鋼桁梁懸索橋參數分析與設計優化

張 精 衛

(中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075)

1 工程概況

總體布置為單跨850 m簡支懸索橋方案，主梁采用鋼桁架加勁梁，索塔采用門型混凝土索塔。主橋主纜跨徑布置為：(270+850+270) m，主纜矢跨比為1/10，矢高為85 m。

2 計算模型

全橋總體分析采用“MIDS CIVIL 2012”有限元程序進行。計算模型為空間桿系模型，主纜和吊索均采用索單元，索塔和鋼桁架加勁梁采用空間梁單元模擬。主塔承臺底及主纜錨固點處均采用固結約束；成橋分析階段主纜與主塔頂在索鞍處按照主從約束固接；鋼桁梁梁端設置豎向支座和橫向抗風支座，縱向位移和轉角均按自由處理，計算模型見圖1，圖2。

3 參數分析

選取參數為主纜垂跨比、桁梁高度，通過分析主梁應力和撓度、主纜內力、結構動力特性、主塔內力、工程數量等指標來進行參數選取和結構優化。

3.1 主纜垂跨比

雙塔懸索橋主跨垂跨比一般在1/9～1/11之間，其特性是隨主纜垂跨比減小，纜力增加，結構重力剛度加大，活載作用下加勁梁撓度有減小，但工程造價越高(涉及主纜面積、塔高及錨碇規模)；若垂跨比增大，結論則相反(見表1)。

表1 懸索橋垂跨比統計表

因此，本橋選取了1/9.5,1/10,1/10.5三種垂跨比進行了研究。比選結果如表2～表5所示。

3.1.1主纜內力對比

從表2可知：主纜內力隨著垂跨比的減小而增加；垂跨比由1/9.5減少至1/10時，主纜內力增大約4.5%；垂跨比由1/10減少至1/10.5時，主纜內力增加約4.9%。以1/10垂跨比的數據為基準，因垂跨比不同帶來的數值變化均在±10%以內。因此，較小的垂跨比會導致主纜內力增加過快而不經濟，不宜選用。

表2 不同垂跨比比較結果(一)

3.1.2加勁梁撓度對比

從表3可知：在活載作用下，加勁梁撓度隨著垂跨比的減小而減小；在體系溫差荷載作用下，加勁梁撓度隨著垂跨比的減小而增加；橋梁整體剛度較大，主梁撓跨比均小于1/300，滿足規范的要求。以1/10垂跨比的數據為基準，汽車荷載撓度因垂跨比不同帶來的向下最大豎向撓度變化量均在±10%以內，溫度作用下加勁梁的最大豎向撓度變化量均在±5%以內。

表3 不同垂跨比比較結果(二)

3.1.3加勁梁應力對比

表4 不同垂跨比比較結果(三)

從表4可知：在活載作用下，加勁梁各桿件的應力隨著垂跨比的減小而減小，其中主桁上、下弦桿和斜腹桿相對較明顯。以1/10垂跨比的數據為基準，因垂跨比不同帶來的鋼桁架在活載下的應力變化量均在±5%以內。

3.1.4動力特性對比

表5 不同垂跨比比較結果(四)

從表5可知：懸索橋的振動頻率，隨著主纜垂跨比的減小而增大，即結構剛度隨之增大。但變化幅度不大，以1/10垂跨比的數據為基準，因垂跨比不同帶來的頻率變化量在±10%之間。

3.1.5主要工程數量對比

垂跨比引起的數量變化主要體現在主纜、索塔和錨碇上，除普通鋼筋外，主纜、索塔和錨碇三者數量之和隨著垂跨比的減小而增大；而高強鋼材增大數量比普通鋼筋減小的數量要大，因此，在橋面系和主梁不變的情況下，大橋建安費隨著垂跨比的減小而增大。

3.1.6索塔內力對比

由于本橋所處地區的基本抗震設防烈度為7度地震區域，地震力的大小與索塔的高度趨勢一致，垂跨比越小，理論上索塔越矮，則索塔根部地震產生的內力越小。

通過以上對比可以得出：以1/10垂跨比的數據為基準，在主纜、索塔和錨碇的數量變化上，三者引起的大橋建安費隨著垂跨比的減小而增大，采用1/9.5的垂跨比，大橋經濟性最好，1/10的垂跨比次之。但從動力特性來看，1/10的垂跨比橋梁結構性能更好，建議采用1/10的垂跨比。

根據以上研究的結論，綜合考慮結構的經濟性和抗震性能，本橋垂跨比決定采用適中的1/10。

3.2 梁高

鋼桁架的高度由結構體系的豎向、橫向剛度以及抗風穩定性等因素確定，根據已建成橋梁的經驗(矮寨7.5 m，壩陵河10 m，四渡河6.5 m，北盤江5 m)，本橋分別選取加勁梁桁架高度H為6.5 m，7.0 m，7.5 m，桁架縱向節間距均為6.8 m，對結構關鍵受力部位進行比較分析。

3.2.1主纜內力對比

主纜最大內力對比見表6。

表6 主纜最大內力對比

3.2.2吊索內力對比

吊索內力對比見表7。

表7 吊索內力對比

表6，表7計算結果表明，因梁高變化導致結構恒載重量表變化很小，主纜及吊索內力變化較小，且主纜和吊索最大內力隨主梁高度增加而增加。

3.2.3加勁梁活載撓度對比

結構關鍵部位位移表明，主梁高度變化對結構總體剛度影響很小，隨著主梁高度的增加，主塔縱向位移增大，加勁梁端縱向位移減小，加勁梁豎向位移減小橫向位移增大。總體來說梁高變化對結構縱向及橫向剛度的影響小于對結構豎向剛度的影響。以7.0 m桁高的數據為基準，主梁撓度變化百分比在±1.5%以內，見表8。

表8 活載位移比較 m

3.2.4加勁梁應力對比

結果表明，梁高變化對桁架縱向應力影響較小，且桁架上、下弦桿及豎腹桿最大內力隨主梁高度增加而增加，主要原因在于主纜和主梁形成的超靜定結構中主梁高度(剛度)的增加使得主梁承擔的內力增加。以主要組合為例，上弦桿應力變幅在2%以內，下弦桿應力變幅在25%以內，豎腹桿應力變幅在5%以內，斜腹桿應力變幅在15%以內，平聯應力變幅在10%以內，表明該結構體系在合適的主梁高度范圍內主梁高度的增加不能有效降低縱向桿件應力，見表9。

表9 加勁梁應力對比

3.2.5鋼桁架數量對比

表10 鋼桁架用鋼量比較

以7 m桁高的數據為基準，因桁高不同帶來的主桁用鋼數量的變化在±1.5%之間，見表10。

4 結語

通過以上主纜垂跨比、桁梁高度，通過主梁應力和撓度、主纜內力、結構動力特性、主塔內力、工程數量等指標對比分析，可以得出：采用不同的高跨比對大橋的結構受力和工程數量影響甚微。

參考文獻：

[1] 鄭宏宇，梅葵花，呂志濤.CFRP纜索體系懸索橋的優勢及可行性研究[J].橋梁建設，2006(4):7-10.

[2] 羅喜恒，肖汝誠，鞏海帆.空間纜索懸索橋的主纜線性分析[J].同濟大學學報(自然科學版)，2004,32(10)：1349-1354.

[3] Y.J.Ge,H.F.Xiang.Aerodynamic challenges in long span bridge[J].IstructE Centenary Conference，2008(2)：121-148.

[4] L.Moisseiff, F.Lienhard.Suspension bridges under the action of lateral forces.with discussion[J].Transactions of the American Society of Civil Engineers,1933(98)：1080-1095.