雙鏈懸索橋的吊桿長度計算方法分析

葛 娟

雙鏈懸索橋的吊桿長度計算方法分析

葛 娟

結合工程實例,對節線法進行計算原理分析,并且利用軟件 MIDAS作為計算平臺,對雙鏈懸索橋的吊桿長度進行了計算,得出計算結果與設計及實際成橋狀態下的吊桿長度一致的結論。

雙鏈懸索橋,節線法,初始平衡狀態,吊桿長度

0 引言

隨著我國基礎設施建設的飛速發展,橋梁建設的變化也是日新月異,尤其是隨著高強度鋼絲材料的廣泛應用,作為大跨度的橋梁結構形式,懸索橋的數量與跨度均顯示出逐年增長的趨勢。目前,地錨式單鏈懸索橋的結構研究已經趨于成熟,而在一個吊桿平面內具有兩根主纜的雙鏈懸索橋因其復雜的結構形式,研究文獻相對較少。本文主要對節線法進行計算原理分析,并且利用大型軟件MIDAS作為計算平臺,對雙鏈懸索橋的吊桿長度進行計算,計算結果與設計及實際成橋狀態下的吊桿長度一致。

1 懸索橋

懸索橋的承重結構主要為主纜、塔橋及錨碇構成的大纜系統,其次為加勁梁,吊索用來連接主纜和加勁梁,主纜為幾何可變體系,主要靠其自重及恒載產生的初始拉力及改變幾何形狀來獲得結構剛度,以抵抗荷載產生的變形,纜索受力呈明顯的幾何非線性性質。

2 雙鏈懸索橋

2.1 雙鏈懸索橋特征

雙鏈懸索橋又名雙索懸索橋,是在一個吊桿平面內設有兩根主纜的懸索橋,上下主纜在全跨范圍內均勻布置有吊索吊拉橋面加勁梁,相比單鏈懸索橋具有較大的剛度,對非對稱荷載的適應性較強。因為存在上下雙鏈吊桿,突破了懸索橋單鏈的傳統模式,因此雙鏈懸索橋常作為景觀橋建造。

2.2 工程背景

某雙鏈單跨懸索橋主索跨度 210m,邊跨跨度 65m;橋面系采用鋼桁架梁,橋面橫梁采用Ⅰ45a型鋼(Q 235),縱梁采用[25b型鋼(Q 235),橋面板采用10mm厚Q 345鋼板;人行道板采用6mm厚花紋Q235鋼板;塔架采用C 30鋼筋混凝土結構,塔架柱截面尺寸為1.5m(橫橋)×1.8m(順橋)。雙鏈懸索橋示意圖如圖1所示。

3 M IDAS有限元分析

3.1 理論分析

懸索橋與一般中小跨徑橋梁的區別就是懸索橋的自重和大部分施工荷載主要由主纜來承擔。特別是成橋后在恒載作用下主纜和吊桿的張力、橋形應與設計目標一致。懸索橋的主纜是變形性很大的承重構件,施工過程中主纜和加勁梁的幾何形狀變化非常大,所以進行懸索橋設計時,要做逆施工階段分析(倒拆分析),為了做考慮幾何非線性的倒拆分析還需要做自重荷載下的初始平衡狀態分析。

懸索橋在加勁梁的自重作用下產生變形后達到平衡狀態,在滿足設計要求的垂度和跨徑條件下,計算主纜的坐標和張力的分析一般稱為初始平衡狀態分析。這是對運營階段進行線性、非線性分析的前提條件,所以應盡量使初始平衡狀態分析結果與設計條件一致。

3.2 節線法

節線法采用了日本Ohtsuki博士使用的計算索平衡狀態方程式,是利用橋梁自重和主纜張力的平衡方程計算主纜坐標和主纜張力的方法,本文利用主纜坐標進而得到各根吊桿的長度。懸索橋的初始平衡狀態分析階段是以懸索橋的基本假定為基礎,利用節線法來計算空纜線形的過程,節線法基本假定如下：

1)吊桿僅在橫橋向傾斜,垂直于順橋向。2)主纜張力沿順橋向分量在全跨相同。3)假定主纜與吊桿的連接節點之間的索呈直線形狀,而非拋物線形狀。4)主纜兩端坐標、跨中垂度、吊桿在加勁梁上的吊點位置、加勁梁的恒荷載等為已知量。

3.3 建立模型

利用MIDAS軟件里的懸索橋建模助手建立雙鏈懸索橋模型。因為此雙鏈懸索橋為景觀橋,主纜上鏈只承受活載作用,因此在建立模型時,采用半跨加節點荷載的形式來模擬雙鏈懸索橋的受力狀態,生成初步的雙鏈懸索橋平衡體系,繼續利用懸索橋分析控制功能進行精確的初始平衡狀態分析,通過位移形狀和加勁梁的彎矩分布判斷結構是否處于初始平衡狀態,為了使加勁梁的彎矩分布更加均勻,可以通過調整吊桿張力和施工預拱度的方法來進行模型的調整,最終建立的雙鏈懸索橋計算模型如圖 2所示,吊桿分布如圖 3所示。

3.4 計算結果

經過迭代計算,建立的雙鏈懸索橋計算模型達到平衡狀態,得到收斂后的主纜坐標,而吊桿與主纜相交點的坐標和吊桿與加勁梁相交點的坐標之差即是吊桿的長度,吊桿坐標計算結果如表1所示(以半跨為例)。

表1 吊桿坐標 m

計算結果與橋梁設計目標一致,與施工完成后成橋階段的吊索長度相符,表明本文計算結果正確可信。

4 結語

雙鏈懸索橋相對于傳統的單鏈懸索橋來說,結構復雜,纜索受力不清晰,初始平衡狀態較難得到。本文通過對節線法計算原理的分析,借助軟件計算平臺,迭代計算得到某雙鏈懸索橋的初始平衡狀態,進而求出橋梁成橋狀態需要的吊索長度,通過與設計目標及施工完成后的成橋狀態進行對比,計算結果正確。通過上述計算,可得出以下結論：1)節線法的計算結果接近結構實際成橋狀態,計算結果精確度較高。2)節線法計算結果的精準依賴于初始平衡狀態與實際成橋狀態的疊合程度,但是對于復雜的懸鏈結構,調整到一個與實際成橋狀態完全疊合的初始平衡狀態并不容易,需要經過很多次的迭代,這將嚴重影響工作進度,因此節線法的完全應用還需要借助于具有強大迭代功能的大型計算軟件,從而節省工作時間,提高效率。

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Analysis on suspender length calculationmethods of double-chain suspension bridge

GE Juan

Based on project case,itanalyzes the calculationmethods of section linemethod,usesMIDASas calculating platform,calculates the suspender length of doub le-chain suspension bridge,and finds out that the calculation resu lt is in accordance with actual suspender length under bridge forming condition.

double-chain suspension bridge,section linemethod,initial equilibrium state,suspender length

U 448.25

A

1009-6825(2011)09-0191-02

2010-12-05

葛 娟(1981-),女,助理工程師,中國水電顧問集團西北勘測設計研究院,陜西西安 710065