是橋梁專(zhuān)業(yè)工程師應(yīng)該具備的知識(shí)，這對(duì)懸索橋線(xiàn)形的測(cè)量與修正及控制有很重要的作用，并且在實(shí)際工程中還要具備估算由于這些因素引起的線(xiàn)形變化趨勢(shì)，文章對(duì)溫度因素做了比較詳細(xì)的推導(dǎo)及應(yīng)用的介紹。

一、溫度與懸索橋線(xiàn)形關(guān)系的推導(dǎo)

由于懸索橋主跨拋物線(xiàn)方程的推導(dǎo)假設(shè)及推導(dǎo)過(guò)程在很多橋梁工程專(zhuān)業(yè)書(shū)[1]中均有詳細(xì)的介紹，這里不在贅述，只將其結(jié)果引用過(guò)來(lái)。

若將坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)在左側(cè)索鞍頂端，X軸向跨中為正，Y軸向下為正，則跨中主纜線(xiàn)形的方程為：

由于溫度直接對(duì)懸索長(zhǎng)度有影響，所以想要得到溫度與垂度的關(guān)系必須先計(jì)算出主纜的長(zhǎng)度。由曲線(xiàn)積分可知：

由于（2）式直接積分較困難，通常將根式展開(kāi)成級(jí)數(shù)的形式進(jìn)行積分[2]，并且為了方便展開(kāi)將（1）式中的原點(diǎn)移動(dòng)到垂點(diǎn)處，此時(shí)的主纜線(xiàn)形為：

級(jí)數(shù)展開(kāi)后積分得：

整理可得：

此時(shí)建立起了垂度增量與主纜長(zhǎng)度增量的關(guān)系，而溫度直接影響主纜長(zhǎng)度，兩者的關(guān)系為：

其中α為主纜的線(xiàn)膨脹系數(shù)，將（4），（7）式代入（6）式并令溫度變化為單位溫度可得：

（8）式即為單位溫度變化量時(shí)跨徑與垂度變量的關(guān)系式。

二、不同矢跨比、跨度時(shí)垂度變化量分析

可以看出在矢跨比一定的情況下，垂度變化量與主跨跨徑為線(xiàn)形關(guān)系，已知主纜的線(xiàn)膨脹系數(shù)取懸索橋通常設(shè)置的矢跨比跨徑從100米開(kāi)始每50米遞增到500米進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

圖一 不同矢跨比及跨徑的垂度增量

從圖中可以看出：

（1）溫度引起的垂度變化量無(wú)論矢跨比是多少都隨跨徑的增大而增大，且相同跨徑的懸索橋矢跨比越大垂度增量也越大，也就是說(shuō)原來(lái)的垂度越大那么增加的也就越大，但總體來(lái)說(shuō)差距不會(huì)大很多，因?yàn)榭梢钥闯鰣D形排列的很緊密。

表1 不同矢跨比時(shí)修正后的斜率

表2 跨徑為500米時(shí)不同矢跨比的垂度變化量

三、舉例說(shuō)明

四、結(jié)語(yǔ)

溫度對(duì)于懸索橋垂度的影響與矢跨比及主跨跨徑有關(guān)，當(dāng)矢跨比確定后垂度變化量與跨徑呈線(xiàn)形關(guān)系，雖然總體上垂度增量隨著矢跨比的增加而增大但相同跨徑不同矢跨比時(shí)引起垂度變化量十分接近，且修正后的圖像斜率接近，這就可以對(duì)未知跨徑的垂度變化量進(jìn)行插值計(jì)算，方法簡(jiǎn)單明了，且誤差很小，對(duì)于懸索橋的線(xiàn)形測(cè)量修正及監(jiān)控等工程實(shí)踐都有很直觀(guān)和重要的作用。

[1]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].1版，北京：人民交通出版社，2001,304-305.

[2]周遠(yuǎn)棣,徐君蘭.鋼橋[M].1版，北京：人民交通出版社，1991,107-110.

TU279.7+2

B

1007-6344（2017）01-0030-02

劉洋（1991.3-），重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院在讀研究生，主要從事橋梁工程和大跨度橋梁結(jié)構(gòu)分析研究，