蔣維剛 徐利平

超大跨徑斜拉橋受力特性分析

蔣維剛 徐利平

就 1 600m斜拉橋在方案試設計過程中遇到的問題進行了一些探討,對斜拉橋跨徑增大后在動力特性方面表現(xiàn)出與常規(guī)斜拉橋的不同進行了概念分析;此外,從靜力和動力的角度分析了 1 600m斜拉橋在施工長懸臂階段的受力情況,驗證了最大單懸臂狀態(tài)的施工安全性。

斜拉橋,動力特性,單懸臂階段

0 引言

斜拉橋是一種橋面體系受壓,支承體系受拉的橋梁。其橋面體系用加勁梁構成,其支承體系由鋼索組成。該種橋型不僅具有受力明確、跨越能力強的特點,而且也具有很強的景觀效果,能夠很好的與不同的建橋環(huán)境相融合,常常能在方案設計階段脫穎而出。

1956年,瑞典的 Str?msund橋拉開了現(xiàn)代斜拉橋建設的序幕,至今全世界已建成 300余座,跨徑已經達到了超千米級水平,以目前我國的蘇通長江公路大橋為代表(主跨 1 088m),蘇通大橋的建成更是增強了一大批橋梁設計、科研人員對建造更大跨徑斜拉橋的信心;在 2006年的中國香港“國際橋梁工程會議”中,丹麥的 Gimsing教授指出“由于主梁軸力、架設穩(wěn)定性等方面的原因,在接下來的半個世紀里,傳統(tǒng)的自錨式斜拉橋尋找的突破跨度在1 200m～2 000m之間”。

本文對 1 600 m的傳統(tǒng)自錨斜拉橋進行了試設計,參考了蘇通大橋相關技術標準,分析了其動力特性和施工階段的靜力行為。

1 成橋動力特性分析

大跨度斜拉橋是柔性結構,且大多為跨海大橋,橋址處自然環(huán)境特別惡劣(如風、雨),關注其自身的振動特性就顯得尤為重要,本文對已建空間模型進行特征值分析,比較了在不同梁高的情況下,主跨 1 600m斜拉橋方案在成橋狀態(tài)典型動力特性,見表 1。計算模型如圖 1所示。為了減小風阻系數(shù),盡量減小索塔所受的風荷載,本次索塔的截面采用多邊形的形式,橋塔采用“A”形塔,主梁采用的是流線型封閉鋼箱梁,采用鋼材為 Q345qD,屬于薄壁結構,梁高 4.5m。

表1 主跨 1 600 m斜拉橋動力特性表

《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(下面簡稱抗風規(guī)范)中的簡化公式為：按照抗風規(guī)范對結構進行顫振穩(wěn)定性檢驗,顫振穩(wěn)定性系數(shù)If為：

其中,[Vcr]為結構的顫振檢驗風速;ft為結構的扭轉基頻;B為橋面全寬。

由此可計算得 If=19.8＞7.5,根據(jù)抗風規(guī)范第 6.3.3可知,應對主梁進行氣動選型,通過節(jié)段模型試驗、全橋模型試驗和詳細的顫振穩(wěn)定性分析進行詳細的試驗,必要時應采取振動控制技術。

從表 1中可以看出：主跨 1 600m的斜拉橋的一階振動形式表現(xiàn)為側彎,這樣的振動形式不同于現(xiàn)已建的千米級以下的斜拉橋,這主要是由于主跨跨徑增加后,隨著橋跨不斷增大,橋梁的寬跨比越來越小,其側向剛度降低的緣故。

無論是一階振動還是二階振動,其振動周期都是隨著梁高的增加而減小,但減小的幅度不大,對應的周期都比較接近。由此可知從動力特性的角度出發(fā),主梁的高度在滿足方便施工的情況下是可以自由選擇的。

2 施工階段分析

在斜拉橋的設計過程中除了對其進行成橋狀態(tài)的受力分析外,還須對其進行施工的各階段進行分析,以保證施工的可行性,這一點在國內外規(guī)范中都有體現(xiàn);對于超千米級跨徑的斜拉橋來說,其施工階段的可行性分析更為重要,本次概念設計中主要對其施工最大單懸臂階段進行了模擬分析,通過分析探索在極限風荷載作用下,主跨 1 600m這樣的超千米級斜拉橋的最大單懸臂施工能否按照常規(guī)的斜拉橋施工來進行。

對于主跨 1 600m的斜拉橋,其最大單懸臂施工階段的懸臂長度達到 792m(蘇通大橋施工階段最大單懸臂長度為 536m),控制最大單懸臂階段的荷載主要是極限風荷載,索塔、主梁尺寸同前。

為了研究最大單懸臂階段在風荷載下的動力振動特性,首先就得掌握該階段結構的整體振動特性,單懸臂階段的振動特性如表 2所示。

由此可知施工階段首先出現(xiàn)的為側彎振動,應采取相對應正確的抗風措施。

表2 最大單懸臂下的動力特性

3 結語

本文對主梁采用封閉鋼箱梁主跨為 1 600m的斜拉橋進行了成橋和最大單懸臂階段的結構分析,得到了一些有益的成果：

對于主梁采用封閉鋼箱梁的超千米級斜拉橋,通過計算分析可知：控制主梁截面設計的荷載工況為極限橫向風,在此工況下主梁的角點應力達到 329MPa,按照設計要求采用Q420的鋼板是可以滿足設計要求的,索塔的最大拉、壓應力分別為 1.3 MPa,27MPa,按照規(guī)范要求混凝土標號需用到 C70。

從結構的動力特性分析結果可知,采用漂浮體系后結構屬于長周期結構,對抗震是比較有利的,但和一般的斜拉橋是有區(qū)別的,結構首先出現(xiàn)的振動形式為側彎的形式,這表明隨著橋梁主跨跨度的增加,結構的側向剛度逐漸降低,成為設計的薄弱環(huán)節(jié);另外參考相關文獻可以知道對主跨 1 200m的斜拉橋結構,其第一階振動形式也表現(xiàn)為側向彎曲,而我國建設的蘇通長江公路大橋(1 088m)其一階振動形式表現(xiàn)為縱漂,由此我們可以找到一個規(guī)律：在今后建造更大跨徑斜拉橋時要特別注意其側向剛度的設計,側向的振動會對結構帶來一系列的問題,如鋼箱梁的疲勞問題等。

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Analysis on mechanical characteristics of long-span cable-stayed bridge

JIANG W ei-gang XU Li-ping

This paper discusses p roblems encountering in scheme design process of 1 600m cab le-stayed bridge,analyzes dynamic features difference between common cable-stayed and cab le-stayed bridge after increasing span.Moreover,it analyzesmechanical condition of 1 600m cable-stayed bridge at long cantilever construction phase from static and dynam ic aspects,and proves the construction security under the largest single cantilever state.

cable-stayed bridge,dynamic characteristics,single cantilever phase

U 448.27

A

1009-6825(2011)03-0161-02

2010-09-26

蔣維剛(1985-),男,助理工程師,同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200000

徐利平(1964-),男,教授級高級工程師,同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200000