結(jié)構(gòu)連接對(duì)三塔懸索橋性能的影響線分析

李萬(wàn)恒，王元豐，孫永明，吳寒亮，李鵬飛

(1.北京交通大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,北京100044；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所,北京100088；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150090)

結(jié)構(gòu)連接對(duì)三塔懸索橋性能的影響線分析

李萬(wàn)恒1, 2，王元豐1，孫永明3，吳寒亮2，李鵬飛2

(1.北京交通大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,北京100044；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所,北京100088；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150090)

為研究不同結(jié)構(gòu)連接形式對(duì)三塔懸索橋靜力性能的影響，進(jìn)行了三塔懸索橋靜力影響線分析.以泰州長(zhǎng)江公路大橋?yàn)樵?，考慮了不同的塔梁連接和纜梁連接形式，采用線性化有限位移法對(duì)反映結(jié)構(gòu)性能的三塔懸索橋關(guān)鍵參數(shù)影響線進(jìn)行了計(jì)算，分析了不同纜梁連接和塔梁連接對(duì)三塔懸索橋結(jié)構(gòu)影響線的變化情況.結(jié)果表明：無(wú)中央扣時(shí)，塔梁連接形式對(duì)主梁跨中撓度、橋塔塔頂水平位移、中間塔主纜力差等的影響線無(wú)顯著影響；設(shè)置中央扣時(shí)，影響線跨內(nèi)部分的幅值、鄰跨部分的形狀具有顯著變化，應(yīng)引起重視.綜合不同纜梁連接、塔梁連接下的影響線變化情況，采用柔性中央扣+彈性索的結(jié)構(gòu)連接形式，對(duì)三塔懸索橋主梁豎向變形、中間塔受力狀態(tài)及中間塔鞍座抗滑移均有利.

三塔懸索橋；影響線；塔梁連接；纜梁連接

三塔懸索橋是在傳統(tǒng)雙塔懸索橋基礎(chǔ)上通過(guò)增設(shè)中間塔而發(fā)展起來(lái)的一種新型橋型，雖然從出現(xiàn)到突破千米大關(guān)中間停留了相當(dāng)一段時(shí)間，但目前已建和在建的四座大跨徑三塔懸索橋，即泰州長(zhǎng)江公路大橋(主跨跨徑1 080 m)、馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋(主跨跨徑1 080 m)、鸚鵡洲大橋(主跨跨徑850 m)和甌江北口大橋(主跨跨徑800 m)等，顯示出強(qiáng)大的生命力.多塔連跨懸索橋已成為跨越寬闊水域的解決途徑.

三塔懸索橋是多塔連跨懸索橋的基本型，國(guó)外于20世紀(jì)30年代開(kāi)始了相關(guān)的研究探索.美國(guó)舊金山-奧克蘭海灣大橋方案設(shè)計(jì)時(shí)，曾研究過(guò)主跨1 036 m的三塔懸索橋方案[1].20世紀(jì)中期建成的法國(guó)九堡(Chateauneuf)橋和莫桑比克薩韋(Save)河橋均采用了三塔五跨懸索橋，但跨度較小，主跨分別為59.5 m和210 m[2].1961年建成的日本小鳴門(mén)橋采用三塔四跨懸索橋方案，最大跨度160 m，主纜在中間橋塔頂部斷開(kāi)后分別錨固[3].在中國(guó)，盡管多塔連跨懸索橋的起步較晚，但成績(jī)顯著.已建成的泰州長(zhǎng)江公路大橋(2012年)是世界上首座主跨突破千米的多塔連跨懸索橋[4]，與馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋(2013年)一樣均采用三塔兩跨橋型布置，鸚鵡洲大橋(2014年)是第一座三塔四跨的大跨度懸索橋.在建的甌江北口大橋首次采用了雙層橋面設(shè)計(jì)，用于公路與城市軌道的混合交通.另外，青島海灣大橋、武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋、鄭州黃河四橋和南京長(zhǎng)江四橋等在初步設(shè)計(jì)階段都曾提出過(guò)三塔兩跨懸索橋方案.

從雙塔懸索橋向三塔連跨懸索橋發(fā)展，最主要的結(jié)構(gòu)變化是增加了中間塔.相對(duì)于邊塔，中間塔在縱橋向兩側(cè)均是懸吊橋跨，主纜對(duì)中間塔的約束較弱；與此同時(shí)，懸吊橋跨受到橋塔的縱向支撐也減弱.研究表明[5-6]，中間塔鞍座抗滑移安全性與主梁豎向變形是多塔連跨懸索橋的兩個(gè)關(guān)鍵且相互矛盾的控制因素.借鑒雙塔懸索橋的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合多塔連跨懸索橋的結(jié)構(gòu)特征，選擇適宜的中間塔與主纜連接(塔纜連接)、中間塔與主梁連接(塔梁連接)、主纜與主梁連接(纜梁連接)等結(jié)構(gòu)性連接是解決這兩個(gè)關(guān)鍵因素之間矛盾的主要途徑.

從國(guó)內(nèi)外已建成的實(shí)橋和提出的設(shè)計(jì)方案來(lái)看，三塔懸索橋的結(jié)構(gòu)性連接主要特點(diǎn)包括： 1)在塔纜連接方面，仍延續(xù)了兩塔懸索橋的固定式鞍座型式，主要是考慮到滑動(dòng)式鞍座的制造、安裝、運(yùn)營(yíng)控制及養(yǎng)護(hù)難度較大； 2)在塔梁連接方面，泰州長(zhǎng)江公路大橋采用全漂浮+縱向彈性索，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋采用完全固結(jié)，鸚鵡洲大橋采用連續(xù)簡(jiǎn)支+縱向限位支座，可見(jiàn)上述大跨度的三塔懸索橋采用了完全不同的三種塔梁連接形式； 3)在纜梁連接方面，盡管剛性、柔性中央扣在國(guó)內(nèi)大跨度兩塔懸索橋中均已有應(yīng)用[7]，但在三塔懸索橋并未選用.由此可見(jiàn)，塔梁連接和纜梁連接是三塔懸索橋構(gòu)性連接的主要問(wèn)題.

研究表明[8]，大跨度懸索橋的恒載占到荷載總量的八成以上.成橋后，其他荷載作用(車輛荷載、風(fēng)荷載等)下的結(jié)構(gòu)行為基本表現(xiàn)為線性，即可以采用線性化有限位移法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的影響線，并按影響線進(jìn)行最不利荷載布置和極值計(jì)算.鑒于此，本文以泰州長(zhǎng)江公路大橋?yàn)槔?，考慮不同的塔梁連接和纜梁連接形式，對(duì)反映三塔懸索橋結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵參數(shù)影響線進(jìn)行計(jì)算，分析不同塔梁連接和纜梁連接對(duì)三塔懸索橋結(jié)構(gòu)影響線的變化情況.

1 基本參數(shù)與分析模型

1.1 工程背景

泰州長(zhǎng)江公路大橋?yàn)槿煽鐟宜鳂?，橋跨布置?90 m+2×1 080 m+390 m，如圖1所示.主纜垂跨比為1/9，采用預(yù)制平行鋼絲索股，每根主纜由169根索股組成.吊索采用預(yù)制平行鋼絲束，間距布置為20 m+65×16 m+20 m.主梁采用全焊扁平流線形封閉鋼箱梁結(jié)構(gòu)，單箱三室，全寬為39.1 m.兩個(gè)邊塔為具有兩道橫梁的混凝土門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，塔柱頂高程180.0 m，塔柱底高程4.3 m，塔柱和橫梁均為箱形截面.中間塔采用鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)兩道橫梁，塔柱呈人字型，斜腿段傾斜度為1∶4，塔柱頂高程203.0 m，塔柱底高程8.5 m，塔柱和橫梁均為焊接鋼箱梁.

泰州長(zhǎng)江公路大橋的中間塔與主梁之間僅設(shè)置橫向抗風(fēng)支座和縱向具有限位功能的彈性索，不設(shè)豎向支座.邊塔處主梁設(shè)豎向支座、縱向滑動(dòng)支座和橫向抗風(fēng)支座.主纜與主梁之間無(wú)中央扣.

圖1 泰州長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)布置圖(m)Fig.1 Scheme of the Taizhou Yangtze river bridge(m)

1.2 結(jié)構(gòu)連接參數(shù)設(shè)置

研究中，塔梁連接考慮單跨簡(jiǎn)支、彈性索、固結(jié)、連續(xù)簡(jiǎn)支和漂浮等5種型式.其中彈性索按照泰州長(zhǎng)江公路大橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，長(zhǎng)度為13.32 m，預(yù)緊力為150 t.

纜梁連接考慮無(wú)中央扣、剛性中央扣和柔性中央扣等3種型式.其中，剛性中央扣參考潤(rùn)揚(yáng)大橋(主跨跨徑1 490 m)的設(shè)置參數(shù)，截面為0.6 m×0.6 m矩形鋼管，壁厚0.035 m[9]；柔性中央扣參考?jí)瘟旰哟髽?主跨跨徑1 088 m)的設(shè)置參數(shù)，截面為直徑0.3 m鋼索[10].

1.3 分析模型

采用ABAQUS軟件建立空間有限元模型.采用脊骨梁型式，主塔和主梁均為空間梁?jiǎn)卧骼|、吊索均采用懸鏈線單元，彈性索采用受拉桁架單元.分析模型如圖2所示.在成橋狀態(tài)下，采用1 kN豎向集中力作用在主梁上，沿縱向移動(dòng)，以此求得結(jié)構(gòu)影響線.

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element model for the three-pylon suspension bridge

1.4 影響線計(jì)算與分析

研究表明[11]：主梁彎矩影響線和吊索索力影響線的作用范圍與主跨相比很小，對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為影響很?。粯蛩讖澗赜绊懢€與相應(yīng)的塔頂水平位移影響線形狀一致.因此，本文研究中主要提取了能反映三塔懸索橋整體結(jié)構(gòu)性能的影響線參數(shù)：主梁位移影響線，用于研究主梁撓度；橋塔塔頂水平位移影響線，用于探討橋塔工作性能；中間塔鞍座兩側(cè)主纜力差影響線，用于分析鞍座抗滑移安全性等.

2 主梁位移影響線

大跨度懸索橋成橋后，在車輛荷載作用下，主梁產(chǎn)生顯著豎向變形和彎矩.由于主梁通常采用鋼箱梁型式，其彎曲應(yīng)力易于滿足，因而主梁豎向變形成為大跨度懸索橋的關(guān)鍵控制指標(biāo)之一.在三塔懸索橋中，纜梁連接與塔梁連接分別增強(qiáng)了主纜與主梁、橋塔與主梁的共同工作性能，且具有多種組合形式.通過(guò)分析不同組合下的主梁豎向位移影響線的變化，可以研究主梁撓度受纜梁連接和塔梁連接影響的敏感性，進(jìn)而為主梁豎向變形控制提供方案參考.不同纜梁連接情況下主梁跨中撓度影響線如圖3所示.其中，影響線橫坐標(biāo)為主梁上加載位置，以中間塔位置為零點(diǎn)，左負(fù)右正；豎向坐標(biāo)以向上為正、向下為負(fù).從圖3可見(jiàn)：

1)當(dāng)無(wú)中央扣時(shí)，對(duì)于5種塔梁連接形式，主梁跨中撓度影響線的形狀和幅值均非常接近.

2)當(dāng)設(shè)置剛性中央扣時(shí)，塔梁連接為漂浮的主梁跨中撓度影響線未有顯著變化，僅在跨內(nèi)部分的最大幅值增加7%；其它4種塔梁連接形式下，跨內(nèi)部分影響線的幅值減小9%～14%，鄰跨遠(yuǎn)離中間塔部分的影響線形狀變化顯著，幅值由正變負(fù).

3)當(dāng)設(shè)置柔性中央扣時(shí)，塔梁連接為彈性索的主梁跨中撓度影響線未有顯著變化；采用單跨簡(jiǎn)支型式時(shí)，跨內(nèi)部分影響線靠近邊塔附近由負(fù)變正，鄰跨靠近中間塔部分的影響線由正變負(fù)；采用固結(jié)或連續(xù)簡(jiǎn)支型式時(shí)，鄰跨遠(yuǎn)離中間塔部分的影響線形狀變化顯著，幅值由正變負(fù)；采用漂浮型式時(shí)，跨內(nèi)部分影響線的幅值增大14%，鄰跨部分影響線的形狀顯著變化，靠近中間塔的影響線幅值由正變負(fù).

4)比較不同纜梁連接、塔梁連接下影響線幅值的正負(fù)情況可見(jiàn)，當(dāng)無(wú)中央扣或柔性中央扣+彈性索的組合形式時(shí)，影響線正值區(qū)域較大、負(fù)值區(qū)域亦較小，對(duì)于減小主梁豎向變形有利.

圖3 主梁1/2跨位置撓度影響線Fig.3 Influence line of deflection at middle point for girder

3 橋塔位移影響線

三塔懸索橋中間塔的受力模式為懸臂構(gòu)件，塔頂水平位移是中間塔工作狀態(tài)的最直觀參數(shù).運(yùn)營(yíng)中，懸吊橋跨的車輛荷載通過(guò)主纜、主梁傳遞至中間塔，不同纜梁連接和塔梁連接使得主纜和主梁的傳力分配情況發(fā)生變化，影響橋塔的工作狀態(tài).不同纜梁連接情況下邊塔和中間塔的塔頂水平位移影響線如圖4和5所示.其中，影響線橫坐標(biāo)為主梁上加載位置，以中間塔位置為零點(diǎn)，左負(fù)右正；塔頂水平位移影響線以左偏為正、右偏為負(fù).從圖4可見(jiàn)：

1)當(dāng)無(wú)中央扣時(shí)，不同塔梁連接的邊塔塔頂水平位移影響線差別較小.

2)當(dāng)設(shè)置剛性中央扣時(shí)，對(duì)于塔梁連接為固結(jié)型式的邊塔塔頂水平位移影響線，跨內(nèi)部分影響線未有明顯變化，但鄰跨部分靠近中間塔的影響線幅值由正變負(fù)；對(duì)于其他4種塔梁連接形式，跨內(nèi)部分影響線增大38%～49%，鄰跨部分靠近中間塔的影響線由正變負(fù).

3)當(dāng)設(shè)置柔性中央扣時(shí)，對(duì)于塔梁連接為彈性索、連續(xù)簡(jiǎn)支和漂浮的邊塔塔頂水平位移影響線，跨內(nèi)部分影響線幅值減小2%～15%，鄰跨部分影響線幅值由正變負(fù)；采用單跨簡(jiǎn)支和固結(jié)型式時(shí)，鄰跨部分的影響線幅值由正變負(fù).

4)比較不同纜梁連接、塔梁連接下影響線幅值可見(jiàn)，當(dāng)無(wú)中央扣或柔性中央扣+彈性索時(shí)，影響線幅值整體較小，對(duì)于減小邊塔的受力有利.

圖4 邊塔塔頂水平位移影響線Fig.4 Influence line of horizontal displacement at top of side pylon

從圖5可見(jiàn)：

1)當(dāng)無(wú)中央扣時(shí)，不同塔梁連接型的中塔塔頂水平位移影響線差別較小.

2)當(dāng)設(shè)置剛性中央扣時(shí)，塔梁連接形式為漂浮型式的中間塔塔頂水平位移影響線無(wú)明顯變化；其余4種型號(hào)的影響線仍然很相近，但幅度減小24%～33%.

3)當(dāng)設(shè)置柔性中央扣時(shí)，漂浮型式的中間塔塔頂水平位移影響線無(wú)明顯變化；彈性索型式的塔頂水平位移影響線幅值減小2%，其余3種的影響線幅值減小23%～27%.

4)比較不同纜梁連接、塔梁連接下影響線幅值可見(jiàn)，當(dāng)設(shè)置剛性中央扣時(shí)，除飄浮體系外，其他4種塔梁連接形式的影響線幅值整體較小；當(dāng)設(shè)置柔性中央扣時(shí)，單跨簡(jiǎn)支、固支及連續(xù)簡(jiǎn)支等3種塔梁連接形式的影響線幅值整體均較?。簧鲜鼋M成形式均對(duì)于減小中間塔的受力有利.

4 中間塔塔頂主纜力差影響線

中間塔鞍座抗滑移是三塔懸索橋的關(guān)鍵控制指標(biāo)之一,取決于中間塔塔頂兩側(cè)主纜纜力差.不同纜梁連接情況下中間塔的塔頂主纜力影響線如圖6所示.其中，影響線橫坐標(biāo)為主梁上加載位置，以中間塔位置為零點(diǎn)，左負(fù)右正；塔頂主纜力差影響線以左側(cè)主纜力大為正、右側(cè)主纜大為負(fù).從圖6可見(jiàn)：

1)當(dāng)無(wú)中央扣時(shí)，各種纜梁連接情況下的中間塔塔頂主纜力差影響線較為接近.

2)當(dāng)設(shè)置剛性中央扣時(shí)，除漂浮體系外，其它4種纜梁連接形式的中間塔主纜力差影響線有所減小，幅度為18%～35%.

3)當(dāng)設(shè)置柔性中央扣時(shí)，中間塔主纜力差影響線與設(shè)置剛性中央扣時(shí)相似，即除飄浮體系外，其它4種纜梁連接形式的中間塔主纜力差影響線有所減小，幅度為17%～27%.

4)比較不同纜梁連接、塔梁連接下影響線幅值可見(jiàn)，在剛性中央扣+固支、柔性中央扣+固支情況下，影響線幅值整體均最小，對(duì)于中間塔鞍座抗滑移有利.

圖6 中間塔塔頂主纜力差位移影響線Fig.6 Influence line of unbalanced force displacement of main cable at top of middle pylon

5 結(jié) 論

1)無(wú)中央扣時(shí)，塔梁連接形式對(duì)主梁跨中撓度、橋塔塔頂水平位移、中間塔主纜力差等的影響線無(wú)顯著影響.

2)設(shè)置中央扣對(duì)鄰跨影響線的形狀影響顯著，尤其對(duì)于主梁跨中撓度和邊塔塔頂水平位移影響線.中央扣使得影響線的幅值正負(fù)發(fā)生改變，進(jìn)而影響主梁變形和邊塔受力的最不利荷載分布和極值大小.

3)設(shè)置中央扣對(duì)跨內(nèi)影響線的幅值影響顯著，尤其當(dāng)采用剛性中央扣時(shí)，除塔梁連接采用固結(jié)型式外，邊塔塔頂水平位移影響線的增幅較大，應(yīng)引起重視.

4)綜合不同纜梁連接、塔梁連接下的影響線變化情況，采用柔性中央扣+彈性索的結(jié)構(gòu)連接形式，對(duì)于三塔懸索橋主梁豎向變形、中間塔受力狀態(tài)及中間塔鞍座抗滑移有利.

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Effect of structural connections on three-pylon suspension bridges based on analyzing influence lines

LI Wanheng1,2, WANG Yuanfeng1, SUN Yongming3,WU Hanliang2, LI Pengfei2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Bridge Technology Research Centre, Research Institute of Highway, Beijing 100088, China; 3.School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

In order to study the effect of structural connections on static performance, influence lines of three-pylon suspension bridges were analyzed. The Taizhou Yangtze highway bridge was a prototype, and its influence lines of structural response were calculated by limited displacement method, considering different cable-girder connections and pylon-girder connections. The effect of structural connections on the influence lines was also researched. The results show that, when center buckles were not assembled in three-pylon suspension bridges, the change of pylon-girder connections had an unobvious effect on the influence lines, including middle-span deflection of the girder, horizontal displacement at the top of pylons, and different value of main cable sided on the middle saddle. Also, when center buckles were assembled, the influence lines were changed remarkably, especially to amplitude in the part of local span, and to the shape in the part of adjacent span. Based on the variation of influence lines, the recommended structural connection for three-pylon suspension bridges was the rigid center buckle coupled with elastic stringer.

three-pylon suspension bridge; influence line; pylon-girder connection; cable-girder connection

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.027

2016-11-29

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAG15B01)

李萬(wàn)恒(1972—)，男，博士研究生; 王元豐(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

李萬(wàn)恒，wh.li@rioh.cn

TU318.1

A

0367-6234(2017)02-0170-05