三塔四垮結合梁懸索橋靜力分析研究

聶俊青，傅國寧

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310014）

三塔四垮結合梁懸索橋靜力分析研究

聶俊青，傅國寧

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310014）

利用大型有限元軟件Midas Civil建立三塔四垮結合梁懸索橋有限元模型，其中主梁為雙主梁模型，主梁和橋塔采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，主纜和吊索采用只受拉索單元模擬。在此基礎上對模型進行有限元分析，分別對三塔四跨懸索橋主纜、吊索、橋塔、加勁梁等主要構件在不同荷載工況下的力學行為進行分析，探明三塔四跨懸索橋關鍵部位的應力和撓度分布規(guī)律。結果表明，各項力學指標的計算分析結果符合規(guī)范要求，對指導橋梁設計和施工具有理論意義和工程應用價值。

三塔四垮懸索橋；有限元；靜力分析

0　引　言

近年來，隨著我國交通運輸工具數(shù)量的不斷增加，為滿足日益增加的交通流量，公路橋梁建設的力度大幅增加[1]。多塔懸索橋是橋梁實現(xiàn)超長和超大跨完美結合的最佳橋型。迄今為止，各國學者提出了眾多的跨江海多塔懸索橋方案，如美國舊金山-奧克蘭西海灣橋的三塔四跨懸索橋，意大利墨西哥海峽的雙主跨三塔四跨懸索橋，直布羅陀海峽規(guī)劃中的多塔懸索橋，第二英法海峽跨越工程提出的三塔四跨懸索橋等。我國在瓊州海峽跨海大橋、青島海灣大橋、陽邏長江大橋、河南中原黃河公路大橋、南京長江四橋、及螺洲大橋等工程設計中都采用了多塔懸索橋方案。由此可見，多塔懸索橋在大跨橋梁結構中具有很強的競爭優(yōu)勢，隨著我國交通基礎設施事業(yè)的不斷發(fā)展，未來我國將建造更多、更大跨徑的多塔懸索橋[2-3]。

三塔懸索橋是由加勁梁、纜索系統(tǒng)和塔三個主要部分組成，是在兩塔懸索橋主跨的中部增設一座主塔，以減輕主纜和兩端錨碇受力的全新結構形式，中主塔在縱向只是一個通過鞍座支承主纜，見圖1。

與兩塔懸索橋相比，雖然都以懸索為主要承重結構，但因為多了一個中塔和一個主跨，三塔懸索橋結構受力特征顯然不同[4]。由于中塔在縱向只是通過一個鞍座支承主纜，其受到的主纜縱向約束較邊塔弱得多，并因此導致結構的整體剛度下降。其中主纜和吊索起著塔與橋面主梁的聯(lián)系與支承作用，是橋梁結構中非常重要的受力構件，承受了結構中的絕大部分載荷。此外，在國內外的懸索橋發(fā)展過程中，大跨度的懸索橋多采用鋼箱梁或鋼桁梁的形式，采用結合梁的形式作為加勁梁實屬少見。研究橋梁在設計荷載下的力學性能對指導橋梁的設計和施工具有重大理論意義和工程實用價值。

圖1　三塔懸索橋總體布置圖

1　工程概況

本研究中的三塔四垮懸索橋跨度布置為200 m+ 2×850 m+200 m＝2 100 m三塔四跨結合梁懸索橋，主梁采用鋼混凝土結合梁，主梁中心線處梁高2.623 m，其中鋼梁梁高2.423 m，混凝土橋面板厚為0.2 m。主梁標準節(jié)段長15 m，吊索橫向中心距為36 m，兩片鋼主梁中心距為31.2 m，鋼主梁外側設置風嘴，吊索錨點設在主梁外側的風嘴上。主梁標準節(jié)段沿橋縱向每隔3m設置一道橫梁，端部特殊節(jié)段橫梁間距2～3 m。標準橫梁為I形斷面，頂面橋梁中心向兩側設2%橫坡。橫梁跨中處梁高2.735 m。橋梁為雙向8車道，總體布置見圖2。

圖2　三塔四垮懸索橋總體布置圖（單位：mm）

鋼梁采用q370QD，由主梁、橫梁和風嘴組成。兩片邊主梁橫向間距31.2 m。邊主梁斷面均為工字型斷面，腹板兩側布置有縱向加勁肋和水平加勁肋。鋼梁斷面全高2.423 m。上緣板為720 mm× 24 mm，其中橫橋向一側邊緣112 mm寬度為變厚段，板厚由24 mm按1∶8坡度變化到10 mm，以便與風嘴焊連，見圖3。

圖3　主橋鋼梁結構圖

主纜采用直徑為5.25 mm的鍍鋅高強鋼絲制作，鋼絲的公稱抗拉強度為1 770 MPa，采用預制平行鋼絲束股法(PWS)架設，每根預制束股由127根鋼絲制作成菱形，形狀見圖4，共需預制絲股114束，這樣每根主纜的鋼絲總數(shù)為14 478根，主纜索夾外的空隙率為20%，索夾內的空隙率為18%，主纜索夾外的直徑為706 mm，索夾內的直徑為697 mm，單纜面積為3 134 cm2。

圖4　主纜結構圖

吊索采用直徑5 mm鍍鋅高強平行鋼絲制作，每根普通吊索的鋼絲數(shù)為151根，普通吊索外設1.3 cm厚的PE保護層，每根特殊吊索的鋼絲數(shù)為211根，特殊吊索外設1.7 cm厚的PE保護層，見圖5，特殊吊索設置在邊塔兩側和邊跨端部，吊索沿橋梁縱向的布置為11×15 m+20 m+20 m+54× 15 m+20 m。

圖5　吊索結構圖

2　三塔四垮懸索橋有限元模型

本研究使用橋梁結構大型分析計算軟件Midas Civil建立其有限元模型，過程中主梁為雙主梁模型，主梁和橋塔采用梁單元進行模擬，橋面板采用板單元模擬，懸索與主纜采用只受拉索單元進行模擬，部分變截面根據實際情況進行簡化。全橋建模是按照鋼主梁—橫梁—混凝土橋面板—中塔—邊塔—吊索—主纜的順序進行。全橋共6 384個單元，全橋的空間桿系結構計算模型見圖6。

圖6　空間桿系結構離散計算模型

邊界條件如下：

（1）邊塔處主梁與主塔下橫梁間采用主從約束，通過主從豎向、橫向及扭轉自由度，來模擬豎向支座、橫向支座及上下游豎向支座對主梁扭轉的約束作用；

（2）中塔處主梁與主塔下橫梁間采用主從約束，通過主從豎向、縱向、橫向及扭轉自由度，來模擬豎向支座、縱向支座、橫向支座及上下游豎向支座對主梁扭轉的約束作用；

（3）邊墩處約束主梁的縱向、豎向、橫向及扭轉位移；

（4）主纜與橋塔頂固結約束；

（5）主塔塔底固結約束；

（6）主纜錨固處固結約束，散索處采用傾斜約束來模擬散索鞍座對主纜的支承作用。

設計荷載：

（1）恒載。恒載包括一期恒載和二期恒載。一期恒載為構件自重，結合梁一期恒載為283.8 kN/m；二期恒載包括橋面鋪裝、護欄，橋面鋪裝及護欄荷載取用59.02 kN/m。

（2）汽車荷載。按雙向8車道進行計算，荷載為公路—I級車道荷載，考慮橫向偏載效應，偏心距為1.075 m，計入橫向折減系數(shù)0.50及縱向折減系數(shù)0.94。汽車制動力按《公路橋涵設計通用規(guī)范》第4.3.6條規(guī)定取值。

（3）溫度荷載。A、鋼構件體系升溫為+30℃，體系降溫取-40℃；混凝土構件體系升溫為+17℃，降溫取-20℃。B、主纜、鋼加勁梁與混凝土橋塔間的溫差取±15℃。

（4）基礎沉降。中塔墩4 cm，邊塔墩6 cm，邊墩2 cm；錨碇水平位移8 cm[5，6]。

3　有限元計算結果

（1）結構剛度

在汽車活載作用下的結構主要變形值見表1。

表1結構變形表

汽車活載作用下，主梁活載撓度包絡圖見圖7。

圖7　汽車活載作用下主梁撓度包絡圖（單位：m）

由圖7可以看出，在汽車活載作用下，主梁的最大下?lián)蠟?.222 m，相應撓跨比為2.222/850= 1/383，滿足主梁的豎向剛度要求。

在橫向無車極限靜風荷載作用下，主梁跨中最大橫向撓度為0.826 m，相應撓跨比為0.826/850= 1/1 029，滿足主梁的橫向剛度要求。

（2）支承反力

根據計算結果，主梁豎向支承反力、中塔塔底反力、邊塔塔底反力、錨碇散索處反力見表2～表5。

表2　主梁豎向支承反力表　kN

表3　中塔塔底反力表

表4　邊塔塔底反力表

表5　錨碇散索處反力表

（3）恒載+活載作用下主梁內力及應力

恒載+汽車荷載作用下，主梁組合截面、鋼梁截面、混凝土板截面彎矩包絡圖及相應軸力包絡圖見圖8～圖13；鋼梁截面、混凝土板截面應力包絡圖見圖14～圖17。其中，彎矩以截面上緣受拉為正，軸力以截面受壓為正，應力以壓應力為正。

圖8　恒載+汽車活載作用下主梁組合截面彎矩包絡圖

圖9　恒載+汽車活載作用下主梁組合截面軸力包絡圖

圖10　恒載+汽車活載作用下鋼梁截面彎矩包絡圖

圖11　恒載+汽車活載作用下鋼梁截面軸力包絡圖

圖12　恒載+汽車活載作用下混凝土板截面彎矩包絡圖

圖13　恒載+汽車活載作用下混凝土板截面軸力包絡圖

圖14　恒載+汽車活載作用下鋼梁截面上緣應力包絡圖

圖15　恒載+汽車活載作用下鋼梁截面下緣應力包絡圖

圖16　恒載+汽車活載作用下混凝土板截面上緣應力包絡圖

圖17　恒載+汽車活載作用下混凝土板截面下緣應力包絡圖

（4）主纜內力及應力

主纜成橋狀態(tài)下的軸力及應力見圖18、圖19。

圖18　成橋狀態(tài)主纜軸力圖（單位：kN）

圖19　成橋狀態(tài)主纜應力圖（單位：MPa）

由圖18、圖19可知，恒載狀態(tài)下主纜最大軸力為218 748.6 kN，最大應力為739.60 MPa。

恒載+汽車活載+體系降溫組合作用下主纜內力及應力見圖20、圖21。

圖20　恒載+汽車活載+體系降溫下主纜軸力包絡圖（單位：kN）

圖21　恒載+汽車活載+體系降溫下主纜應力包絡圖（單位：MPa）

由圖20、圖21可知，恒載+汽車活載+體系降溫組合作用下主纜最大軸力為242 917.3 kN，最大應力為821.33 MPa。

（5）吊索內力及應力

成橋狀態(tài)吊索軸力及應力見圖22、圖23。

圖22　成橋狀態(tài)吊索軸力圖（單位：kN）

圖23　成橋狀態(tài)吊索應力圖（單位：MPa）

由圖22、圖23可知，恒載狀態(tài)下吊索最大軸力為2841.6 kN，最大應力為448.70 MPa。

恒載+汽車活載+體系降溫組合作用下吊索內力及應力見圖24、圖25。

圖24　恒載+汽車活載+體系降溫下吊索軸力包絡圖（單位：kN）

圖25　恒載+汽車活載+體系降溫下吊索應力包絡圖（單位：MPa）

由圖24、圖25可知，恒載+汽車活載+體系降溫組合作用下吊索最大軸力為3 672.4 kN，最大應力為5 36.13 MPa。

（6）中塔頂鞍座內主纜絲股抗滑移驗算

對于三塔四跨懸吊懸索橋而言，在不對稱加載工況（相鄰一個邊跨和一個主跨滿布8車道公路—Ⅰ級車道荷載，此加載工況包含于恒載＋汽車活載組合作用中）下，中主鞍座兩側主纜纜力差最大，中塔鞍座內主纜絲股的抗滑移安全最為不利，檢算結果如下：

主纜緊邊拉力：Fct=225 779.96 kN

主纜松邊拉力：Fcl=211 140.48 kN

主纜包角：αs=2×24.491 8°=0.854 9

摩阻系數(shù)：μ=0.20

中塔鞍座鞍槽內索股抗滑安全度：

滿足鞍槽內主纜絲股抗滑移的安全要求。

4　結　論

（1）采用有限元軟件MIDAS建立了三塔四垮懸索橋全橋有限元模型，根據橋梁設計荷載對橋梁上部結構進行靜力驗算，在不同的荷載工況下，主梁組合截面的彎矩及軸力在合理的范圍之內，滿足設計要求，同時鋼梁與混凝土板各自的彎矩以及軸力均滿足強度要求。

（2）得到了在成橋狀態(tài)以及運營狀態(tài)最不利荷載下，主纜、吊索、邊塔、主塔的最大彎矩、軸力、應力及它們出現(xiàn)的位置，均滿足設計要求。

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U441

B

1009-7716（2016）04-0068-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.022

2015-12-31

聶俊青（1984-），女，湖北武漢人，工程師，從事橋梁設計工作。