斜拉橋鋼-混結合段剛度和位置的影響分析

許圣祥, 霍學晉

(1. 四川巴陜高速公路有限責任公司, 四川成都 610041;2. 中鐵大橋勘測設計院有限公司, 湖北武漢 430056)

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斜拉橋鋼-混結合段剛度和位置的影響分析

許圣祥1, 霍學晉2

(1. 四川巴陜高速公路有限責任公司, 四川成都 610041;2. 中鐵大橋勘測設計院有限公司, 湖北武漢 430056)

【摘要】某斜拉橋為雙塔雙索面斜拉橋，使用有限元分析軟件Midas建立斜拉橋的有限元計算模型，分析鋼-混結合段剛度和位置的變化，研究其對全橋的位移、內力、自振特性和穩定系數的影響。計算與分析結果為該類型橋的設計提供了一定的參考價值。

【關鍵詞】斜拉橋;結合段;剛度;位置;影響

斜拉橋的受力由主梁、主塔和斜拉索共同決定。鋼-混結合段是連接鋼箱梁和混凝土箱梁的重要構件，其自身剛度和設置位置直接影響主梁乃至全橋的受力。本文通過改變鋼-混結合段的剛度和位置，研究其對斜拉橋全橋的位移、內力、自振特性和穩定系數的影響[1]。

1全橋桿系有限元模型

塔、梁、墩及樁基礎采用空間梁單元，索采用只受拉的索單元模擬，結合段的剛度利用換算截面法進行計算，建立的全橋空間桿系有限元模型如圖1所示。

圖1　全橋桿系有限元模型

2結合段剛度的影響

假定原設計鋼-混結合段剛度的慣性矩為I，取5種不同的慣性矩0.25I、0.5I、I、2I、4I分別進行計算，研究結合段剛度對位移、內力、自振特性和穩定系數的影響[2]。

2.1結合段剛度對位移和內力的影響

選取跨中和結合面的撓度、塔頂的橫向位移、結合面和跨中截面的軸力和彎矩、邊跨和中跨的1#、10#和19#索(邊跨和中跨索的編號均為從塔向兩側的順序，近塔為1#索，最遠端為19#索)的索力為對象，研究結合段剛度對位移和內力的影響。表1為不同結合段剛度下的位移、內力和索力，施加的荷載為自重荷載。

由表1可知，由于該斜拉橋的主跨為608 m，而結合段長度僅為2 m，且靠近塔根處，改變結合段的剛度對跨中撓度的影響不大，可忽略不計。結合段剛度對結合面處的撓度略有影響，4倍剛度時相對0.25倍剛度結合面撓度增大了16.5%，但此處靠近橋塔，撓度值并不大。由表1還可看出，塔頂的橫向位移受結合段剛度的影響也不大，跨中截面的軸力和彎矩整體上隨著結合段剛度的增大略有降低，但整體上影響不大。結合面處的軸力和彎矩受自身剛度的影響較為明顯，尤其是彎矩，4倍剛度下相對0.25倍剛度增大了28.9%。隨著索在主梁上的錨固點到結合面的距離越大，該索的索力受結合段剛度的影響越小，如中跨和邊跨的19#索。

表1　結合段剛度對位移和內力的影響

綜上所述，結合段剛度的改變對結合段附近的梁段和索力影響較大，但對距離結合段較遠的梁段和索力影響很小。

2.2結合段剛度對自振特性和穩定系數的影響

結構的自振特性與剛度分布直接相關。表2為不同結合段剛度下結構的前八階頻率[3]，圖2為前四階振型。

由圖2可知，結構的第一階振型為主梁的縱漂，第二階和第四階為主梁的豎彎變形，而第三節為主梁的橫彎。由表2可知，由于只改變了結合段的豎向彎曲剛度，縱漂的第一階

表2　結合段剛度對自振頻率的影響

(a)第一階(縱向漂移)

(b)第二階(主梁的豎向一階)

(c)第三階(主梁的橫向一階)

(d)第四階(主梁的豎向二階)圖2　前四階振型

頻率和橫彎的第三階頻率受結合段剛度的影響均較小，可忽略不計，而第二階和第四階頻率隨著結合段剛度的增大而略有增大。

表3為不同結合段剛度下結構的前兩階穩定系數[4]，圖3為前兩階失穩模態。

由表3可知，結構的前兩階穩定系數均隨著結合段剛度的增大略有增大，但由于結合段長度相對跨度較短，其對穩定系數的影響程度并不大，在設計時可不考慮其對整體穩定性的影響。

表3　結合段剛度對穩定系數的影響

(a)第一階(主梁的橫向一階)

(b)第二階(主梁的豎向一階)圖3　前兩階失穩模態

3結合段位置的影響

取結合面到塔中心的距離分別為3 m、12 m、22.8 m進行計算，研究結合段的設置位置對位移、內力、自振特性和穩定系數的影響。

3.1結合段位置對位移和內力的影響

選取跨中撓度、塔頂的橫向位移、結合面和跨中截面的軸力和彎矩、邊跨3#、7#、12#和中跨的9#、11#、14#索的索力為對象，研究結合段位置對位移和內力的影響。表4為不同結合段位置下的位移、內力和索力。由于結合面位置的改變使得結合段兩側梁段的材料和截面特性發生改變，自重荷載的分布也隨之改變，為了保證荷載的一致性，將二期恒載作為施加的荷載。

由表4可知，隨著結合段的位置越靠近跨中，跨中撓度略有增大，而塔頂的橫向位移略有下降，但整體上影響并不大。結合面的軸力和彎矩受結合段位置的影響較大，越靠近跨中設置，結合面的內力越小，對該截面的受力是有利的，而跨中截面的內力受結合段位置的影響不大。由于在二期恒載作用下，部分索受壓，表4只給出了拉力較大的索的索力，仍然是靠近結合段的索受結合段位置的影響較大，例如中跨9#索。

表4　結合段位置對位移和內力的影響

綜上所述，結合段位置的改變對結合面的內力和附近索的索力影響較大，而對其他梁段和索力影響很小。

3.2結合段位置對自振特性和穩定系數的影響

表5為不同結合段位置下結構的前8階頻率。

表5　結合段位置對自振頻率的影響

由表5可知，結合段位置的改變對低階頻率的影響較大，而對高階頻率影響較小。相對豎彎，結合段位置對橫彎模態的影響較大，例如第三階橫彎模態，在結合段距塔中心22.8 m時相對距塔中心3 m時增大了4.7%，表明結合段靠近跨中能夠提高主梁的橫向剛度。

表6為不同結合段位置下結構的前兩階穩定系數。

表6　結合段剛度對穩定系數的影響

由表6可知，結構的第一階穩定系數受結合段位置的影響很小，而第二階穩定系數隨著結合段越靠近跨中而略有增大，但整體上影響不大。可見由于結合段的長度相對跨度較小，其對結構整體穩定性的影響可忽略不計。

4結論

通過改變鋼-混結合段的剛度和位置，研究其對斜拉橋全橋的位移、內力、自振特性和穩定系數的影響[5]，結果表明：

(1)結合段剛度的改變對結合段附近的梁段和索力影響較大，但對距離結合段較遠的梁段和索力影響很小。

(2)結合段剛度的改變對結構整體的自振特性和穩定性影響很小。

(3)結合段位置的改變對結合面的內力和附近索的索力影響較大，而對其他梁段和索力影響很小。

(4)結合段靠近跨中能夠提高主梁的橫向剛度。

參考文獻

[1]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社，2002.

[2]劉應才.大跨度斜拉橋結構計算分析研究[D].西南交通大學,2009.

[3]武利軍.基于Midas的斜拉橋索力優化方法與工程實例[J].公路與汽運,2012(5):163-166.

[4]宋雨,陳東霞.斜拉橋動力特性分析[J].廈門大學學報: 自然科學版, 2006,45(1):56-59.

[5]楊萬林,劉建軍,丁作常.貴州大跨徑斜拉橋建設發展與展望[J].公路交通科技:應用技術版, 2015(8).

【中圖分類號】U448.27

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-03-01