限位吊索對(duì)雙塔雙跨懸索橋的受力影響

吳 晶

(廣東省交通運(yùn)輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣州 510420)

0 引言

限位吊索為雙塔雙跨懸索橋的特有吊索，位于邊跨靠近錨碇處的吊索，其下端錨固于過(guò)渡墩上，上端與索夾相連。因其直接錨固于過(guò)渡墩上，在恒載作用下，限位吊索的吊索力較其他索力大，甚至超過(guò)塔旁兩側(cè)最長(zhǎng)的吊索。因此，限位吊索對(duì)雙塔雙跨懸索橋的作用不可忽視。本文以西江特大橋?yàn)楸尘埃治鱿尬坏跛鲗?duì)雙塔雙跨懸索橋的靜力及動(dòng)力特性的影響。

1 工程概況

西江特大橋位于廣東省汕(頭)湛(江)高速公路清遠(yuǎn)清新至云浮新興段，項(xiàng)目于2020年1月建成通車。

西江特大橋是主跨為738m的雙塔雙跨懸索橋，跨徑布置為(300m+738m+204m)，其中鋼箱梁長(zhǎng)度為202m+738m。矢跨比為1:9，主纜橫橋向中心間距為31.2m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為15m。主纜采用公稱直徑為φ5.2mm、抗拉強(qiáng)度為1 770MPa的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)度鋼絲。吊索采用公稱直徑為φ5.0mm、抗拉強(qiáng)度為1 770MPa的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)度鋼絲，設(shè)置于北邊跨和中跨，橋塔側(cè)吊索距橋塔中心線水平距離為16.5m，其余吊索水平間距為15m，限位裝置處吊索與相鄰吊索間距為20.5m。鋼箱梁構(gòu)件均采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345D，鋼箱梁全寬34m，梁高3m，頂板寬30m，風(fēng)嘴寬2.2m，平底板寬24.3m，斜底板寬4.85m，風(fēng)嘴外側(cè)設(shè)置寬1.5m的檢修道(供后期檢修使用)。

主塔采用C50混凝土。主塔分北、南兩個(gè)橋塔，橋塔是由塔柱、橫梁組成的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，塔柱為普通鋼筋砼結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。橋塔共有兩個(gè)塔柱，兩道橫梁。橋型布置、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 西江特大橋橋型布置(單位：m)

圖2 西江特大橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

2 有限元分析

為分析限位吊索對(duì)雙塔雙跨懸索橋受力特性的影響，采用有限元軟件MIDAS /CIVIL2015分別建立該橋設(shè)置與不設(shè)置限位吊索的兩種模型，模型中主纜采用只受拉的桁架單元(輔助單元為索單元)、吊索采用桁架單元，主塔和主梁采用梁?jiǎn)卧ＤＰ偷倪吔鐥l件為：主纜與主塔兩端位置采用一般支撐中的固定支座(固結(jié))，主纜與主塔的連接采用剛性連接中的主從節(jié)點(diǎn)連接(剛體)，主梁在北過(guò)渡墩設(shè)置一般支撐中的約束豎向位移(DZ)，主梁與主塔的連接采用彈性連接中的一般連接，其中主梁與北塔的連接只約束橫向位移(SDY)，主梁與南塔塔的連接則約束豎向位移(SDX)。有限元分析模型如圖3所示。

圖3 西江特大橋計(jì)算模型

2.1 靜力計(jì)算結(jié)果

西江特大橋靜力分析主要參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 西江特大橋計(jì)算參數(shù)取值

橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下設(shè)置限位吊索與不設(shè)置限位吊索的主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(其中模型1為設(shè)置限位吊索的模型，模型2為不設(shè)置限位吊索的模型)。對(duì)比表2數(shù)據(jù)可知：

表2 設(shè)計(jì)荷載作用下主要靜力計(jì)算結(jié)果

(1)不設(shè)置限位吊索的邊跨主梁內(nèi)力及變形均比設(shè)置限位吊索的要大，內(nèi)力的差值為17%，撓度的差值為12.6%，撓度最大位置均在跨中。彎矩最大位置則發(fā)生變化，模型1邊跨跨中彎矩在跨中，而模型2邊跨跨中彎矩則在距離邊墩58m的位置。

(2)不設(shè)置限位吊索的塔梁結(jié)合處主梁負(fù)彎矩比設(shè)置限位吊索的要大，內(nèi)力的差值為7.5%。

(3)設(shè)置限位吊索與不設(shè)置限位吊索對(duì)主塔偏位、主塔內(nèi)力、主梁梁端位移及中跨主梁的內(nèi)力和撓度則無(wú)較大影響。

2.2 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

Midas程序提供的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的計(jì)算方法有子空間迭代法、多重Ritz向量法和Lanczos算法。因Lanczos算法在運(yùn)算量和存儲(chǔ)量上有所優(yōu)化，計(jì)算速度更快，因此本次計(jì)算選擇Lanczos算法。兩種不同計(jì)算模型計(jì)算得到的橋梁前9階自振頻率見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

由表3可知，設(shè)置限位吊索主要影響主梁的前三階對(duì)稱豎彎頻率，而對(duì)主梁的反對(duì)稱豎彎、主梁橫向彎曲、主纜的橫向彎曲頻率及主梁第四階之后的對(duì)稱豎彎則無(wú)影響。動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置了限位吊索的對(duì)稱豎彎頻率均比不設(shè)置限位吊索的頻率要略大，可見(jiàn)與不設(shè)置限位吊索相比，設(shè)置限位吊索對(duì)主梁的豎向抗彎剛度提高有限。

3 成橋荷載試驗(yàn)

3.1 靜力試驗(yàn)

該橋成橋靜載試驗(yàn)于2019年11月18日至2019年11月29日之間進(jìn)行，主要依據(jù)的規(guī)范為《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，橋梁結(jié)構(gòu)各主要控制指標(biāo)實(shí)測(cè)值均與設(shè)置限位吊索模型理論計(jì)算值吻合較好。

表4 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

3.2 動(dòng)力試驗(yàn)

為獲得該橋梁的動(dòng)力特性(如固有頻率、振型、阻尼比等)，需對(duì)其進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)。脈動(dòng)試驗(yàn)是指在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振動(dòng)的情況下，通過(guò)布置在橋梁上的振動(dòng)傳感器拾取橋梁由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)激勵(lì)引起的微幅振動(dòng)，經(jīng)低頻放大器將信號(hào)放大后，用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣、分析，以測(cè)定結(jié)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)力特性。

根據(jù)該橋梁結(jié)構(gòu)理論振型的特點(diǎn)，在鋼箱梁主跨16分點(diǎn)、邊跨6分點(diǎn)上下游布置豎向測(cè)點(diǎn)，在相同斷面的下游側(cè)布置水平測(cè)點(diǎn)，在兩個(gè)主塔上各布置了順橋向和橫橋向的水平測(cè)點(diǎn)，在中跨主纜四分點(diǎn)上下游布置橫向測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。實(shí)測(cè)橋梁自振頻率及振型見(jiàn)表5。

圖4 西江特大橋脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

表5 結(jié)構(gòu)部分實(shí)測(cè)模態(tài)與理論模態(tài)對(duì)比

由表5可知，結(jié)構(gòu)前九階實(shí)測(cè)模態(tài)頻率與理論模態(tài)頻率較吻合，說(shuō)明理論模型與橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。

由本次成橋荷載試驗(yàn)靜力及動(dòng)力結(jié)果分析可知，建立限位吊索的理論模型與橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)較吻合。雙塔雙跨懸索橋因其限位吊索的存在，荷載試驗(yàn)本應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注限位吊索的索力增量，但因限位吊索較短，就目前的測(cè)試技術(shù)難以準(zhǔn)確地檢測(cè)吊索的索力，因此本次荷載試驗(yàn)未能對(duì)限位吊索索力增量予以關(guān)注。建議建設(shè)單位在橋梁建設(shè)期間，對(duì)限位吊索安裝一些性能較好的傳感器(如光纖光柵應(yīng)變傳感器等)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)限位吊索的受力情況，從而進(jìn)一步判斷限位吊索的工作狀況。

4 結(jié)論

本文以西江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)限位吊索對(duì)雙塔雙跨懸索橋受力的影響進(jìn)行了分析，并通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)置與不設(shè)置限位吊索對(duì)雙塔雙跨懸索橋靜力分析的主要影響為邊跨彎矩及撓度，對(duì)主塔偏位、主塔內(nèi)力、梁端位移及中跨的內(nèi)力和撓度影響較小。限位吊索的設(shè)置使雙塔雙跨懸索橋的主梁內(nèi)力較平緩，利于結(jié)構(gòu)材料的利用，若不設(shè)置限位吊索，邊跨的內(nèi)力則會(huì)較中跨大。

(2)限位吊索的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力的主要影響為主梁的前三階對(duì)稱豎彎頻率，不影響主梁第四階之后的對(duì)稱豎彎、主梁的反對(duì)稱豎彎、主梁橫向彎曲及主纜的橫向彎曲頻率。設(shè)置限位吊索對(duì)提高主梁的豎向抗彎剛度作用有限。

(3)雙塔雙跨懸索橋成橋荷載試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注限位吊索的索力增量，因現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)難以對(duì)短吊桿索力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，本次靜載試驗(yàn)未對(duì)限位吊索的索力進(jìn)行測(cè)試。建議建設(shè)單位在橋梁建設(shè)過(guò)程中，對(duì)限位吊索安裝一些性能較好的傳感器，做好橋梁運(yùn)營(yíng)期間限位吊索索力的監(jiān)測(cè)。