鋼索塔縱向加勁肋參數研究

黃本才，欒好發，高 峰

（吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021）

0 引言

在20世紀60年代以前，較大跨度的懸索橋和斜拉橋索塔幾乎全是用鋼材來制造，后來由于高塔模板技術和混凝土澆注技術的不斷發展，世界各國大部分的懸索橋和斜拉橋多采用混凝土索塔。但日本是一個例外，修建的懸索橋和斜拉橋，多采用鋼索塔。因為日本是地震頻繁出現的國家，鋼結構對抵抗地震比較好。我國修建的斜拉橋除香港汀九橋和南京長江三橋外也幾乎都采用混凝土索塔。鋼索塔在我國處于剛剛應用時期，我國現行鋼橋設計規范已經不能滿足鋼索塔的有關規定，因此有必要展開對鋼索塔的詳細研究，為鋼索塔的應用提供一些有意義的參考。

本文結合具體的工程，對鋼索塔豎向肋板的厚度、間距和寬度進行研究，計算不同厚度、不同間距和不同寬度豎肋板對鋼索塔第一類穩定的影響。對于鋼結構來說，在決定承載力方面，穩定性比強度更具有決定性，對以受壓為主的高聳鋼索塔來說更是如此，鋼索塔構造優化實質就是分析構造對鋼索塔穩定的影響[1-7]。

1 模型建立

1.1 整體模型的建立

以國外一座鋼索塔斜拉橋為背景，進行鋼索塔的受力分析計算。該橋的索塔構造和整體布置見圖1、圖2。

圖1 橋塔布置圖

圖2 雙塔三跨斜拉橋

本文對主塔施工完成（裸塔狀態）和主梁為最大懸臂狀態時這兩種工況進行計算分析。計算荷載包括結構的自重、施工荷載。

1.2 索塔模型的建立

圖3 索塔有限元模型

2 計算結果及分析

《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）中規定工字型和箱形截面受壓構件的腹板，高厚比不滿足要求時，可用縱向加勁肋加強，并規定縱向加勁肋在腹板兩側成對布置，肋板寬度不應小于10倍腹板厚度，肋板厚度不應小于0.75倍腹板厚度。

索塔塔壁上布置的豎向加勁肋很難滿足上述要求，索塔塔壁上布置的豎向加勁肋只能在內部布置，而且一般要布置多道縱向加勁肋。布置了多道縱向加勁肋，縱向加勁肋的間距、厚度、寬度對索塔第一類穩定的影響都需要進行相關的研究。

2.1 肋板間距對鋼索塔第一類穩定的影響

本橋鋼索塔截面的尺寸，很難把肋板的間距在索塔橫截面的長度方向和寬度方向調整為一致，以間距的代表值作為參考，間距的代表值分別取0.4m、0.6m、0.8m、1m、2m。0.4m代表橫截面長度方向有4道縱向肋板，寬度方向有3道縱向肋板；0.6m代表橫截面長度方向有3道縱向肋板，寬度方向有2道縱向肋板；0.8m代表橫截面長度方向有2道縱向肋板；寬度方向有1道縱向肋板，1m代表橫截面長度方向和寬度方向各有1道縱向肋板；2m代表橫截面長度方向和寬度方向都沒有縱向肋板。對兩種工況分析獲得一階失穩模態和相應的穩定安全系數。發生一階失穩的部位集中在塔底處的肋板或者塔底附近的壁板。工況1、工況2相應的穩定安全系數及肋板間距對穩定安全系數影響的變化趨勢見圖4。

圖4 穩定安全系數—肋板間距變化趨勢圖

從圖4看出，工況1的穩定安全系數變化劇烈，工況2的穩定安全系數隨肋板間距的增加而減小。綜合工況1和工況2，肋板間距取0.6m比較恰當。即沿鋼索塔橫截面長度方向和寬度方向分別布置三道、兩道肋板比較恰當。

2.2 肋板厚度對鋼索塔第一類穩定的影響

肋板的厚度依次取15mm、18mm、19mm、20mm、22mm、24mm和30mm，按兩種工況進行分析，獲得相應的一階失穩模態和相應的穩定安全系數。工況1發生一階失穩的部位集中在塔底處的肋板和塔頂附近的橫隔板。工況2發生一階失穩的部位集中在塔底處的肋板和塔底處附近的橫隔板。工況1、工況2相應的穩定安全系數及肋板厚度對穩定安全系數影響的變化趨勢見圖5。

從圖5看出，當肋板厚度從20mm降低為15mm時，即肋板厚度與壁板的厚度的比值從0.91降低為0.682，索塔的穩定安全系數急劇降低，與《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）中規定箱形截面受壓構件的縱向加勁肋厚度不應小于0.75倍腹板厚度保持一致。綜合工況1和工況2，肋板厚度取20mm。

圖5 穩定安全系數—肋板厚度變化趨勢圖

2.3 肋板寬度對鋼索塔第一類穩定的影響

肋板寬度依次取0、0.1m、0.2mm、0.25m、0.3m、0.35m和0.4m，按兩種工況進行分析。當肋板寬度較小時，工況1和工況2的失穩表現為塔底附近的壁板失穩；肋板厚度較大時，工況1的失穩表現為塔頂附近的橫隔板失穩，工況2的失穩表現為塔底肋板失穩。工況1、工況2相應的穩定安全系數及肋板厚度對穩定安全系數影響的變化趨勢見圖6。

圖6 穩定安全系數—肋板寬度變化趨勢圖

從圖6看出，當肋板寬度從0增加到為0.25m時，工況1和工況2的穩定安全系數增加很快，當大于0.25m時，工況2的穩定安全系數增加趨于平緩，與《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）中規定箱形截面受壓構件的縱向加勁肋的寬度不應小于10倍腹板厚度要求基本一致。綜合工況1和工況2，肋板寬度取0.3m比較恰當。

2.4 肋板厚度與寬度的比值對鋼索塔第一類穩定的影響

為了得到肋板寬度、厚度同時變化對鋼索塔穩定的影響，進行了以下分析：分別取肋板厚度與壁板厚度的比值m=0.682、m=1、m=1.09，肋板的寬度0.1m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m，獲得工況1、工況2的穩定安全系數。工況1、工況2相應的穩定安全系數及肋板寬度、厚度對穩定安全系數影響的變化趨勢見圖7、圖8。

圖7 工況1穩定安全系數—肋板寬度、厚度變化趨勢圖

圖8 工況2穩定安全系數—肋板寬度、厚度變化趨勢圖

從圖7看出，m取相同的值，穩定安全系數隨肋板寬度的變化呈波形，體現了肋板寬度、厚度合理搭配的重要性；當肋板寬度取0.31m時，三條曲線基本相交與一點，肋板厚度三個不同值對索塔穩定幾乎沒有影響；肋板寬度取0.31m，與《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）關于肋板寬度的規定基本一致。從圖8可以看出，m取相同的值，穩定安全系數隨肋板寬度的增長而增長；在相同肋板寬度的條件下，m取1時的穩定安全系數遠大于m取0.682時的值；m取0.682時，隨肋板寬度的增長，穩定安全系數變化不大，并且比較小，在設計中意義不大；在相同肋板寬度的條件下，m取1時的穩定安全系數幾乎和t取1.09時的值相同；m取1和m取1.09時，肋板寬度從0.1m增長到0.25m時，穩定安全系數變化趨勢明顯，肋板寬度從0.25m增長到0.4m時，穩定安全系數變化趨勢減緩，可以得出肋板寬度的合理取值取值范圍為0.25～0.4m，也與《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）關于肋板寬度的規定基本一致。

3 結語

本文結合具體工程，對鋼索塔構造進行優化分析，結果表明：在鋼索塔的設計時，肋板寬度的取值以《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）關于肋板寬度的規定為參考比較合理；肋板厚度等于或者略小于壁板厚度比較合理；當肋板寬度較小，增加肋板厚度，難以獲得較大的穩定安全系數；當肋板寬度增加到一定程度時，靠增加肋板寬度來獲得較大的穩定安全系數不經濟。

[1]（日）伊騰學，川田忠樹，等.長大橋梁建設的序幕[M].劉建新，和丕壯，譯.北京：人民交通出版社，2002.

[2]戴永寧.南京長江第三大橋鋼索塔技術[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]劉士林，梁智濤，候金龍，等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]項海帆.中國土木工程學科的發展戰略（建筑、環境與土木工程學科發展戰略研討會特邀報告）[R].北京：國家自然科學基金委員會，2004.

[5]呂烈武，沈世釗，沈祖炎，等.鋼結構構件穩定理論[M].北京：中國建筑工業出版社，1983.

[6]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京：科學出版社，2001.

[7]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].