雙纜多塔懸索橋橋塔受力特性研究

張云龍

（西安科技大學建筑與土木工程學院， 陜西 西安 710054）

0 引言

多塔懸索橋具有良好的經濟性能，已經成為大跨度橋梁的新興橋型，近十年來，國內外先后建造了泰州長江大橋、馬鞍山大橋以及鸚鵡洲長江大橋，韓國新世紀大橋，溫州甌江北口大橋等多塔懸索橋，伴隨這一新興結構的出現，多塔懸索橋也成為當今橋梁工程的研究熱點[1]。建造多塔懸索橋面臨的主要問題是“中塔效應”，采用剛性中塔可有效減小加勁梁撓度，但主纜與中塔鞍座的抗滑穩定性隨之降低[2-4]。在傳統單纜體系的基礎上，國內外學者從纜索的布置形式進行了改進， Gimsing[5]提出了雙層主纜的構想，通過在同一索面設置垂度不同的兩根主纜，共同承擔橋面荷載。

1 計算模型及荷載

1.1 計算模型

為比較兩種多塔懸索橋結構體系加勁梁受力的不同，參照典型的傳統多塔懸索橋結構設計參數，建立有限元模型。加勁梁截面參考泰州長江大橋[6]。

根據已有研究結果，采用Midas civil 建立三塔兩跨懸索橋，主纜及吊桿用只受拉桁架單元模擬，橋塔及加勁梁用梁單元模擬。主跨長度L 為1000 m，邊跨長度為300 m，恒載集度為240 kN/m 雙纜體系分別取下纜垂度為1/8～1/5，上纜垂度為1/12,1/13,傳統體系主纜垂度取1/12～1/9。

根據《公路懸索橋設計規范》[7]對主纜安全系數的要求，令恒載作用下主纜應力為600MPa，通過對雙纜體系主纜面積進行計算，傳統懸索橋主纜面積取值原則與雙纜體系相同，恒載作用下主纜應力水平為600MPa，主纜面積如表1 所示。

表1 主纜面積（單位：m2）

1.2 模型荷載

傳統多塔懸索橋最不利荷載工況為一主跨滿布活載，其余各跨空載，此時中塔塔頂不平衡水平力最大，主纜抗滑穩定性降到最低，加勁梁撓度達到最大。

根據《公路橋梁設計通用規范》[8]的規定，單個車道均布荷載p 為10.5kN·m-1，集中荷載Q 為360kN，按8 車道加載，考慮多車道橫向折減，橫向折減系數為0.5，同時考慮縱向折減，縱向折減系數為0.93。

2 橋塔剛度對橋塔受力的影響

改變有限元模型的橋塔剛度，分別取橋塔抗推剛度Kt=2500，5000，7500，10000kN/m，其他主要結構設計參數保持不變，分析橋塔剛度對多塔懸索橋橋塔受力性能的影響。

2.1 對橋塔位移的影響

通過分析橋塔剛度對傳統多塔懸索橋和雙纜多塔懸索橋中塔的塔頂位移發現，塔頂位移隨著橋塔剛度的增大而減小，塔頂位移隨著上纜垂度的減小和下纜垂度的增大而減小。當橋塔剛度為2500 kN/m 時，傳統多塔懸索橋塔頂位移為1.793～2.995m，雙纜多塔懸索橋塔頂位移為0.801～1.777m；當橋塔剛度為10000 kN/m 時，傳統多塔懸索橋塔頂位移為1.422～1.772m，雙纜多塔懸索橋塔頂位移為0.714～1.271m；隨著橋塔剛度的增大，傳統多塔懸索橋垂跨比的改變對塔頂位移影響逐漸較小，雙纜體系塔頂位移受橋塔剛度影響較小，主要通過主纜垂度來控制塔頂位移。

2.2 對橋塔彎矩的影響

通過分析橋塔剛度對傳統多塔懸索橋和雙纜多塔懸索橋中塔的塔底彎矩的影響發現，塔底彎矩隨著橋塔剛度的增大而增大，隨著上纜垂度的減小和下纜垂度的增大而減小。隨著橋塔剛度的增大，雙纜體系中塔塔底彎矩最小可達到288.8MN·m，最大為1983.7 MN·m，傳統體系最小塔底彎矩為593.1 MN·m，最大塔底彎矩為2766.1MN·m，雙纜多塔懸索橋塔底彎矩下降了29%～51%，當橋塔剛度較大時，上下纜垂度對塔底彎矩的影響逐漸增大，采用適當的垂跨比時，雙纜體系可極大降低橋塔受力。

3 結語

本文主要結論如下：

（1）多塔懸索橋塔頂位移隨著橋塔剛度的增大而減小，雙纜多塔懸索橋塔頂位移隨著上纜垂度的減小和下纜垂度的增大而減小。

（2）多塔懸索橋中塔的塔底彎矩隨著恒載集度的增大而減小，雙纜多塔懸索橋的塔底彎矩降低了29%～51%，降低了橋塔受力和橋塔下部結構的造價。

（3）雙纜體系可極大提高多塔懸索橋的橋塔受力性能，通過采取適宜的主纜垂度，多塔懸索橋經濟性能和力學性能將大幅提高。