某地錨式懸索橋纜索剛度對靜力性能的影響分析

涂福韻 張小鳳

【摘要：】文章以某地錨式懸索橋為例，建立該橋空間有限元模型，通過調整主纜和吊桿抗拉剛度倍率，分析懸索橋纜索剛度變化后跨中位移及彎矩、主纜軸力及應力和吊桿軸力及應力的變化規律。結果表明：主纜抗拉強度對懸索橋靜力性能影響較大，隨著主纜抗拉強度的增加，主纜跨中豎向位移呈不斷減小的趨勢，加勁梁跨中彎矩不斷降低，主纜各處軸力不斷增大，吊桿各處軸力也呈不斷增大的趨勢;吊桿抗拉剛度對懸索橋靜力性能的影響較小，可忽略不計。

【關鍵詞：】地錨式懸索橋;主纜剛度;靜力性能;有限元

U448.25A541783

0 引言

懸索橋具有美觀、經濟和跨度大的優點，在大跨徑橋梁中具有較大的競爭力。懸索橋材料性能參數、結構構造參數及邊界條件參數與橋梁安全息息相關，因此上述參數的研究與優化一直是國內外橋梁學者們研究的重點[1]。魏唐清[2]通過建立自錨式懸索橋Midas Civi軟件l三維模型，在不同倍率下對主塔、主梁、橫隔板、主纜及吊桿剛度進行分析，以此研究了該橋的靜力和動力性能變化規律。包龍生等[3]依據撓度理論，采用Midas Civil建立了鋼混組合橋塔的自錨式懸索橋空間模型，對主纜的矢跨比、抗拉剛度等剛度參數進行橫向對比，研究了這些參數的變化趨勢。靳宗銳等[4]以河南桐柏自錨式懸索橋為工程背景，建立有限元模型，分析了各結構參數的變化對該橋靜力特性的影響，研究結果表明，抗拉剛度、矢跨比、加勁梁豎向抗彎剛度等參數對其靜力性能影響很大。主纜和吊桿是懸索橋的重要受力構件，研究纜索抗拉剛度對懸索橋的靜力性能影響規律對于該類橋梁的設計意義重大[5]。

本文以某地錨式懸索橋為實例，采用Midas Civil軟件建立了該橋成橋階段活載作用下靜力分析有限元模型，通過主纜和吊桿抗拉剛度的變化，分析了跨中位移及彎矩、主纜軸力及應力和吊桿軸力及應力的變化規律。該研究的結論可為同類型橋梁設計提供參考。

1 工程概況

某單跨地錨式懸索橋全長1 473.5 m，其中主跨長650 m，南、北引橋分別長600 m和210 m。該橋共有兩根主纜，中心間距為32.5 m，矢跨比為1∶9;標準吊索間距為12 m，近塔側吊索距塔中心線15.5 m;加勁梁為梁高3.5 m的扁平流線型鋼箱梁，正交異形板橋面。

2 懸索橋有限元模型的建立

2.1 主要材料參數

橋塔塔身材料采用C50混凝土，其材料性能參數如表1所示。

鋼箱梁材料采用Q345D鋼材，其材料性能參數如表2所示。

主纜材料采用強度為1 770 MPa高強鋼絲，其材料力學性能如表3所示。

2.2 空間有限元模型建立

本文采用有限位移理論法，通過橋梁結構分析軟件Mida Civil進行計算。全橋共分為439個節點、428個單元。模型中橋塔塔身及上、下橫梁、鋼箱梁都采用梁單元進行模擬，吊桿及主纜采用只受拉索單元進行模擬。該懸索橋模型節點單元劃分如圖1所示。

2.3 成橋階段活載作用下靜力分析

人群荷載標準值取2.5 kN/m2，車道荷載按照公路—I級荷載，考慮車道縱、橫向折減系數。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成：均布荷載標準值為10.5 kN/m;集中荷載標準值為360 kN。將各種效應值按規范規定組合后，對活載作用下主要控制點進行分析，主纜強度、吊桿強度、主纜跨中位移及加勁梁跨中彎矩計算結果分別如表4～6所示。

3 主纜抗拉剛度對懸索橋靜力性能的影響分析

主纜是懸索橋的重要組成構件之一，承受自身自重作用以及由吊桿傳遞而來的加勁梁恒載、鋪裝荷載及通行狀態下的人群荷載及車輛荷載[6]。主纜的抗拉剛度與其彈性模量及截面面積呈線性關系。為研究主纜的抗拉剛度對懸索橋靜力性能的影響，采用單一變量法，將主纜的彈性模量調整為原模型中的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2倍，其余材料參數、截面特性、約束方式均不改變，對不同主纜抗拉剛度下本橋加勁梁跨中彎矩、主纜位移和主纜、吊桿軸力及應力的變化規律進行分析。

3.1 對跨中位移及彎矩的影響

由表7可知：在活載作用下，隨著主纜抗拉剛度的提高，主纜跨中豎向位移呈不斷減小的趨勢，最大降幅約為5%;加勁梁跨中彎矩值逐步減小，在主纜抗拉剛度從0.8倍變至0.9倍時，下降趨勢明顯，在抗拉剛度從0.9倍變至1.2倍時，變化幅度相對較小。說明當在一定范圍內提高主纜的抗拉剛度可以有效減小主纜的跨中豎向位移且對加勁梁的受力有一定的改善。

3.2 對主纜軸力及應力的影響

由表8可知：在活載作用下，隨著主纜抗拉剛度的不斷增大，主纜各處軸力呈不斷增大的趨勢，且北塔邊跨側與北塔中跨側主纜軸力增幅相近，中跨L/4處與跨中處主纜軸力增幅相近;主纜最大應力呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不足1%，可忽略不計。

3.3 對吊桿軸力及應力的影響

由表9可知：在活載作用下，隨著主纜抗拉剛度的不斷增加，吊桿各處軸力呈不斷增大的趨勢，近塔側吊桿軸力增幅較小;中跨L/4處及跨中處吊桿軸力增加明顯且變化趨勢基本一致，在主纜抗拉剛度從0.8倍變至0.9倍時，增幅速率較大，此后軸力變化較為平穩。但從數值看，主纜抗拉剛度的改變對吊桿軸力及應力的影響較小，變化幅度不足1%，可忽略不計。

4 吊桿抗拉剛度對懸索橋靜力性能的影響分析

吊桿將加勁梁恒載、鋪裝荷載及橋面活載傳遞至主纜，是懸索橋的主要傳力構件[7]。吊桿的抗拉剛度與其彈性模量及截面面積呈線性關系。為研究吊桿的抗拉剛度對懸索橋靜力性能的影響，采用單一變量法，將吊桿的彈性模量調整為原模型中的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2倍，其余材料參數、截面特性、約束方式均不改變，對不同吊桿抗拉剛度下本橋加勁梁跨中彎矩、主纜位移，主纜、吊桿的軸力及應力的變化進行分析。

4.1 對跨中位移及彎矩的影響

由表10可知：在活載作用下，隨著吊桿抗拉剛度的不斷提高，主纜跨中豎向位移及加勁梁跨中彎矩值呈不斷減小的趨勢，主纜跨中位移變化幅度不足2 mm，加勁梁跨中彎矩變化幅度也不足0.1%。這表明吊桿抗拉剛度的改變對主纜跨中位移及加勁梁跨中彎矩的影響可忽略不計。

4.2 對主纜軸力及應力的影響

由表11可知：在活載作用下，隨著吊桿抗拉剛度的不斷提高，主纜各處軸力呈不斷增大的趨勢，北塔中跨側主纜軸力在吊桿抗拉剛度從1.1倍變化至1.2倍時，軸力僅增加0.4 kN，且各處軸力變化幅度不足0.1%;主纜應力在吊桿抗拉剛度從0.8倍變化至1.2倍時，總體變化僅為3 MPa。這表明吊桿抗拉剛度的改變對吊桿軸力及應力的影響可忽略不計。

4.3 對吊桿軸力及應力的影響

由表12可知：在活載作用下，隨著吊桿抗拉剛度的不斷增加，近塔側吊桿軸力先增后減，中跨L/4處吊桿軸力不斷增加，跨中處吊桿軸力先保持不變，后持續增加，但變化幅度不足0.2%;吊桿最大應力先持續增加，后降低，變化幅度不足2 MPa。這表明吊桿抗拉剛度的改變對吊桿軸力及應力的影響可忽略不計。

5 結語

本文以某地錨式懸索橋為實例，采用Midas Civil軟件建立了該橋成橋階段活載作用下靜力分析有限元模型，通過主纜及吊桿抗拉剛度的變化，分析了跨中位移及彎矩、主纜軸力及應力和吊桿軸力及應力的變化規律，得出以下結論：

（1）隨著主纜抗拉剛度的增加，主纜跨中豎向位移呈不斷減小的趨勢，減小幅度先增后減，加勁梁跨中彎矩不斷降低;主纜各處軸力不斷增大;主纜最大應力呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不足1%。

（2）適當增加主纜抗拉剛度能提高結構整體剛度，并在一定程度上減小活載作用下主纜跨中豎向位移及鋼箱梁跨中彎矩值，每提高0.1倍主纜抗拉剛度能減小約5%的主纜跨中豎向位移。

（3）在0.8～1.2倍變化范圍內，吊桿抗拉剛度對懸索橋靜力性能的影響較小，變化幅度均未超過0.2%，可忽略不計。

參考文獻：

[1]張 世.結構參數變化對自錨式懸索橋靜動力特性影響研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[2]魏唐清.自錨式懸索橋靜力性能及動力特性影響研究[J].湖南交通科技，2019，45（3）：156-158，195.

[3]包龍生，曹 鑫，于 玲，等.結構參數對鋼-混組合橋塔自錨式懸索橋靜力性能的影響研究[J].鐵道標準設計，2014，58（5）：60-64.

[4]靳宗銳，鄭 姣，徐 松.結構參數對自錨式懸索橋靜力性能的影響[J].山西建筑，2009，35（24）：315-316.

[5]肖汝誠，莊冬利，楊 樂，等.部分地錨式懸索橋的基本結構性能[J].同濟大學學報（自然科學版），2020，48（11）：1 545-1 55 1 587.

[6]葉 毅，陳鵬飛，郭 琦.自錨式吊拉協作體系橋結構參數敏感性分析[J].中外公路，2019，39（2）：80-83.

[7]唐 冕.大跨度自錨式懸索橋的靜動力性能研究與參數敏感性分析[D].長沙：中南大學，2007.