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三塔悬索桥适应性及结构参数分析(交通)

三塔悬索桥适应性及结构参数分析(交通)

                                 1  李光凤2

1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司  武汉  430023;  2.中铁第四勘察设计院集团有限公司  武汉430063

   针对建筑高度限制的要求,采用非线性分析软件BNLAS,分析了三塔悬索桥的适应性,讨论了支承体系、中塔刚度及形式,以及主缆矢跨比等主要参数对结构整体刚度、中塔主缆抗滑移和中塔强度的影响,并研究了中塔刚度的优化设计。分析表明,塔高限制条件下,三塔悬索桥具有较好的适应性;支承体系、中塔刚度及形式对三塔悬索桥的力学行为影响较大;塔高限制条件下,宜采用较大的矢跨比;依据相关分析,可确定中塔刚度的最优值。

关键词  三塔悬索桥  适应性  支承体系  中塔刚度  主缆矢跨比

    伴随悬索桥发展和桥梁建设需求,三塔悬索桥方案已在国内多座跨江桥梁上采用。目前,国内已建成的三塔悬索桥有泰州长江大桥、马鞍山长江大桥和鹦鹉洲长江大桥。与两塔悬索桥相比,三塔悬索桥仅增加了一个中塔和一个主跨,由于构造上的差异,三塔悬索桥在力学行为上表现出一定的特殊性。本文以某座大跨度跨江桥梁为工程背景,针对塔高限制的要求,对三塔悬索桥的适应性和结构参数的敏感性进行研究。

    三塔悬索桥方案的立面布置见图1。主跨跨径为2×800 m,主缆跨径为270 m+800 m+ 800m+325 m,矢跨比为1110.7。主缆采用预制平行钢丝索股,单根主缆由127束直径5.2 mm镀锌高强钢丝组成。吊索采用平行钢丝束,间距15. 85 m。加劲梁采用流线型扁平钢箱梁,宽39.2 m,中心梁高3.5 m。边塔采用混凝土塔;中塔采用全钢塔,纵向为“人”字形,桥塔横向为门式塔,设上、下2道横梁。中塔处,塔、梁之间采用固结体系。

1  三塔悬索桥适应性分析

    与同规模的两塔悬索桥相比,三塔悬索桥因主跨跨径的减小,主缆的规格和锚碇的尺寸得以减小,降低了锚碇的施工难度。基于此,三塔悬索桥在超大跨度桥梁设计中具有一定的竞争力。对于三塔悬索桥力学行为的特殊性和关键技术,国内学者作了大量的分析与研究。根据三塔悬索桥的构造特点和力学特征,其适应性一般表现在以下几个方面:①采用单跨悬索桥跨径过大,主缆截面和锚碇尺寸过大,工程造价高,施工难度大;②桥位处有2个以上的通航孔或主通航孔偏向一侧时,为避免锚碇设于水域中间;③对于水深较大、水面开阔且航道等级要求高的跨江(海)桥梁,可考虑采用三塔或多塔悬索桥;④具备适宜三塔悬索桥布置的地形条件,江底或河床断面中间高,两侧低,适宜中塔布置。

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    对于图1所示的桥梁工程,特殊之处在于桥位距离机场较近,飞行高度的要求对建筑高度有严格限制,最高点高程须控制在154. 00 m以下。桥位处有主、副2个通航孔,通航净宽分别为474m274 m。桥梁方案应同时满足飞行高度和通航净空2方面的要求。考虑到大跨度拱桥的矢跨比一般为1416,斜拉桥的高跨比一般为0.25左右,拱桥或斜拉桥方案无法满足本桥的建设条件。综合考虑通航要求、江中设置锚碇的不利因素,桥塔施工难度和工程造价等方面,主跨跨径2×800 m的三塔悬索桥是最适宜的方案。

    计算采用桥梁非线性分析软件BNLAS,全面考虑结构几何非线性因素的影响。主缆、吊索分别采用分段悬链线单元和空间膜单元模拟,加劲梁、桥塔采用空间梁单元模拟,有限元模型见图2。汽车活载按8车道公路一I级荷载加载。经过计算分析,在汽车活载作用下,加劲梁最大上挠1. 950 m,最大下挠3.067 m,挠跨比为1260.8,中塔主缆抗滑移系数为2. 177,表明结构整体刚度和中塔主缆抗滑移均满足规范要求。在结构受力方面,最不利工况组合作用下,中塔最大压应力为230. 05 M Pa,最大拉应力136. 92 M Pa;加劲梁最大压应力为167. 65 M Pa,最大拉应力为125.23M Pa。因此,三塔悬索桥方案是合理可行的,表明三塔悬索桥在塔高限制条件下具有较好的适应性。

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2  三塔悬索桥结构参数分析

    三塔悬索桥设计的关键是同时满足结构整体刚度、中塔主缆抗滑移和中塔强度3方面要求。表1列出了国内已建的三塔悬索桥上述参数的取值。在结构参数分析时,参数优化取值的原则是保证中塔主缆抗滑移性能和中塔强度满足要求的前提下,主缆抗滑移系数和结构整体刚度尽可能大。《公路悬索桥设计规范(报批稿)》(JTJ xxx-2002)规定:主缆抗滑移系数K2;加劲梁由汽车活载(不计冲击力)引起的最大竖向挠度值不宜大于跨径的1250

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2.1支承体系

    结合表1所列的(中塔)支承体系,并考虑到全漂浮体系的应用,理论上,加劲梁在中塔处可采用4种支承体系:①塔、梁固结;②固定支座;③纵向弹性索十竖、横向限位支座;④竖向弹性索十横向限位支座。不同支承体系下,加劲梁在活载作用下的应力和变位见表2。挠跨比、中塔主缆抗滑移系数和中塔应力等主要计算结果见表3

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    由表2可见,活载作用下,塔、梁固结体系的加劲梁受力较大,最大应力出现在中塔处。竖向弹性索十横向限位支座体系的应力最小,但是,梁端转角和纵向位移较大,尤其是梁端纵向位移,其余3种支承体系对梁端变位的影响不大。

    由表3可见,中塔支承体系对挠跨比、主缆抗滑移系数的影响较大。对于塔高限制条件下的三塔悬索桥方案,塔、梁固结、固定支座和纵向弹性索十竖、横向限位支座3种支承体系的挠跨比均小于1250,结构整体刚度均满足要求。但是,仅塔、梁固结体系的中塔主缆抗滑移系数大于2。在不采取特殊抗滑移措施的情况下,其余3种支承体系均不满足规范要求。由于竖向弹性索十横向限位支座体系在活载作用下的梁端变位较大,导致中塔的偏位也较大,中塔的受力大于其他体系。

2.2  中塔刚度及形式

    对于三塔悬索桥的中塔,混凝土桥塔的刚度较大,一般难以满足三塔悬索桥的技术要求,中塔通常采用全钢塔或钢一混叠合塔。考虑到钢桥塔的构造相对简单,本桥梁方案拟采用全钢塔。常规两塔悬索桥的桥塔一般采用门式塔,顺桥向为I字形。根据国内外三塔悬索桥的建设实践,中塔的立面布置一般可采用I字形、人字形或A字形等。鉴于人字形桥塔可调整分叉点位置和塔柱张开量,其具有较好的刚度适应性及匹配性。为了研究中塔刚度对结构受力的影响,分别取中塔刚度比为0.91.01.11.2。不同中塔刚度比的主要计算结果见表4。人字形钢塔不同分叉点位置的主要计算结果见表5。图3~图4分别给出了中塔主缆抗滑移系数、中塔主缆不平衡力与中塔刚度比的关系曲线。

    由表4和图34可见,中塔刚度对三塔悬索桥的受力影响较大。随着中塔刚度的增大,加劲梁在活载作用下的挠度减小,结构整体刚度增大,中塔主缆不平衡力增大。桥塔受力增大的同时,中塔主缆抗滑移系数减小。随着中塔刚度的减小,桥塔的纵向偏位越大,导致加载跨的主缆矢跨比增大,非加载跨的矢跨比减小,两侧矢跨比的变化是引起中塔主缆不平衡力减小的直接原因。

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    由表5可见,人字形钢桥塔的分叉点位置对结构整体刚度、中塔主缆抗滑移影响较大。随着分叉点位置的上移,中塔刚度增大,结构整体刚度增大,中塔主缆活载不平衡力增大,主缆抗滑移安全系数减小。设计中,需通过比选确定合理的分叉点位置。

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    对于塔柱张开量,在1826 m之间变化,对结构整体刚度和中塔主缆抗滑移影响极小,可忽略不计。结合下塔柱的受力和桥塔基础的尺寸,即可确定合适的塔柱张开量。

2.3  主缆矢跨比

    主缆矢跨比是悬索桥设计的主要参数。根据对国内外已建大跨度悬索桥的统计分析,绝大部分地锚式悬索桥的矢跨比一般取19111c。对于本桥梁工程,塔高受到严格的限制,扣除塔顶附属结构的高度,塔顶主缆IP点的高程不得大于145. 00。综合考虑通航净空后确定的桥面设计高程,主缆矢跨比的选择范围较小。考虑到跨中短吊索的最小长度要求,矢跨比不得大于1110.7。为了研究在搭高限制条件下,矢跨比对三塔悬索桥力学行为的影响,分别取矢跨比为1110.7110.8110.91/11.0。不同主缆矢跨比的主要计算结果见表6

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    由表6可见,虽然矢跨比的选择范围较小,但是,随矢跨比的变化,挠跨比、中塔主缆抗滑移系数和中塔应力均表现出一定的变化规律。随着矢跨比的增大,结构整体刚度和中塔主缆抗滑移性能有所提高,中塔的受力也呈减小的趋势。

    根据主缆抗滑移系数的计算公式,主缆在鞍槽上的包角越大,主缆抗滑安全系数越大。主缆矢跨比的增大,相当于变化了主缆在鞍座上的切点位置,主缆在鞍槽上的包角也随之增大。因此,对于塔高限制条件下的三塔悬索桥方案,宜选择较大的矢跨比。在塔高不受限制条件下,综合考虑各方面因素,矢跨比取19是相对合适的。

3  三塔悬索桥结构参数优化设计

    根据对三塔悬索桥主要结构参数的分析,依据参数优化取值的原则,支承体系的确定是相对容易的。由于塔高限制条件下,主缆矢跨比的选择范围有限,从经济性、整体刚度、主缆抗滑移等方面综合考虑,主缆矢跨比的选择也是相对明确的。因此,下面以中塔刚度为例,对中塔刚度的取值进行优化设计。为便于分析,定义结构刚度比为容许挠跨比(1250)与实际挠跨比的比值,抗滑移效率值为抗滑移系数与抗滑移最小安全系数(K=2)的比值。二者与中塔刚度比的相关曲线见图5

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    由图5可见,随着中塔刚度比的增大,结构刚度比与抗滑移效率值的变化趋势相反。结构刚度比与中塔刚度比的相关曲线基本呈线性关系,而抗滑移效率值与中塔刚度比的相关曲线呈非线性关系。通过对2条相关曲线的回归分析,可得出相关曲线的近似方程,见图52条曲线的交点对应的中塔刚度比即为该参数的最优值,约为1. 05

    由此可见,对于本三塔悬索桥方案,中塔刚度仍有进一步优化的空间。根据中塔刚度的优化取值,可对中塔的尺寸、分叉点位置、塔柱张开量等设计参数作进一步调整。

4结论

    (1)在塔高限制条件下,通过采取一定的技术措施,三塔悬索桥方案是合理可行的,表明三塔悬索桥具有较好的适应性。

    (2)支承体系和中塔刚度及形式对三塔悬索桥的力学行为影响较大。在塔高限制条件下,宜优先考虑中塔固结体系和“人”字形钢桥塔。

    (3)在一定范围丙,随着矢跨比的增大,三塔悬索桥的整体刚度越大,主缆抗滑移性能越好。在塔高不受限制条件下,矢跨比取19是相对合适的。

    (4)依据相关分析,可确定中塔刚度的最优值。

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