多塔懸索橋加勁梁豎向支撐型式的分析
2018-03-05
引言
懸索橋是由主纜、吊索、加勁梁、橋塔以及錨碇組成的柔性橋梁結(jié)構(gòu)，橋塔的設(shè)計(jì)和加勁梁的支撐型式對懸索橋的整體結(jié)構(gòu)變形起著主要的影響作用[3]。本文中所討論的多塔懸索橋是在橋塔處連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，由于加勁梁為連續(xù)梁形式，僅靠吊索對加勁梁的約束作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在中間橋塔處對加勁梁采取合理的支撐型式值得進(jìn)一步的研究和討論。本文中研究了全橋縱向漂浮體系、在中間橋塔處設(shè)置豎向支座的體系以及梁塔墩固結(jié)體系的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性，主要討論了多塔懸索橋中間橋塔采用門式混凝土塔型式下的支撐體系比較。
門式混凝土橋塔下支撐型式對結(jié)構(gòu)特性的影響
2．1計(jì)算模型
選取主跨為1080m，邊跨為350m的三塔兩跨懸索橋結(jié)構(gòu)，建立空間計(jì)算分析模型，計(jì)算模型主梁采用扁平流線型全焊鋼箱梁，主纜采用φ5.35mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，矢跨比為1/11，橋塔型式采用門式混凝土橋塔，邊塔塔高均為152m，中間橋塔高度為190m[2]。三塔懸索橋結(jié)構(gòu)的約束條件是：主纜錨固處和主塔塔底為固結(jié)，主纜在塔頂主鞍中心處按永不脫離點(diǎn)考慮，加勁梁梁端豎向、橫向、扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向與塔橫梁相應(yīng)節(jié)點(diǎn)主從，變形一致；中塔處橫向、扭轉(zhuǎn)兩個(gè)方向與塔相應(yīng)節(jié)點(diǎn)主從，縱向、豎向飄浮，由兩相距較近的吊索支承。比較了下面三種支撐型式的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移：1）全橋縱飄；2）加勁梁在中塔設(shè)置豎向支座，簡稱門式豎向；3）加勁梁采用兩個(gè)伸出剛臂與塔墩固結(jié)，簡成單柱固結(jié)。
圖1 模型的總體布置圖(單位：m)
靜力學(xué)特性的比較
在汽－超20活載作用下，比較了三種支撐型式下，加勁梁的彎矩、軸力和變形以及橋塔的內(nèi)力和位移。
圖2 加勁梁撓度包絡(luò)圖圖2 加勁梁軸力包絡(luò)圖
表1加勁梁內(nèi)力、變形比較
表1中分別列出了三種支撐體系加勁梁在1/4跨處、跨中處、3/4跨處和中塔處的內(nèi)力、撓度以及梁端的縱向位移。從表中可以看出，梁塔墩固結(jié)的約束方式與設(shè)置豎向支座和全橋縱飄相比，加勁梁中塔處的最大彎矩增大，固結(jié)后加勁梁在L/4處、L/2處、3L/4處的彎矩減小，設(shè)置豎向支座比全橋縱飄中塔處的加勁梁彎矩增大53.6%，梁塔墩固結(jié)比豎向支座中塔處的加勁梁彎矩增大17.4%。
由軸力包絡(luò)圖可以看出，單柱固結(jié)比采用豎向支座的模型要產(chǎn)生更大的加勁梁軸力，在中塔處軸力增大20%；設(shè)置豎向支座比全橋縱飄的加勁梁軸力減小2.8%。
從加勁梁撓度包絡(luò)圖可以看出，加勁梁中塔處與塔墩采用剛性固結(jié)后，加勁梁撓度變形明顯減小。豎向支座約束和全橋縱飄時(shí)加勁梁最大撓度發(fā)生在跨中附近；單柱固結(jié)約束加勁梁跨中撓度稍小于1/4跨和3/4跨，最大撓度發(fā)生在3/4跨附近。從表1中可以看出，單柱固結(jié)比豎向支座時(shí)加勁梁最大正撓度減小37%，梁端縱向位移變?yōu)樵瓉淼?.3%，設(shè)置豎向支座與全橋縱飄的位移變化很小。全橋縱飄時(shí)中塔處有0.261m的正撓度產(chǎn)生。
表2中間塔受力的影響
表2中可以看出，加勁梁在中塔處采用豎向支座或是剛性固結(jié)對邊塔的影響不大，單柱固結(jié)后，中塔的不平衡力增大了35%，塔頂位移減小了65%，塔底彎矩變?yōu)樵瓉淼?1%。全橋縱飄與設(shè)置豎向支座對橋塔受力的影響很小。
2．3自振特性的比較
對不同支撐型式的三塔懸索橋模型進(jìn)行自振特性計(jì)算，比較相同振型下，各懸索橋結(jié)構(gòu)自振頻率。
表3門式塔自振頻率表
表3中分別列出了各種振型特性下的第一階頻率，由計(jì)算結(jié)果可以看出，全橋縱飄與設(shè)置豎向支座對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率影響很小。門式中塔處采用剛結(jié)比豎向支座，三塔懸索橋相同振型的自振頻率增大。剛性固結(jié)使得懸索橋橫向振動(dòng)頻率有所提高，全橋豎向反對稱振動(dòng)頻率得到顯著提高，對全橋扭轉(zhuǎn)頻率影響很小。加勁梁與塔墩固結(jié)后，使得加勁梁的縱向位移受到很大的約束所致，模型在前25階振型中沒有出現(xiàn)縱飄。
結(jié) 語
本文利用BNLAS軟件對三塔兩跨連續(xù)體系懸索橋的加勁梁支撐型式進(jìn)行了研究，比較了兩種橋塔情況下，加勁梁采取全橋縱飄、在中間橋塔處設(shè)置豎向支座和梁塔墩固結(jié)的幾種支撐型式對連續(xù)體系懸索橋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的影響。通過分析計(jì)算，得出一部分結(jié)論，希望可以為多塔懸索橋的設(shè)計(jì)提供參考。
⑴、加勁梁與門式中間橋塔、橋墩剛性固結(jié)后，使得多塔懸索橋結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，結(jié)構(gòu)的位移明顯減小，加勁梁的最大彎矩增大，橋塔中的彎矩變化復(fù)雜，但可以明顯地減小塔底的彎矩；
?、?、梁塔墩固結(jié)對多塔懸索橋的縱飄振動(dòng)頻率有很顯著的影響，對結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)頻率有一定的影響，但對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的影響非常小。
總的來說，多塔連續(xù)體系懸索橋加勁梁采用梁塔墩固結(jié)的支撐型式，可以有效的減小結(jié)構(gòu)的變形，提高整體剛度。
參考文獻(xiàn)：
[1] Nazir, C. P.(1986).“ Multispan balanced suspension bridge.” J. Struct. Eng., 112(11), 2512–2527.
[2] 嚴(yán)國敏，編譯，6000m海峽通道采用的兩個(gè)懸索橋方案[J]，國外公路，1998（1）。
[3] 周孟波. 懸索橋手冊[M ]. 北京: 人民交通出版社,2003: 36 - 79
