多塔懸索橋加勁梁豎向支撐型式的分析
2018-03-05
引言
懸索橋是由主纜、吊索、加勁梁、橋塔以及錨碇組成的柔性橋梁結(jié)構(gòu)，橋塔的設(shè)計(jì)和加勁梁的支撐型式對(duì)懸索橋的整體結(jié)構(gòu)變形起著主要的影響作用[3]。本文中所討論的多塔懸索橋是在橋塔處連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，由于加勁梁為連續(xù)梁形式，僅靠吊索對(duì)加勁梁的約束作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在中間橋塔處對(duì)加勁梁采取合理的支撐型式值得進(jìn)一步的研究和討論。本文中研究了全橋縱向漂浮體系、在中間橋塔處設(shè)置豎向支座的體系以及梁塔墩固結(jié)體系的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性，主要討論了多塔懸索橋中間橋塔采用門(mén)式混凝土塔型式下的支撐體系比較。
門(mén)式混凝土橋塔下支撐型式對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響
2．1計(jì)算模型
選取主跨為1080m，邊跨為350m的三塔兩跨懸索橋結(jié)構(gòu)，建立空間計(jì)算分析模型，計(jì)算模型主梁采用扁平流線型全焊鋼箱梁，主纜采用φ5.35mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，矢跨比為1/11，橋塔型式采用門(mén)式混凝土橋塔，邊塔塔高均為152m，中間橋塔高度為190m[2]。三塔懸索橋結(jié)構(gòu)的約束條件是：主纜錨固處和主塔塔底為固結(jié)，主纜在塔頂主鞍中心處按永不脫離點(diǎn)考慮，加勁梁梁端豎向、橫向、扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向與塔橫梁相應(yīng)節(jié)點(diǎn)主從，變形一致；中塔處橫向、扭轉(zhuǎn)兩個(gè)方向與塔相應(yīng)節(jié)點(diǎn)主從，縱向、豎向飄浮，由兩相距較近的吊索支承。比較了下面三種支撐型式的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移：1）全橋縱飄；2）加勁梁在中塔設(shè)置豎向支座，簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)式豎向；3）加勁梁采用兩個(gè)伸出剛臂與塔墩固結(jié)，簡(jiǎn)成單柱固結(jié)。
圖1 模型的總體布置圖(單位：m)
靜力學(xué)特性的比較
在汽－超20活載作用下，比較了三種支撐型式下，加勁梁的彎矩、軸力和變形以及橋塔的內(nèi)力和位移。
圖2 加勁梁撓度包絡(luò)圖圖2 加勁梁軸力包絡(luò)圖
表1加勁梁內(nèi)力、變形比較
表1中分別列出了三種支撐體系加勁梁在1/4跨處、跨中處、3/4跨處和中塔處的內(nèi)力、撓度以及梁端的縱向位移。從表中可以看出，梁塔墩固結(jié)的約束方式與設(shè)置豎向支座和全橋縱飄相比，加勁梁中塔處的最大彎矩增大，固結(jié)后加勁梁在L/4處、L/2處、3L/4處的彎矩減小，設(shè)置豎向支座比全橋縱飄中塔處的加勁梁彎矩增大53.6%，梁塔墩固結(jié)比豎向支座中塔處的加勁梁彎矩增大17.4%。
由軸力包絡(luò)圖可以看出，單柱固結(jié)比采用豎向支座的模型要產(chǎn)生更大的加勁梁軸力，在中塔處軸力增大20%；設(shè)置豎向支座比全橋縱飄的加勁梁軸力減小2.8%。
從加勁梁撓度包絡(luò)圖可以看出，加勁梁中塔處與塔墩采用剛性固結(jié)后，加勁梁撓度變形明顯減小。豎向支座約束和全橋縱飄時(shí)加勁梁最大撓度發(fā)生在跨中附近；單柱固結(jié)約束加勁梁跨中撓度稍小于1/4跨和3/4跨，最大撓度發(fā)生在3/4跨附近。從表1中可以看出，單柱固結(jié)比豎向支座時(shí)加勁梁最大正撓度減小37%，梁端縱向位移變?yōu)樵瓉?lái)的9.3%，設(shè)置豎向支座與全橋縱飄的位移變化很小。全橋縱飄時(shí)中塔處有0.261m的正撓度產(chǎn)生。
表2中間塔受力的影響
表2中可以看出，加勁梁在中塔處采用豎向支座或是剛性固結(jié)對(duì)邊塔的影響不大，單柱固結(jié)后，中塔的不平衡力增大了35%，塔頂位移減小了65%，塔底彎矩變?yōu)樵瓉?lái)的31%。全橋縱飄與設(shè)置豎向支座對(duì)橋塔受力的影響很小。
2．3自振特性的比較
對(duì)不同支撐型式的三塔懸索橋模型進(jìn)行自振特性計(jì)算，比較相同振型下，各懸索橋結(jié)構(gòu)自振頻率。
表3門(mén)式塔自振頻率表
表3中分別列出了各種振型特性下的第一階頻率，由計(jì)算結(jié)果可以看出，全橋縱飄與設(shè)置豎向支座對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率影響很小。門(mén)式中塔處采用剛結(jié)比豎向支座，三塔懸索橋相同振型的自振頻率增大。剛性固結(jié)使得懸索橋橫向振動(dòng)頻率有所提高，全橋豎向反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)頻率得到顯著提高，對(duì)全橋扭轉(zhuǎn)頻率影響很小。加勁梁與塔墩固結(jié)后，使得加勁梁的縱向位移受到很大的約束所致，模型在前25階振型中沒(méi)有出現(xiàn)縱飄。
結(jié) 語(yǔ)
本文利用BNLAS軟件對(duì)三塔兩跨連續(xù)體系懸索橋的加勁梁支撐型式進(jìn)行了研究，比較了兩種橋塔情況下，加勁梁采取全橋縱飄、在中間橋塔處設(shè)置豎向支座和梁塔墩固結(jié)的幾種支撐型式對(duì)連續(xù)體系懸索橋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的影響。通過(guò)分析計(jì)算，得出一部分結(jié)論，希望可以為多塔懸索橋的設(shè)計(jì)提供參考。
?、拧⒓觿帕号c門(mén)式中間橋塔、橋墩剛性固結(jié)后，使得多塔懸索橋結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，結(jié)構(gòu)的位移明顯減小，加勁梁的最大彎矩增大，橋塔中的彎矩變化復(fù)雜，但可以明顯地減小塔底的彎矩；
⑵、梁塔墩固結(jié)對(duì)多塔懸索橋的縱飄振動(dòng)頻率有很顯著的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)頻率有一定的影響，但對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的影響非常小。
總的來(lái)說(shuō)，多塔連續(xù)體系懸索橋加勁梁采用梁塔墩固結(jié)的支撐型式，可以有效的減小結(jié)構(gòu)的變形，提高整體剛度。
參考文獻(xiàn)：
[1] Nazir, C. P.(1986).“ Multispan balanced suspension bridge.” J. Struct. Eng., 112(11), 2512–2527.
[2] 嚴(yán)國(guó)敏，編譯，6000m海峽通道采用的兩個(gè)懸索橋方案[J]，國(guó)外公路，1998（1）。
[3] 周孟波. 懸索橋手冊(cè)[M ]. 北京: 人民交通出版社,2003: 36 - 79
