趙 浩

0 引言

斜拉橋以其造型美觀、跨越能力強(qiáng)、跨徑布置靈活、施工干擾少、力學(xué)性能好、材料費(fèi)用較低、剛度較好、抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，成為一種最為常用的結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著新材料的開(kāi)發(fā)，電子計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，施工技術(shù)的進(jìn)步，斜拉橋不斷向大跨徑、更輕巧方向發(fā)展。被稱(chēng)為世界第一高橋的法國(guó)塔恩河河谷Millau高架橋，其大橋斜拉索高處高出地面1 125 ft，2008年興建的雙向三線高架斜拉橋中國(guó)香港昂船洲大橋，主跨1 018 m，同年興建的雙塔斜拉橋蘇通長(zhǎng)江大橋，主跨1 088 m。

1 大跨度斜拉橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

斜拉橋是一種將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的橋梁，其結(jié)構(gòu)體系由承壓的索塔、受拉力的斜拉索、承彎的主梁組成，可以看作是用拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。作為一種拉索體系，斜拉橋比梁式橋具有更大的跨越能力，是大跨度橋梁最主要的橋型。目前所采用的索塔形式有A形、倒Y形、H形、獨(dú)柱幾種，主梁一般采用混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，索塔大多采用混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索采用高強(qiáng)材料，如高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線制成。斜拉橋的主要荷載并非橋梁上面的汽車(chē)和火車(chē)，而是其自重，主要是主梁。其荷載傳遞途徑主要是利用錨固在主梁和索塔上的斜拉索，將主梁的恒載和車(chē)輛荷載傳遞至索塔，再通過(guò)索塔傳遞至地基。這種斜向產(chǎn)生的巨大的水平分力依靠塔的自錨固體系得以平衡，使斜拉索承受巨大的拉力，塔梁承受巨大的壓力，充分發(fā)揮鋼材受拉和混凝土受壓的特性，大幅度增加橋梁的跨越能力，降低了主梁的彎矩值。

2 大跨度斜拉橋梁結(jié)構(gòu)空間受力特性

斜拉橋是塔、梁、拉索三種基本構(gòu)件組成的橋梁結(jié)構(gòu)體系，通常表現(xiàn)為柔性受力特性，同連續(xù)梁和桁架梁結(jié)構(gòu)相比，受幾何非線性影響比較突出，特別是對(duì)大跨度斜拉橋來(lái)說(shuō)，由于斜拉索較長(zhǎng)，會(huì)因自重產(chǎn)生較大的垂度，其伸長(zhǎng)量與索內(nèi)拉力并不成正比關(guān)系。當(dāng)荷載作用于斜拉橋結(jié)構(gòu)某節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)將發(fā)生位移，而荷載也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這種位移使荷載對(duì)節(jié)點(diǎn)相連接的桿件作用方向發(fā)生改變的同時(shí)，還改變了荷載對(duì)結(jié)構(gòu)上其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩?？偟恼f(shuō)來(lái)，這種幾何非線性靜力特性來(lái)源于三個(gè)方面:斜拉索垂度效應(yīng)、軸力與彎矩耦合產(chǎn)生的梁—柱效應(yīng)、大變形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)幾何形狀變化引起的非線性效應(yīng)。

2.1 斜拉索垂度效應(yīng)

斜拉索是一種柔性構(gòu)件，受其自重和軸力的影響，呈現(xiàn)出懸鏈線線形特征。斜拉索的軸向剛度受垂度的影響而發(fā)生改變，而其垂度則取決于斜拉索張力。因此，斜拉索張力和斜拉索變形之間，存在著明顯的幾何非線性特征。在荷載作用下，斜拉索在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變可以認(rèn)為是線彈性的，受斜拉索材料彈性的控制;斜拉索中各股鋼絲在斜拉索荷載作用下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使斜拉索各股鋼絲重新排列而變得更為緊密;此外，斜拉索中除了產(chǎn)生應(yīng)變外，索垂度還會(huì)發(fā)生變化，垂度發(fā)生的變化同材料應(yīng)力無(wú)關(guān)，而是純粹的幾何變化所導(dǎo)致的，受到索內(nèi)張力、索長(zhǎng)和索自重分布的影響。斜拉索所產(chǎn)生的這種幾何非線性變化因斜拉索自重和水平投影長(zhǎng)度的增加而增加，隨斜拉索預(yù)應(yīng)力的增大而減小。這種斜拉索所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，在大跨度斜拉橋梁的全橋非線性效應(yīng)中占有極大的比重。其應(yīng)力水平越低，斜拉索彈性模量損失就越多，所以應(yīng)當(dāng)盡可能的保證斜拉索在恒、活載作用下處于較高的應(yīng)力水平，從而在充分應(yīng)用材料的基礎(chǔ)上，減小斜拉索垂度效應(yīng)。

2.2 梁—柱效應(yīng)

胡克定律是力學(xué)基本定律之一，適用于一切固體材料的彈性定律，即在彈性限度內(nèi)，物體的形變與引起形變的外力成正比。但是，即便在構(gòu)件滿(mǎn)足胡克定律的情況下，斜拉橋各構(gòu)件也會(huì)呈現(xiàn)出幾何非線性受力特性，這主要是因?yàn)樾崩骼κ怪髁汉蜆蛩葮?gòu)件處于彎矩和軸力的耦合作用下的原因。在軸向力的作用下，主梁和橋塔等構(gòu)件的橫向撓度會(huì)引起附加彎矩，并對(duì)軸向剛度的大小造成影響，從而使疊加原理不再適用。但是，如果梁、柱等構(gòu)件在承受著一系列橫向荷載和位移作用時(shí)，在軸向力保持不變的情況下，所承受的橫向荷載和位移作用則是可以疊加的。因此，可以將軸向力看作是影響主梁和橋塔等構(gòu)件橫向剛度的一個(gè)參數(shù)。

對(duì)梁—柱效應(yīng)幾何非線性受力特性進(jìn)行分析的經(jīng)典方法是基于有限元離散化觀點(diǎn)的穩(wěn)定函數(shù)法，目前這種方法在斜拉橋的結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 大變形效應(yīng)

當(dāng)斜拉橋在承受荷載時(shí)，其上部結(jié)構(gòu)，包括斜拉索、主梁、橋塔等上部結(jié)構(gòu)的幾何位置都會(huì)發(fā)生顯著的變化。這種變化從空間有限元模型分析法的角度來(lái)看，各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在荷載作用下，隨荷載增量影響變化較大，同時(shí)，其各單元的長(zhǎng)度、傾角等幾何特性也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生較大的改變，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣成為幾何變形的函數(shù)，荷載和位移不再保持線性特征，內(nèi)力和外荷載之間也不再是正比關(guān)系，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出幾何非線性特征。受結(jié)構(gòu)大變形效應(yīng)的影響，產(chǎn)生了與荷載量并不成正比的附加應(yīng)力。不過(guò)，如果將荷載增量加載細(xì)分到足夠程度，使荷載迭代次數(shù)足夠多，結(jié)構(gòu)大變形所引起的幾何非線性特征，可以用分段線性特征來(lái)代替考慮。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)空間受力幾何非線性特征的分析，包括斜拉索垂度效應(yīng)、軸力與彎矩耦合產(chǎn)生的梁—柱效應(yīng)、大變形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)幾何形狀變化引起的非線性效應(yīng)，可以看出:

1)大跨度斜拉橋梁幾何非線性受力特征對(duì)橋梁的豎、橫向剛度，尤其是橫向剛度影響不大;2)大跨度斜拉橋梁的大變形效應(yīng)主要對(duì)主梁和索塔豎桿軸力、豎向彎矩有一定影響，而對(duì)橋梁大部分桿件的恒載內(nèi)力影響較小;3)由于軸力與彎矩耦合會(huì)產(chǎn)生梁—柱效應(yīng)和大變形效應(yīng)，所以可以提高橋面板抗性，如鋼正交異性板等，從而提高橋梁的橫向剛度，分擔(dān)主梁彎矩效應(yīng)，降低主梁縱向彎矩，降低主梁縱、橫梁所受的內(nèi)力，并改善索塔的受力狀況，降低其縱向彎矩以及由主塔荷載所引起的橫向彎矩和軸力，但是這種方法對(duì)于主梁所受的剪力分擔(dān)作用并不會(huì)很明顯。

總之，目前大跨度橋梁在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，加強(qiáng)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)空間受力特性的研究，對(duì)于提高大跨度橋梁的安全性和穩(wěn)定性有著重要意義。

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