中塔縱向剛度對三塔纜索承重橋靜力特性影響

劉豐洲

三塔纜索承重橋梁體系包括三塔斜拉橋、三塔懸索橋和三塔斜拉—懸索協作體系橋梁。目前,三塔斜拉橋建設較多,包括我國的香港汀九大橋、岳陽洞庭湖大橋等。三塔懸索橋多出現在方案比選中,在國內外尚無實橋經驗,只有泰州長江大橋和馬鞍山長江大橋正在建設中。三塔斜拉—懸索協作體系橋梁的研究文獻罕見,本文將對其受力特性進行討論。本文對三塔纜索承重橋梁各體系的中塔縱向剛度進行參數分析,以比較各體系在靜力性能方面的優劣及討論中塔縱向剛度對結構性能的影響。

1 三塔斜拉橋和三塔懸索橋的力學特性

三塔斜拉橋和三塔懸索橋的力學特性有很多相似之處。當荷載作用在單主跨時,受載跨主梁將產生下撓,拉索索力增大,橋塔將產生偏向受載跨方向的變位,這使相鄰跨產生上撓。在相鄰跨中,另一橋塔則產生與受載孔橋塔反向的位移。由于沒有邊錨索對中塔塔頂的直接約束作用,拉索系統的作用沒能充分發揮,三塔斜拉橋和三塔懸索橋的整體變形只有靠主梁和橋塔的剛度來限制。因此,與兩塔體系相比,三塔體系的整體豎向剛度較低,成為設計的瓶頸。所以,對三塔纜索承重橋梁體系的整體豎向剛度的評價至關重要。

在恒載作用下,橋梁處于成橋后的初始平衡狀態,主梁撓度由施工控制糾正,不存在豎向剛度問題。規范對撓跨比進行限定,并規定主梁撓度為最大正撓度和最大負撓度的絕對值之和。通常,可由單主跨滿布荷載作用下,主梁的撓度值來衡量結構的豎向剛度大小。為提高全橋豎向剛度,限制中塔塔頂位移是關鍵。經研究表明,中塔縱向剛度對全橋整體豎向剛度以及結構性能的影響很大。同時對于三塔懸索橋,中塔縱向剛度過大還會使中塔兩側主纜的索力差過大使得主纜和鞍座之間產生滑移而造成全橋破壞[2,3]。因此,優化中塔縱向剛度,是使結構滿足設計要求的有效手段。

2 三塔斜拉—懸索協作體系橋梁的提出

三塔斜拉橋屬于自錨體系,與三塔懸索橋相比,省去了昂貴的錨碇造價,更適合于惡劣的地質條件。但是,隨著跨徑增大,三塔斜拉橋塔根軸力變大,在最大懸臂施工階段的穩定性問題非常嚴重。同時,塔高過高,長索的垂度效益顯著等因素使得三塔斜拉橋的跨徑提升有限。現階段兩塔斜拉—懸索協作體系橋梁主要采用“修正的Dichinger體系”。該體系最大的特點是密索的斜拉部分和懸索部分分工明確、各司其職,很好的發揮了斜拉橋和懸索橋各自的優勢。由于該體系受力簡單明確,有較好的連續性,是目前協作體系默認的標準形式[4]。基于此,可推演出“修正的Dichinger體系”的三塔斜拉—懸索協作體系橋梁。鑒于兩塔協作體系的力學特征,三塔協作體系也有望克服三塔斜拉橋和三塔懸索橋各自的缺點,以滿足在跨海跨江工程中修建更大跨徑橋梁的需要。

3 三塔纜索承重橋梁體系中塔縱向剛度參數分析

為了分析和比較中塔縱向剛度對三塔纜索承重橋梁體系力學性能的影響,用ANSYS有限元軟件對三種體系分別建立空間模型,進行參數分析。三種體系的結構布置如圖1所示,結構參數見表1。

表1 各體系的結構參數

三塔纜索承重橋梁是由梁、塔、拉索和纜索組成的柔性結構體系,應考慮幾何非線性的影響,在ANSYS分析中須打開大位移開關。結構采用魚骨模型,主梁和主塔采用Beam44空間梁單元,拉索和主纜采用Link8空間桿單元進行模擬。斜拉索的張拉力由剛性支承法確定,采用初應變法迭代;斜拉索的垂度效應由分段桿單元法實現[5]。

為進行對比分析,體系各參數選取應盡量一致。三塔協作體系與三塔斜拉橋的斜拉索傾角相同;三塔懸索橋及三塔協作體系的主纜面積按恒載下應力一致的原則選取。對各體系按公路—Ⅰ級施加八車道車道荷載,比較其主梁撓度、中塔塔頂位移、主纜抗滑移安全系數及中塔塔底彎矩值。同時,選取中塔縱向剛度為邊塔抗推剛度的λ倍(λ=0.5～10),比較各體系靜力性能的變化趨勢。分析結果見圖2。

由圖2可知,隨λ值的增大,三種體系的主梁撓度和中塔塔頂位移均減小,可看出其整體豎向剛度隨中塔縱向剛度的增大而增大。但是隨λ值的增大,主梁撓度和中塔塔頂位移的斜率越來越小,即表示中塔縱向剛度越大,三種體系的豎向剛度提高的效率越低。可以發現,三種體系的豎向剛度的提高速率各不相同,三塔斜拉橋提高速率最小,三塔懸索橋提高速率最大。這是因為三塔斜拉橋的拉索直接連接主梁,三塔懸索橋的主纜柔性大,故三塔斜拉橋纜索體系的縱向剛度要比懸索橋大,中塔縱向剛度的增加對三塔懸索橋豎向剛度提高的效果更加明顯。由中塔縱向剛度對中塔底彎矩的影響可知,三塔斜拉橋塔底彎矩比三塔懸索橋小,說明其中塔承受的不平衡力比三塔懸索橋小,這也證明了上面的觀點。由圖2a)可知,當中塔縱向剛度很小時,三塔斜拉橋豎向剛度最大;當中塔縱向剛度很大時,三塔懸索橋豎向剛度最大;當λ=2～3時,三種體系的豎向剛度近似相等。由中塔縱向剛度對中塔底彎矩的影響可知,隨中塔縱向剛度增大,三種體系的中塔塔底彎矩均增大,對基礎不利,將增加造價。三塔斜拉橋的中塔塔底彎矩最小,相對的基礎造價最低。圖2b)中,三塔斜拉—懸索協作體系橋梁的中塔塔頂位移略小于三塔懸索橋,但圖2a)中其主梁最大撓度卻略大于三塔懸索橋。這是因為三塔協作體系主纜的重力剛度小于三塔懸索橋。即便其中塔塔頂位移較小,但是由于主纜在相同外力的作用下變形比三塔懸索橋大,故整體豎向剛度略大于三塔懸索橋。由此知,將三塔懸索橋改成三塔斜拉—懸索協作體系,并不能有效提高其整體豎向剛度。由中塔縱向剛度對主纜抗滑移安全系數的影響可知,相比于三塔懸索橋,三塔斜拉—懸索協作體系橋梁的主纜抗滑安全系數提高很少。這是因為摩擦系數為主纜水平分力之差和主纜豎向分力之和的比,主纜軸力減小,并不能明顯改善抗滑移性能。但是由于主纜面積減小,在實際工程中可以更方便的采用抗滑移措施,如對索鞍進行防滑處理,對索股施加分布正壓力等。由圖2可見,協作體系的力學性能基本介于斜拉橋和懸索橋之間,且更接近于懸索橋,這與吊跨比的選取有關。可對三塔協作體系結構參數進行體系優化,以滿足設計要求。

4 結語

1)提高中塔縱向剛度可有效提高三塔纜索承重橋梁各體系的整體豎向剛度。但隨中塔縱向剛度的提高,其整體豎向剛度的提高效率降低。2)當中塔縱向剛度偏小時,三塔斜拉橋豎向剛度大;當中塔縱向剛度偏大時,三塔懸索橋豎向剛度最大。設計時,應對體系和中塔剛度進行優化。3)相對于三塔懸索橋,三塔斜拉—懸索協作體系橋梁并沒有有效解決豎向剛度過低和主纜抗滑移安全系數過低的矛盾。但是,其靜力特性基本介于三塔斜拉橋和三塔懸索橋之間,可對其進行參數優化,以充分發揮斜拉橋和懸索橋各自的優點,為三塔懸索橋方案體系的優化提供一種思路。

[1]NielsJ.Gimsing.纜索支承橋梁——概念與設計[M].金增洪,譯.北京:人民交通出版社,2002:178-180.

[2]喻 梅.多塔斜拉橋結構特性分析[D].成都:西南交通大學橋梁工程系碩士學位論文,2003:9-10.

[3]朱本瑾.多塔懸索橋的結構體系研究[D].上海:同濟大學橋梁工程系碩士學位論文,2007.

[4]王信宗.超大跨徑吊拉組合橋結構體系及分析方法的研究[D].重慶:重慶交通學院碩士學位論文,2002:10-11.

[5]孫 斌.超千米級斜拉橋結構體系研究[D].上海:同濟大學橋梁工程系博士學位論文,2008:33-48.