索塔数对多塔悬索桥力学性能的影响

索塔数对多塔悬索桥力学性能的影响
周云岗
【摘要】基于ANSYS平台,建立3至6塔主跨跨径为1 400 m的多塔悬索桥有限元计算模型,研究索塔数对多塔悬索桥静力特性、动力特性和静力稳定性的影响特点,探讨其对多塔悬索桥活载挠度、塔顶纵向位移及主缆抗滑移性能等关键力学问题的影响特征.结果表明:索塔数由3塔增至6塔时,塔根弯矩最大增大240％,主梁弯矩最大增大18％,主缆抗滑移系数最大减小11％,中间塔顶位移减小2％,一阶弹性稳定系数最大下降6.8％,颤振稳定性指数最大增加8.5％;主梁边跨竖向挠度比中间跨小40％左右,且中间跨挠度相近;索塔数对中间索塔受力影响显著.
【期刊名称】《兰州理工大学学报》
【年(卷),期】2015(041)002
【总页数】5页(P137-141)
【关键词】多塔悬索桥;索塔数;连跨数;力学特性;关键力学问题
【作者】周云岗
【作者单位】同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU311;U448.25
悬索桥因其超强的跨越能力,在超大跨径桥梁领域中占主导地位.研究[1]表明,考虑主缆的材料强度折减后,悬索桥极限跨径能达到5~6 km,但主跨跨径超过2 km时,必须采用相应措施来提高其气动稳定性.21世纪,跨江跨海大桥成为人类的梦想和挑战,
而这些天堑远远超出传统双塔悬索桥的跨越能力,因此多塔悬索桥[2]应运而生,成为未来桥梁发展的一个重要方向.
当前,中国在大跨径多塔悬索桥领域已有建树，已建或在建多座多塔悬索桥[3].文献
[4]应用重力刚度法探讨了跨数和中塔刚度对超大跨径悬索桥的刚度影响特征.文献
[5]探讨了矢跨比、中塔刚度、加劲肋高度及支承体系等参数对3塔悬索桥静力特
性的影响.文献[6,7]分别研究了加劲梁刚度、塔梁间设置弹性约束和中央扣对3塔
悬索桥动力特性的影响.文献[8,9]研究了3塔悬索桥地震响应特征.文献[10]研究3
塔悬索桥施工过程和运营阶段的抗风稳定性.文献[11]探讨了多跨悬索桥的部分设
计问题.文献[12]分析了4跨悬索桥的结构特征,包括中塔刚度对动力特性的影响,索距对桥梁静力特性的影响等.上述研究较全面地探讨了3塔悬索桥的力学特性和抗风、抗震性能,4塔及以上的相对较少.
基于ANSYS平台,建立3至6塔悬索桥有限元分析模型,通过对比分析,研究索塔数对其静力性能、动力性能和静力稳定性的影响特点,并探讨其关键力学参数[13]的
变化特征.
根据传统大跨径悬索桥的工程实例及科研成果,拟定3~6塔悬索桥的总体布置方案，如图 1所示.考虑结构对称性,图中仅示出左半桥.考虑可比性,各方案跨径相等,边跨
均为420 m,主跨均为1 400 m.
主梁和索塔典型断面如图 2所示.主梁采用流线型扁平钢箱梁,塔根处主梁的轴力较大,主梁板厚适当加厚.
索塔采用横桥向门式,纵桥向直立单柱式;边塔以受压为主,采用全混凝土结构;中塔以压弯为主,采用全钢结构;索塔高度根据通航及主缆矢跨比确定,边、中塔总高度及桥面以上高度相同.索塔截面形式为单室箱型,纵、横桥向宽度均由塔顶至塔底线性增加.
采用单主梁模式建立ANSYS分析模型.3塔悬索桥计算模型如图 3所示.主梁和索
塔采用空间梁单元(Beam44)模拟,吊索与主梁之间通过刚性杆相连,吊索采用只受拉杆多段杆单元(link10)模拟.塔、梁之间耦合横向自由度.
结构荷载设计值参照苏通长江大桥、泰州长江大桥和舟山连岛工程等大型桥梁的设计条件确定：一期恒载按容重确定,二期恒载按70 kN/m考虑.
缆索承重桥属柔性结构,且跨径越大越显著.计算结果表明：恒载、活载、均匀升降温以及极限静阵风等工况的作用效应占主导地位,能较全面地体现缆索承重桥梁的力学特性.图 4中示出主梁主跨和索塔编号,以利于表述.
恒载作用下,结构处于平衡状态,索塔纵向无变形,结构受力状态与传统双塔悬索桥相同,即内力和变形与索塔数无关.
活载作用下,主梁和索塔的活载效应包络图基本重合,与索塔数无关,表明索塔数增多时,非相邻主跨之间相互影响较小.
均匀升温作用下,索塔数增多时,除塔支承处,主梁弯矩普遍增大.计算结果表明,主梁在边主跨1/4处和②号塔处的温度弯矩较为显著,变化趋势如图 5所示.主梁弯矩在边主跨1/4处按约18%递增.在②号塔处,对于3塔为对称中心,缆索系统伸长,将承担的荷载转移给主梁;而4塔及以上,缆索系统约束主梁纵向伸长,其荷载转移没有3塔显著,故该位置主梁弯矩先减小,然后按约6%增大.索塔数增多时,①号塔塔根弯矩略有减小,②、③号塔显著增大,最大达240%,如图6所示.
在极限静纵风和极限静横风作用下,主梁内力基本相等.索塔数增多时,极限静纵风作用下,索塔内力增大.如图7所示，其中②号塔较为显著,4塔比3塔增大约27%,其它约7%.
通过比较发现,对结构内力状态而言,索塔数增加,对索塔影响较大(特别是中间索塔),而对主梁影响相对较小.
主梁竖向挠度和中塔主缆抗滑移系数是多塔悬索桥关键力学参数.另外,中间索塔塔顶活载纵向位移也是反映关键力学问题的重要参数.索塔数增加时,结构更加柔细化,
对上述参数产生影响.
计算表明,索塔数增加时,3至6塔悬索桥对应主跨的主梁挠度相差较小.下面以6塔方案为代表,对比不同主跨主梁挠度,考察索塔数的影响.
如图8所示,主梁第一主跨竖向挠度比二、三主跨小约39%,而横向挠度比二、三主跨大约35%.第二、三之间相差不超过8%,与连续梁特征相似.
塔顶纵向位移如图9所示.索塔数增加时,边塔位移略有增大,中塔略有减小,均不超过2%.另外,索塔距对称中心越近,塔顶纵向位移越大.
图10为主缆抗滑移系数图.索塔数增加时,②号塔主缆抗滑移系数依次下降11%,2%,2%左右；③号塔下降4%左右,下降幅度不断减小,最终趋于稳定.究其原因,如图 11所示,索塔数增加时,有效加载区域增多,抗滑移系数最不利影响区面积增大,所以主缆抗滑移性能下降;又因为加载区域远离考察的索塔时,影响区面积很小,所以主缆抗滑移系数下降速度变小.
另外,②号塔主缆抗滑移系数比③号塔大约10%,这体现了结构柔性特征.加载跨主缆跨径变小,而非加载跨变大,使索塔两侧主缆的不平衡力变小,抗滑移性能变优.显然,③号塔较②号塔显著.
多塔悬索桥一阶弹性屈曲主要表现为中间索塔面外侧向弯曲失稳,且所有中间索塔基本同时失稳.以5塔悬索桥为例,多塔悬索桥一阶失稳模态如图12所示.
计算表明,各方案在恒载加横风加全桥均布荷载作用下,结构一阶弹性稳定系数最小.3~6塔悬索桥稳定系数变化趋势如图13所示.
索塔数增加时,结构一阶弹性稳定系数降低,结构稳定性变差,相对3塔悬索桥,4~6塔依次减小3.8%,0.4%和2.2%.
采用空间动力有限元分析,多塔悬索桥各方案在成桥状态下的典型动力特性如表 1所示.索塔数增加时,结构竖向和横向一阶反对称弯曲频率值相差不大,但出现的先后次序不同,由竖向先出现转为横向.一阶反对称扭转频率逐渐减小,4~6塔依次减小
5.7%,1.8%和1.0%.
按《公路桥梁抗风设计规范》对各方案的颤振特征参数进行计算,其值如图14所示.索塔数增加时,结构扭弯频率比略有减小,而颤振稳定指数逐渐增大,4~6塔依次增大8.5%,4.7%和0.7%.可见,结构抗风要求随索塔数增多而逐渐提高.
1) 索塔数对中间索塔内力影响显著,特别是温度效应；而对主梁内力影响较小,边主跨1/4处和塔支承处较为明显.
2) 索塔数对主梁挠度影响较小,中间主跨挠度相近,且远大于边主跨;主缆抗滑移性能下降.
3) 索塔数增加时,结构静力稳定性下降,抗风要求提高.
4) 4塔及以上悬索桥结构的力学特性差异较小,且逐渐趋于稳定.
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