自錨式懸索橋結構體系分析

邱 景，李光鳳

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

自錨式懸索橋結構體系分析

邱 景1，李光鳳2

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

為了研究結構體系對自錨式懸索橋力學性能的影響，以某座主跨406 m自錨式懸索橋方案為原型，采用非線性有限元軟件BNLAS進行模擬計算，分析了不設外伸跨和設外伸跨兩種結構體系的力學差異，并研究了主梁約束方式對結構受力的影響。分析表明，外伸跨、主梁約束方式對自錨式懸索橋的力學行為影響較大。

自錨式懸索橋；外伸跨；結構體系；約束方式；受力特性

0 引言

自錨式懸索橋因造型美觀、景觀效果突出，在越來越多的橋梁設計中被采用，尤其是城市橋梁。由于主纜直接錨固于主梁上，主梁受到很大的軸向壓力。與常規地錨式懸索橋相比，自錨式懸索橋在受力特點和施工方法等方面均表現出明顯的差異。本文以某座主跨406 m的自錨式懸索橋方案（見圖1）為例，對自錨式懸索橋的結構體系作進一步研究。該方案的橋跨布置為（160+406+160）m，主纜矢跨比為1/5.8，吊索間距為13.5 m。主梁采用流線型扁平鋼箱梁，橋寬39 m。橋塔采用門式塔，設上、下兩道橫梁，縱向為單柱式。

圖1 自錨式懸索橋方案立面布置（單位：m）

針對圖1的自錨式懸索橋方案，采用非線性有限元軟件BNLAS進行建模計算，分析時全面考慮結構幾何非線性的影響，主要包括：大位移效應、纜索垂度效應、應力剛化、軸力-彎曲效應和外荷載的P-Δ效應[1]。主纜采用懸鏈線單元模擬，吊索采用空間膜單元模擬，主梁和橋塔均采用空間梁單元模擬。邊界條件是：塔底固結，主鞍座與橋塔之間采用主從約束模擬，主梁端部設單向活動支座，在橋塔處采用豎向約束、橫向設抗風支座，縱向放松的約束方式。有限元模型如圖2所示。計算分析時，汽車活載按公路-I級，雙向8車道加載；整體溫度荷載按升溫35℃考慮。

圖2 自錨式懸索橋方案有限元模型

1 結構體系分析

根據國內外自錨式懸索橋的建設實踐，雙塔自錨式懸索橋以采用雙塔三跨的布置形式居多。采用三塔多跨（超過3跨）布置的主要有：撫順市萬新大橋、三汊磯湘江大橋和寧波慶豐橋等[2]。以圖1所示的自錨式懸索橋方案為原型，兩側均增設跨徑50m的預應力混凝土外伸跨，橋跨布置調整為（50+160+406＋160+50）m，以此作為設外伸跨的結構體系。圖3、圖4和表1給出了兩種結構體系在汽車活載作用下的主要計算結果。

根據圖3和圖4，不設外伸跨的結構體系，主梁活載最大豎向撓度為－0.654 m，撓跨比1/621，滿足規范要求[3]。設外伸跨的結構體系，主梁活載豎向撓度有所減小，表明兩種結構體系的豎向剛度均滿足要求。兩種結構體系的主梁活載豎向彎矩曲線在中跨吻合較好，由于外伸跨的設置，主梁活載豎向彎矩在邊跨以外范圍差異很大。外伸跨自身范圍內的活載豎向彎矩亦較大，表明邊、中跨活載加載對外伸跨活載內力的影響較大。

圖3 兩種結構體系的主梁活載豎向撓度

圖4 兩種結構體系的主梁活載豎向彎矩

表1 兩種結構體系在汽車活載作用下的計算結果

由表1可知，設外伸跨的結構體系在汽車活載作用下的梁端縱向位移、梁端轉角和橋塔縱向位移均有明顯減小，表明設外伸跨結構體系具有更好的豎向剛度。由于結構的活載變形減小，橋塔的活載內力得以減小。需要指出的是，因結構體系差異引起的橋塔活載內力折算成應力的變化量較小。相反，由活載引起的外伸跨內力變化需在設計中引起足夠的重視。兩種結構體系對主纜、吊桿的活載應力影響較小，可忽略不計。

以不設外伸跨的結構體系為例，圖5和表2分別給出了部分特征振型和典型自振頻率。

圖5 不設外伸跨結構體系的特征振型

表2 兩種結構體系的典型自振頻率 Hz

根據動力特性計算結果，兩種結構體系在縱向放松的約束體系下，縱向振型最先出現。由于主梁采用鋼箱梁，橋面寬度和主纜間距較大，結構具有較大的橫向剛度和抗扭剛度。因此，結構體系差異對橫向振動和扭轉振動特性的影響較小。外伸跨的設置增加了參與縱向振動的質量，一階縱飄的頻率有所減小。結構體系差異主要影響結構的豎向振動，設外伸跨結構體系的一階反對稱振型先于一階對稱振型出現。由此可見，外伸跨的設置對結構一階對稱豎彎振型的影響最大。

2 主梁約束方式分析

以不設外伸跨的結構體系為例，進一步研究左側橋塔處主梁約束方式的影響。一般可采用以下三種約束方式：豎向+橫向限位支座、固定支座和塔、梁固結。圖6、圖7和表3給出了主梁不同約束方式的汽車活載作用下的主要計算結果。表4列出了整體升溫荷載作用下的計算結果。表5列出了動力特性的計算結果。

根據圖6和圖7，左側橋塔處主梁采用豎向+橫向限位支座或固定支座的約束方式對活載豎向撓度和彎矩的影響很小，可忽略不計。左側橋塔處主梁采用塔、梁固結的約束方式對主梁的活載豎向撓度和彎矩的影響都在局部范圍內，僅對該側主梁的活載內力和位移影響較大。但是，主梁不同約束方式對活載作用下主梁的最大豎向撓度影響很小。

圖6 主梁不同約束方式下的主梁活載豎向撓度

圖7 主梁不同約束方式下的主梁活載豎向彎矩

表4 主梁不同約束方式的整體升溫作用下的計算結果

表5 主梁不同約束方式的典型自振頻率 Hz

由表3可知，主梁不同約束方式僅對活載作用下的梁端縱向位移、橋塔縱向位移和橋塔彎矩影響較大。隨著左側橋塔處主梁約束的加強，該側橋塔的活載彎矩呈增大的趨勢。

由表4可知，左側橋塔處主梁采用豎向+橫向限位支座時，整體升溫作用下的橋塔縱向位移和彎矩較固定支座和塔、梁固結約束方式大得多。縱向約束放松下的主梁溫度零點基本位于跨中，整體升溫作用下的梁端變形量基本相等，而后兩種約束方式改變了主梁的縱向約束，梁端的溫度變形差異較大。后兩種約束方式在溫度作用下的響應基本相同。

根據動力特性計算結果，由于主梁縱向約束的限制，結構的一階振型由縱飄變為豎彎，一階振動頻率明顯增大。采用固定支座或塔、梁固結的約束方式時，豎向振型表現出明顯的不對稱性，縱向的微小振動與豎向振動耦合在一起。

3 結論

（1）是否設外伸跨的結構體系對自錨式懸索橋的豎向剛度影響較大，主梁和橋塔在汽車活載作用下的位移響應較小。

（2）設外伸跨的結構體系在外伸跨自身范圍內活載內力較大，橋塔的活載內力較小。

（3）左側橋塔處主梁不同約束方式對結構剛度有一定的影響，但影響范圍是有限的。主梁縱向約束方式的差異對整體溫度作用下的橋塔內力和位移影響較大。

（4）主梁縱向約束放松的結構體系一階振型為縱向振動，外伸跨的設置對結構一階對稱豎彎振型影響較大。

[1]唐茂林.大跨度懸索橋空間幾何非線性與軟件開發 [D].成都：西南交通大學,2003.

[2]李傳習.現代懸索橋靜力非線性理論與實踐[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3]JTG D65-05—2015，公路懸索橋設計規范[S].

U441

A

1009-7716（2016）05-0103-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.028

2016-01-15

邱景（1986-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。