大跨度斜拉橋結構優化設計

劉曉娟　張胡澳

【摘要】隨著經濟與技術的發展，大跨度橋梁在公路建設中的地位也愈發重要，目前大跨度橋梁結構體系主要有懸索橋、斜拉橋。限制大跨度橋梁的發展主要有兩個因素：新型材料與結構體系優化，由于新型材料的發展不能滿足橋梁發展的需求，所以對大跨度橋梁結構系統進行優化尤為重要。

【關鍵詞】大跨度橋梁;特性分析;優化措施

前言

斜拉橋是現代大跨度橋梁的主要形式之一，尤其是在跨越峽谷、江河等難以修建橋墩或者由于地質原因不適合修建地錨的地方，斜拉橋成為首選橋型。斜拉索受拉、塔索受壓，充分發揮了鋼材的抗拉性能與混凝土的抗壓性能，但是由于斜拉索是柔性結構，具有柔度大、質量輕、阻尼小的特點，隨著斜拉橋跨度的增大，斜拉索也隨之增長，極易在環境荷載作用下發生參數振動，如破壞錨具、拉索疲勞破壞等嚴重影響橋梁結構的安全性和耐久性。本文以某特大橋為工程背景，通過分析其動力特性，提出優化措施。

1 動力特性分析

該特大橋主橋為52m+105m+320m+105m+48m的五跨雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，主橋采用半漂浮體系，主梁為雙向預應力混凝土結構，兩索塔高度分別為204.8m、200.9m，索塔上部采用H型構造、下部采用柱形構造。

采用midas建立有限元模型，主梁采用單主梁模型脊梁模式，橋塔橫梁采用空間梁單元進行模擬，拉索采用分段直桿法進行模擬，拉索的垂度效應引起的非線性問題在靜力分析時由等效彈性模量解決，由于對動力特性的影響不大，故可忽略，將以線彈性單元模擬拉索。全橋成橋動力有限元模型如圖1所示。

（2）頻率比的影響

假定索的初始擾動W1（0） = 10-4m，橋面質量塊的初始擾動為X（0） = 0.1m，暫不考慮拉索以及橋面阻尼的影響，做出拉索X激勵頻率與拉索頻率在[0.2，3]內拉索的跨中振幅變化，如圖2所示，令ωr=ω3/ω2：

分析上圖可以得到，在本文假定條件下：斜拉索主共振振幅峰值發生在ω3/ω2=1.02處，振幅為3.5627 m亞諧波參數共振振幅峰值發生在ω3/ω2=2.083處，振幅為5.8401m。

（3）位移時程分析

橋面質量塊的初始擾動為X（0） = 0.1m，拉索初始擾動W1（t）=0.0001m，暫不考慮阻尼，做出拉索X當ω3/ω2=1、ω3/ω2=2時的拉索時程響應曲線以及橋面時程響應曲線如圖3、4所示：

從以上索-橋耦合的時程位移曲線分析可知，存在如下現象：

（1）耦合振動中，在ω3/ω2=1、ω3/ω2=2時，拉索、橋面質量塊振幅均呈現出“拍”弦向，且響應振幅此消彼長，說明在參數振動過程中能量在拉索與橋面之間相互轉化，若是無阻尼系統應符合能量守恒定律;

（2）在索-橋耦合振動中，拉索相對于初始擾動，響應振幅較大，但是幅寬較小，橋面相對于初始擾動幅值變化不大。

（3）由上圖可知，雖然不計算阻尼，但是拉索和橋面的最大振幅同樣會隨時間增加而減小，且拉索幅寬增大。這是由于在索-橋耦合振動中，拉索、橋面能量相互傳遞，且拉索拉索最大位移處對于橋面質量塊最小位移處，于是在耦合振動過程中，拉索與橋面質量塊最大振幅逐漸減小，最小振幅逐漸增大，能量依舊守恒。

2 優化措施

（1）局部優化

對于大跨度橋梁、能夠進行局部優化的方面有很多。如加勁梁的橫截面積、主纜的動力、橋墩及基礎等。首先對加勁梁的橫截面積優化的方向很清晰、目前混凝土梁由于諸多明顯的缺點，已基本退出歷史舞臺。故而采用鋼制梁是目前最主流也是最優化解。其次是對于主纜的動力，由于斜拉橋的跨度較大，橋梁的橋面較軟，阻尼值也較低，其主要通過纜索進行支撐，一旦發生較大風時，容易在主梁與拉索間產生耦合振動，因此優化主纜動力不僅能夠提升斜拉橋承重，還能很好的消除橋梁的安全隱患。橋梁的墩臺和基礎對于橋梁的重要性不言而喻。基礎能夠決定橋梁的穩定性，也能夠為增加橋梁使用壽命起到至關重要的作用。

（2）整體優化

相比小跨度橋梁，大跨度橋梁的結構更為復雜，變量也更多，并且絕大部分都是高次超靜定的結構，因此在設計的過程中很難對橋梁的信息進行全面地掌握。要對大跨度橋梁的整體進行優化，需要考慮的因素更多。需要設計人員盡可能的考慮全面。比如橋梁的整體造價預算、預計使用年限、施工的可行性、觀賞性等。在預算范圍內進行合理的設計、是保證橋梁安全和經濟的核心。

（3）上部結構優化

在設計初期，通過優化上部結構最大程度上提升橋梁性能。在進行橋梁上部結構優化時，承載能力、施工工藝的熟練度、高跨比、船只行駛條件等都是都是需要考慮的因素。不僅如此，由于大跨度斜拉橋的非線性條件以及收縮徐變受到的影響加大，還需對索力的受力和位移進行優化。面對日益增加的車流及裝載量，承載能力是上部結構優化的重要指標之一。加大的承載能力的建設力度，才能保證橋梁具有良好的穩定性，進而才能使施工工藝得到進一步的優化。大跨度橋梁通常是建立大水域上方，保證了水上交通便利的同時，不可避免的要考慮到大噸位輪船的通行高度，合理的高跨比也是需要優化的點。

（4）橋梁下部結構優化

下部結構的優化設計的目的主要是為了滿足上部結構的支撐需求，實現上下部在外形結構、功能分布上的協調統一。下部結構主要考慮的是合適的橋墩高度以及橋墩的類型。具有自重輕、易施工、穩定性能強等優點的柱式墩應用最廣。大跨度斜拉橋考慮通航條件通常會采用高墩的形式，因此要嚴格計算其最大承載力和分析其極限值，這將對橋梁整體穩定性起到至關重要的作用。由于相鄰高墩之間的穩定性是相互制約的，設計時要選擇其中一個甚至是全橋的高墩進行全面的研究分析，如要確定其正常荷載以及臨界條件下的荷載穩定性。、

3 結語

隨著我國經濟的不斷發展，交通行業在社會經濟中有著不可或缺的作用。這其中，橋梁工程的快速發展更是我國經濟發展的有力推手。本文通過對目前常見的大跨度斜拉橋動力特性進行了分析，同時有針對性地從局部到整體、從上部到下部綜合全面的提出了橋梁的優化措施，希望能為大跨度斜拉橋的設計提供一定的參考。

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