楊雅新

河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院（450011）

大跨徑懸索橋力學(xué)性能研究

楊雅新

河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院（450011）

懸索橋由于其優(yōu)美的結(jié)構(gòu)和宏偉的規(guī)模成為大跨徑橋梁的主要型式之一。這里根據(jù)具體的大跨徑懸索橋工程實(shí)例，結(jié)合有限元模型，對(duì)橋梁進(jìn)行力學(xué)分析。通過(guò)分析橋梁的受力特點(diǎn)，研究在豎向荷載靜力作用的情況下大跨徑懸索橋的力學(xué)性能。希望對(duì)類似工程起到積極的借鑒作用。

大跨徑；懸索橋；拉應(yīng)力；力學(xué)性能

0　引言

目前，大跨徑橋梁中的“橋梁皇后”——懸索橋成為大跨徑橋梁的主要型式之一。在世界范圍內(nèi)跨越長(zhǎng)度最長(zhǎng)的橋梁類型便是懸索橋（長(zhǎng)度為0.9km以上的橋梁基本都是懸索橋）。截至到目前，我國(guó)已經(jīng)建設(shè)了多座大跨度懸索橋，如汕頭海灣大橋、西陵長(zhǎng)江大橋、香港青馬大橋、虎門大橋等。

1　工程概況

某大跨徑懸索橋工程，主跨長(zhǎng)度約1490m，南北主塔采用高為219.5m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，錨碇基礎(chǔ)同樣采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)且錨碇直徑約65 m，南、北錨深分別為50m、30m。鋼箱梁的高度約3.2m、寬約36m，包括兩條主纜繩（直徑約為905 mm），每條主纜繩都由184股（共23370根直徑為5.32mm的高強(qiáng)度鋼絲）組成。該工程建設(shè)采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，車速100km/h。橋面鋪裝面積約48430m2，橋面設(shè)計(jì)使用年限為15年。

2　大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)分析

2.1懸索橋的結(jié)構(gòu)

懸索橋，又名吊橋（suspensionbridge），指的是以通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索（或鋼鏈）作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。

1）懸索

懸索橋中最大的力是懸索中的張力和塔架中的壓力。由于塔架基本上不受側(cè)向的力，它的結(jié)構(gòu)可以做得相當(dāng)纖細(xì)，此外懸索對(duì)塔架還有一定的穩(wěn)定作用。在大跨徑懸索橋中的懸索通常由一定數(shù)目的橢圓形平行鋼絲索組成。為使懸索在受拉時(shí)不發(fā)生滑動(dòng)變形，利用剛性圓形索夾將懸索和吊桿箍緊。在大跨徑懸索橋中通常采用由扭轉(zhuǎn)式鋼繩和圓鋼組成的吊桿。

2）橋塔

橋塔的主要作用是支撐和承受由懸索傳遞而來(lái)的垂直分力和水平分力。橋梁建設(shè)過(guò)程中橋塔和橋面下應(yīng)設(shè)置橫系梁以使橋塔能夠承受懸索和橋面上的巨大載荷。雖然橋梁在建設(shè)過(guò)程中多采用單層框架式橋塔，但在橋塔較高時(shí)為了增加橋塔在水平方向上的剛度，往往多設(shè)幾根橫系梁，形成多層框架式的橋塔。

3）加勁梁

在普通的中小跨徑及大跨徑的懸索橋中多采用簡(jiǎn)支體系，但簡(jiǎn)支體系的加勁梁基礎(chǔ)尺寸較連續(xù)加勁梁較小，所以兩用的大跨度懸索橋一般采用連續(xù)加勁梁。

4）錨碇

懸索橋錨碇作為懸索橋的主要部分，其主要作用為：抵抗懸索的豎直反力和鋼索的水平分力。懸索橋的錨碇可以直接固定在巖石之中，或者依據(jù)橋梁建設(shè)地點(diǎn)的不同采用陸地基礎(chǔ)固定或者水中基礎(chǔ)固定［1］。

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2.2大跨徑懸索橋中存在的特殊力學(xué)問(wèn)題

1）靜力風(fēng)載荷作用情況下的側(cè)向位移問(wèn)題

在扁箱梁的阻力系數(shù)較小的情況下，懸索橋選用流線形箱梁時(shí)桁架梁的位移較小，所以在建設(shè)大跨徑懸索橋的過(guò)程中應(yīng)設(shè)法提高懸索橋的側(cè)向剛度。

2）偏載情況下的扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題

當(dāng)橋梁跨徑在5000m左右時(shí)，跨中扭轉(zhuǎn)角度高達(dá)35°。如果再考慮實(shí)際中的靜風(fēng)荷載的作用，橋梁很可能會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)、變形、失穩(wěn)現(xiàn)象，因此在橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須提高橋梁結(jié)構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度。

3）空氣動(dòng)力情況下的穩(wěn)定性問(wèn)題

當(dāng)橋梁跨徑在2000m左右時(shí)，可人為采取一定的抗風(fēng)措施以避免橋梁顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)橋梁跨徑超過(guò)2500m時(shí)，橋梁發(fā)生顫振現(xiàn)象的臨界風(fēng)速急劇降低，大跨徑橋梁顫振問(wèn)題已成為大跨徑懸索橋設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中首先要解決的問(wèn)題。

3　三維有限元模型與分析

3.1懸索橋三維模型

大跨徑懸索橋主塔單元?jiǎng)澐质疽鈭D如圖1（a）所示，1/2主梁截面特征值計(jì)算截面如圖1（b）所示，懸索橋主橋劃分模型如圖2所示。

圖1　懸索橋部分三維模型圖

圖2　懸索橋整橋三維模型圖

3.2懸索橋整橋力學(xué)分析

大跨徑懸索橋的主要受力構(gòu)件為懸索橋的橋塔和主纜。主梁主要受力方式為受彎，在對(duì)橋塔進(jìn)行受力分析時(shí)，可以將懸索橋構(gòu)件等效為受拉彎桿件。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)主梁彎矩進(jìn)行分析，分別從橋梁主梁主跨1/2截面處、1/4截面處、1/8截面處、1/16截面處進(jìn)行彎矩分析。懸索橋各控制截面彎矩變化范圍見(jiàn)表1。

表1　懸索橋各控制截面彎矩變化范圍

由圖2和表1可以得出，當(dāng)單位車輛下的荷載沿懸索橋的縱向方向運(yùn)行時(shí)，彎矩的大小隨著主跨的1/2截面、1/4截面、1/8截面、1/16截面處依次增大。由于懸索橋的主梁和鋪裝橋面的活動(dòng)載荷撓度隨著主梁彎矩的增加而增加。懸索橋的主梁和鋪裝橋面的活動(dòng)載荷撓度越大，該點(diǎn)處的鋪裝橋面所承受的縱向拉力受整橋的力學(xué)影響也越大。因此，懸索橋的主梁彎矩最大處的位置就是需要我們重點(diǎn)分析研究的典型的截面［2］。

3.3懸索橋局部載荷條件分析

局部結(jié)構(gòu)自重：選取的大跨徑懸索橋局部梁段模型中各個(gè)部件總體重量，由計(jì)算機(jī)所編寫的程序自動(dòng)計(jì)算得出。

二期恒載：懸索橋橋面鋪裝重量及其他附屬構(gòu)造的重量、二期恒載形成的載荷可以簡(jiǎn)化成在橋梁模型范圍內(nèi)均勻分布的載荷。

吊索力：將懸索橋整橋模型中的吊索應(yīng)力單獨(dú)提取出來(lái)，將其等效為外加的載荷，并將其加載局部橋梁梁段模型中。

車輛荷載：將車輛的自重?fù)Q算成以其輪胎接觸面積為基礎(chǔ)的均勻分布的載荷，均勻加載局部梁模型上。在整橋模型中作為集中荷載加載的車輛軸重，就需模擬成輪胎接地面積中的均勻荷載，利用MIDAS對(duì)局部梁有限元模型進(jìn)行分析，大跨徑懸索橋局部梁段有限元數(shù)值分析模型如圖3所示。

圖3　大跨徑懸索橋局部梁段有限元數(shù)值分析模型

3.4懸索橋局部力學(xué)分析

將懸索橋局部梁段再進(jìn)行細(xì)化分析，截取梁段部分位置建立正交異性板模型進(jìn)行詳細(xì)的有限元網(wǎng)格的劃分，以進(jìn)行更加準(zhǔn)確的撓度、拉應(yīng)力、載荷等力學(xué)性能的分析。圖4為大跨徑懸索橋局部梁段頂板力學(xué)模型的平面圖。由圖4可知，大跨徑懸索橋發(fā)生不安全因素的部位主要集中在A區(qū)域處。

圖4　大跨徑懸索橋局部梁段頂板力學(xué)模型平面圖

4　結(jié)語(yǔ)

這里首先對(duì)懸索橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，再結(jié)合具體的工程實(shí)例通過(guò)建立有限元計(jì)算分析模型，計(jì)算分析了該橋的整體力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)局部載荷條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化模擬分析?？傊?，懸索橋的力學(xué)性能比較復(fù)雜，進(jìn)行受力分析時(shí)應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)的原則，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，才能確保研究的合理性。

［1］杜昕.大跨徑懸索橋與斜拉橋鋼橋面鋪裝在豎向荷載靜力作用下力學(xué)特性研究［D］.東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

［2］周云崗.大跨徑三塔纜索承重橋梁力學(xué)參數(shù)敏感度分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（07）：16-23.