大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉曉娟　張胡澳

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，大跨度橋梁在公路建設(shè)中的地位也愈發(fā)重要，目前大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系主要有懸索橋、斜拉橋。限制大跨度橋梁的發(fā)展主要有兩個因素：新型材料與結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化，由于新型材料的發(fā)展不能滿足橋梁發(fā)展的需求，所以對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。

【關(guān)鍵詞】大跨度橋梁;特性分析;優(yōu)化措施

前言

斜拉橋是現(xiàn)代大跨度橋梁的主要形式之一，尤其是在跨越峽谷、江河等難以修建橋墩或者由于地質(zhì)原因不適合修建地錨的地方，斜拉橋成為首選橋型。斜拉索受拉、塔索受壓，充分發(fā)揮了鋼材的抗拉性能與混凝土的抗壓性能，但是由于斜拉索是柔性結(jié)構(gòu)，具有柔度大、質(zhì)量輕、阻尼小的特點(diǎn)，隨著斜拉橋跨度的增大，斜拉索也隨之增長，極易在環(huán)境荷載作用下發(fā)生參數(shù)振動，如破壞錨具、拉索疲勞破壞等嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。本文以某特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^分析其動力特性，提出優(yōu)化措施。

1 動力特性分析

該特大橋主橋?yàn)?2m+105m+320m+105m+48m的五跨雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋采用半漂浮體系，主梁為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，兩索塔高度分別為204.8m、200.9m，索塔上部采用H型構(gòu)造、下部采用柱形構(gòu)造。

采用midas建立有限元模型，主梁采用單主梁模型脊梁模式，橋塔橫梁采用空間梁單元進(jìn)行模擬，拉索采用分段直桿法進(jìn)行模擬，拉索的垂度效應(yīng)引起的非線性問題在靜力分析時由等效彈性模量解決，由于對動力特性的影響不大，故可忽略，將以線彈性單元模擬拉索。全橋成橋動力有限元模型如圖1所示。

（2）頻率比的影響

假定索的初始擾動W1（0） = 10-4m，橋面質(zhì)量塊的初始擾動為X（0） = 0.1m，暫不考慮拉索以及橋面阻尼的影響，做出拉索X激勵頻率與拉索頻率在[0.2，3]內(nèi)拉索的跨中振幅變化，如圖2所示，令ωr=ω3/ω2：

分析上圖可以得到，在本文假定條件下：斜拉索主共振振幅峰值發(fā)生在ω3/ω2=1.02處，振幅為3.5627 m亞諧波參數(shù)共振振幅峰值發(fā)生在ω3/ω2=2.083處，振幅為5.8401m。

（3）位移時程分析

橋面質(zhì)量塊的初始擾動為X（0） = 0.1m，拉索初始擾動W1（t）=0.0001m，暫不考慮阻尼，做出拉索X當(dāng)ω3/ω2=1、ω3/ω2=2時的拉索時程響應(yīng)曲線以及橋面時程響應(yīng)曲線如圖3、4所示：

從以上索-橋耦合的時程位移曲線分析可知，存在如下現(xiàn)象：

（1）耦合振動中，在ω3/ω2=1、ω3/ω2=2時，拉索、橋面質(zhì)量塊振幅均呈現(xiàn)出“拍”弦向，且響應(yīng)振幅此消彼長，說明在參數(shù)振動過程中能量在拉索與橋面之間相互轉(zhuǎn)化，若是無阻尼系統(tǒng)應(yīng)符合能量守恒定律;

（2）在索-橋耦合振動中，拉索相對于初始擾動，響應(yīng)振幅較大，但是幅寬較小，橋面相對于初始擾動幅值變化不大。

（3）由上圖可知，雖然不計(jì)算阻尼，但是拉索和橋面的最大振幅同樣會隨時間增加而減小，且拉索幅寬增大。這是由于在索-橋耦合振動中，拉索、橋面能量相互傳遞，且拉索拉索最大位移處對于橋面質(zhì)量塊最小位移處，于是在耦合振動過程中，拉索與橋面質(zhì)量塊最大振幅逐漸減小，最小振幅逐漸增大，能量依舊守恒。

2 優(yōu)化措施

（1）局部優(yōu)化

對于大跨度橋梁、能夠進(jìn)行局部優(yōu)化的方面有很多。如加勁梁的橫截面積、主纜的動力、橋墩及基礎(chǔ)等。首先對加勁梁的橫截面積優(yōu)化的方向很清晰、目前混凝土梁由于諸多明顯的缺點(diǎn)，已基本退出歷史舞臺。故而采用鋼制梁是目前最主流也是最優(yōu)化解。其次是對于主纜的動力，由于斜拉橋的跨度較大，橋梁的橋面較軟，阻尼值也較低，其主要通過纜索進(jìn)行支撐，一旦發(fā)生較大風(fēng)時，容易在主梁與拉索間產(chǎn)生耦合振動，因此優(yōu)化主纜動力不僅能夠提升斜拉橋承重，還能很好的消除橋梁的安全隱患。橋梁的墩臺和基礎(chǔ)對于橋梁的重要性不言而喻。基礎(chǔ)能夠決定橋梁的穩(wěn)定性，也能夠?yàn)樵黾訕蛄菏褂脡勖鸬街陵P(guān)重要的作用。

（2）整體優(yōu)化

相比小跨度橋梁，大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，變量也更多，并且絕大部分都是高次超靜定的結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)的過程中很難對橋梁的信息進(jìn)行全面地掌握。要對大跨度橋梁的整體進(jìn)行優(yōu)化，需要考慮的因素更多。需要設(shè)計(jì)人員盡可能的考慮全面。比如橋梁的整體造價(jià)預(yù)算、預(yù)計(jì)使用年限、施工的可行性、觀賞性等。在預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、是保證橋梁安全和經(jīng)濟(jì)的核心。

（3）上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)初期，通過優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)最大程度上提升橋梁性能。在進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，承載能力、施工工藝的熟練度、高跨比、船只行駛條件等都是都是需要考慮的因素。不僅如此，由于大跨度斜拉橋的非線性條件以及收縮徐變受到的影響加大，還需對索力的受力和位移進(jìn)行優(yōu)化。面對日益增加的車流及裝載量，承載能力是上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要指標(biāo)之一。加大的承載能力的建設(shè)力度，才能保證橋梁具有良好的穩(wěn)定性，進(jìn)而才能使施工工藝得到進(jìn)一步的優(yōu)化。大跨度橋梁通常是建立大水域上方，保證了水上交通便利的同時，不可避免的要考慮到大噸位輪船的通行高度，合理的高跨比也是需要優(yōu)化的點(diǎn)。

（4）橋梁下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的主要是為了滿足上部結(jié)構(gòu)的支撐需求，實(shí)現(xiàn)上下部在外形結(jié)構(gòu)、功能分布上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。下部結(jié)構(gòu)主要考慮的是合適的橋墩高度以及橋墩的類型。具有自重輕、易施工、穩(wěn)定性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的柱式墩應(yīng)用最廣。大跨度斜拉橋考慮通航條件通常會采用高墩的形式，因此要嚴(yán)格計(jì)算其最大承載力和分析其極限值，這將對橋梁整體穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。由于相鄰高墩之間的穩(wěn)定性是相互制約的，設(shè)計(jì)時要選擇其中一個甚至是全橋的高墩進(jìn)行全面的研究分析，如要確定其正常荷載以及臨界條件下的荷載穩(wěn)定性。、

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通行業(yè)在社會經(jīng)濟(jì)中有著不可或缺的作用。這其中，橋梁工程的快速發(fā)展更是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力推手。本文通過對目前常見的大跨度斜拉橋動力特性進(jìn)行了分析，同時有針對性地從局部到整體、從上部到下部綜合全面的提出了橋梁的優(yōu)化措施，希望能為大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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