主纜剛度對大跨懸索橋梁靜力特性的影響分析

賴可

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

由于懸索橋具有成本較低、造型美觀、跨度較大、堅(jiān)固耐用等優(yōu)勢，故在我國大跨度橋梁工程建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。據(jù)相關(guān)研究表明，懸索橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與橋梁安全息息相關(guān)，而如何保證懸索橋結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定一直是現(xiàn)階段橋梁設(shè)計(jì)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)課題[3-4]。考慮到主纜是懸索橋梁中主要的受力構(gòu)件之一，其剛度的設(shè)計(jì)對橋梁整體穩(wěn)定至關(guān)重要，近年來國內(nèi)外橋梁研究者雖在大跨懸索橋方面展開了不少研究，但少有關(guān)注主纜剛度對懸索橋靜力特性影響方面的研究[5-6]。基于此，本文以某大跨地錨式懸索橋工程為研究背景，通過采用MIDAS/CIVIL有限元軟件建立實(shí)橋數(shù)值模型，針對不同主纜剛度下的懸索橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性分析，研究結(jié)果可為同類橋梁的設(shè)計(jì)工作提供參考與借鑒。

1 工程背景

某大跨地錨式懸索橋總長為1386m，包括主跨橋和南北引橋，其中主跨橋梁長度為630m，主跨矢跨比為1/9.5，南北引橋長度分別為550m、180m，橋梁立面布置大致如圖1所示。該橋加勁梁采用鋼箱梁，梁高為3m，橋面板采用正交異形橋面板，全橋共2根主纜，纜間間距為32m，吊索采用高強(qiáng)鋼絲，相鄰吊索間距均為11m，主塔中心距臨近吊索15m。

圖1 懸索橋立面示意

2 有限元模型建立

本文采用MIDAS/CIVIL軟件建立懸索橋的有限元計(jì)算模型，具體模型如圖2所示。模型中主梁、主塔均采用梁單元模擬，而主纜和吊桿則均采用只受拉索單元模擬，全橋共劃分為528個(gè)節(jié)點(diǎn)與386個(gè)單元，其中包括226個(gè)梁單元和160個(gè)只受拉索單元。計(jì)算模型中主纜錨固端和主塔塔底均設(shè)置為固結(jié)，主梁順橋和豎橋向分別設(shè)置為平動、約束，主梁與主塔下橫梁處采用主從節(jié)點(diǎn)連接。計(jì)算荷載設(shè)計(jì)為：活載考慮人群荷載2.5kN/m2+公路1級車道荷載（即10.5kN/m2均布荷載+360kN/m2集中荷載）。該橋鋼箱梁采用Q345qD鋼材，主塔混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為C50，主纜采用強(qiáng)度達(dá)1760MPa的高強(qiáng)鋼絲，計(jì)算時(shí)各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

圖2 懸索橋有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

主纜結(jié)構(gòu)是大跨地錨式懸索橋梁中最為主要的受力構(gòu)件之一，其剛度設(shè)計(jì)決定著橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。由于主纜剛度與自身的彈性模量E呈線性關(guān)系，本研究基于單一變量原則，僅將模型中主纜彈性模量E視為控制變量，而保持其他材料參數(shù)不變，擬定了0.7E、0.9E、1E、1.1E、1.3E五種主纜剛度，系統(tǒng)考察了主纜剛度對大跨懸索橋靜力特性的影響規(guī)律。

3.1 主纜剛度對主纜跨中位移與加勁梁跨中彎矩的影響分析

通過對活載作用下懸索橋主纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性分析，得出不同主纜剛度情形下，主纜跨中截面處位移和加勁梁跨中截面處彎矩的變化曲線，如圖3所示。

圖3 主纜位移與加勁梁彎矩變化曲線

根據(jù)圖3可知，懸索橋主纜跨中的豎向位移隨著主纜剛度的增大呈逐漸減小變化趨勢，當(dāng)主纜剛度從0.7E增至1.3E時(shí)，主纜位移整體減小了24.3%；隨著主纜剛度的增大，加勁梁跨中彎矩呈逐漸減小變化趨勢，其中當(dāng)主纜剛度由0.7E增至1E時(shí)，加勁梁彎矩減幅表現(xiàn)較為明顯，而當(dāng)主纜剛度繼續(xù)增至1.3E時(shí)，加勁梁彎矩減幅則出現(xiàn)一定程度的減緩。說明適當(dāng)增大主纜剛度不僅有利于抑制主纜結(jié)構(gòu)下?lián)希€能有效改善加勁梁的受力。

3.2 主纜剛度對主纜軸力與應(yīng)力的影響分析

通過對不同主纜剛度的主纜結(jié)構(gòu)展開靜力有限元分析，得到活載作用下主纜的軸力及最大應(yīng)力變化曲線，如圖4所示。

圖4 主纜的軸力、應(yīng)力變化曲線

由圖4可知，隨著主纜剛度的增大，主纜不同截面處的軸力均呈逐漸增大變化趨勢，其中主纜南塔邊中跨側(cè)兩截面處的軸力增幅較為接近，而主纜跨中和中跨1/4L兩截面處的軸力增幅也同樣較為接近。主纜最大應(yīng)力隨著主纜剛度的增大呈先減小后增大變化，但整體變幅較微，說明主纜剛度變化對主纜應(yīng)力的影響并不明顯。

3.3 主纜剛度對吊桿軸力與應(yīng)力的影響分析

通過對活載作用下懸索橋吊桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得到不同主纜剛度對吊桿軸力與應(yīng)力的影響規(guī)律，如圖5所示。

圖5 吊桿的軸力、應(yīng)力變化曲線

如圖5所示，隨著主纜剛度的增大，吊桿不同截面處的軸力均呈逐漸增大變化趨勢，其中當(dāng)主纜剛度由0.7E增至0.9E時(shí)，各截面處的軸力增幅都表現(xiàn)較為明顯，而當(dāng)纜剛度由0.9E增至1.3E時(shí)，吊桿的軸力增幅表現(xiàn)較為平緩。隨著主纜剛度的增大，吊桿最大應(yīng)力呈先減小后增大變化，但應(yīng)力整體變幅較微，說明改變主纜剛度對吊桿應(yīng)力的影響不明顯。

4 結(jié)束語

隨著主纜剛度的增大，懸索橋主纜豎向位移和加勁梁彎矩均呈逐漸減小變化，適當(dāng)增大主纜剛度有利于控制主纜下?lián)希€能改善加勁梁受力。主纜和吊桿各截面處的軸力均隨著主纜剛度的增大呈逐漸增大變化，而其最大應(yīng)力則隨之呈先減小后增大變化，主纜剛度對主纜、吊桿應(yīng)力的影響并不明顯。