葛 娟

雙鏈懸索橋的吊桿長度計(jì)算方法分析

葛 娟

結(jié)合工程實(shí)例,對節(jié)線法進(jìn)行計(jì)算原理分析,并且利用軟件 MIDAS作為計(jì)算平臺,對雙鏈懸索橋的吊桿長度進(jìn)行了計(jì)算,得出計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)及實(shí)際成橋狀態(tài)下的吊桿長度一致的結(jié)論。

雙鏈懸索橋,節(jié)線法,初始平衡狀態(tài),吊桿長度

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展,橋梁建設(shè)的變化也是日新月異,尤其是隨著高強(qiáng)度鋼絲材料的廣泛應(yīng)用,作為大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)形式,懸索橋的數(shù)量與跨度均顯示出逐年增長的趨勢。目前,地錨式單鏈懸索橋的結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)趨于成熟,而在一個吊桿平面內(nèi)具有兩根主纜的雙鏈懸索橋因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式,研究文獻(xiàn)相對較少。本文主要對節(jié)線法進(jìn)行計(jì)算原理分析,并且利用大型軟件MIDAS作為計(jì)算平臺,對雙鏈懸索橋的吊桿長度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)及實(shí)際成橋狀態(tài)下的吊桿長度一致。

1 懸索橋

懸索橋的承重結(jié)構(gòu)主要為主纜、塔橋及錨碇構(gòu)成的大纜系統(tǒng),其次為加勁梁,吊索用來連接主纜和加勁梁,主纜為幾何可變體系,主要靠其自重及恒載產(chǎn)生的初始拉力及改變幾何形狀來獲得結(jié)構(gòu)剛度,以抵抗荷載產(chǎn)生的變形,纜索受力呈明顯的幾何非線性性質(zhì)。

2 雙鏈懸索橋

2.1 雙鏈懸索橋特征

雙鏈懸索橋又名雙索懸索橋,是在一個吊桿平面內(nèi)設(shè)有兩根主纜的懸索橋,上下主纜在全跨范圍內(nèi)均勻布置有吊索吊拉橋面加勁梁,相比單鏈懸索橋具有較大的剛度,對非對稱荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)。因?yàn)榇嬖谏舷码p鏈吊桿,突破了懸索橋單鏈的傳統(tǒng)模式,因此雙鏈懸索橋常作為景觀橋建造。

2.2 工程背景

某雙鏈單跨懸索橋主索跨度 210m,邊跨跨度 65m;橋面系采用鋼桁架梁,橋面橫梁采用Ⅰ45a型鋼(Q 235),縱梁采用[25b型鋼(Q 235),橋面板采用10mm厚Q 345鋼板;人行道板采用6mm厚花紋Q235鋼板;塔架采用C 30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),塔架柱截面尺寸為1.5m(橫橋)×1.8m(順橋)。雙鏈懸索橋示意圖如圖1所示。

3 M IDAS有限元分析

3.1 理論分析

懸索橋與一般中小跨徑橋梁的區(qū)別就是懸索橋的自重和大部分施工荷載主要由主纜來承擔(dān)。特別是成橋后在恒載作用下主纜和吊桿的張力、橋形應(yīng)與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。懸索橋的主纜是變形性很大的承重構(gòu)件,施工過程中主纜和加勁梁的幾何形狀變化非常大,所以進(jìn)行懸索橋設(shè)計(jì)時,要做逆施工階段分析(倒拆分析),為了做考慮幾何非線性的倒拆分析還需要做自重荷載下的初始平衡狀態(tài)分析。

懸索橋在加勁梁的自重作用下產(chǎn)生變形后達(dá)到平衡狀態(tài),在滿足設(shè)計(jì)要求的垂度和跨徑條件下,計(jì)算主纜的坐標(biāo)和張力的分析一般稱為初始平衡狀態(tài)分析。這是對運(yùn)營階段進(jìn)行線性、非線性分析的前提條件,所以應(yīng)盡量使初始平衡狀態(tài)分析結(jié)果與設(shè)計(jì)條件一致。

3.2 節(jié)線法

節(jié)線法采用了日本Ohtsuki博士使用的計(jì)算索平衡狀態(tài)方程式,是利用橋梁自重和主纜張力的平衡方程計(jì)算主纜坐標(biāo)和主纜張力的方法,本文利用主纜坐標(biāo)進(jìn)而得到各根吊桿的長度。懸索橋的初始平衡狀態(tài)分析階段是以懸索橋的基本假定為基礎(chǔ),利用節(jié)線法來計(jì)算空纜線形的過程,節(jié)線法基本假定如下：

1)吊桿僅在橫橋向傾斜,垂直于順橋向。2)主纜張力沿順橋向分量在全跨相同。3)假定主纜與吊桿的連接節(jié)點(diǎn)之間的索呈直線形狀,而非拋物線形狀。4)主纜兩端坐標(biāo)、跨中垂度、吊桿在加勁梁上的吊點(diǎn)位置、加勁梁的恒荷載等為已知量。

3.3 建立模型

利用MIDAS軟件里的懸索橋建模助手建立雙鏈懸索橋模型。因?yàn)榇穗p鏈懸索橋?yàn)榫坝^橋,主纜上鏈只承受活載作用,因此在建立模型時,采用半跨加節(jié)點(diǎn)荷載的形式來模擬雙鏈懸索橋的受力狀態(tài),生成初步的雙鏈懸索橋平衡體系,繼續(xù)利用懸索橋分析控制功能進(jìn)行精確的初始平衡狀態(tài)分析,通過位移形狀和加勁梁的彎矩分布判斷結(jié)構(gòu)是否處于初始平衡狀態(tài),為了使加勁梁的彎矩分布更加均勻,可以通過調(diào)整吊桿張力和施工預(yù)拱度的方法來進(jìn)行模型的調(diào)整,最終建立的雙鏈懸索橋計(jì)算模型如圖 2所示,吊桿分布如圖 3所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過迭代計(jì)算,建立的雙鏈懸索橋計(jì)算模型達(dá)到平衡狀態(tài),得到收斂后的主纜坐標(biāo),而吊桿與主纜相交點(diǎn)的坐標(biāo)和吊桿與加勁梁相交點(diǎn)的坐標(biāo)之差即是吊桿的長度,吊桿坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示(以半跨為例)。

表1 吊桿坐標(biāo) m

計(jì)算結(jié)果與橋梁設(shè)計(jì)目標(biāo)一致,與施工完成后成橋階段的吊索長度相符,表明本文計(jì)算結(jié)果正確可信。

4 結(jié)語

雙鏈懸索橋相對于傳統(tǒng)的單鏈懸索橋來說,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,纜索受力不清晰,初始平衡狀態(tài)較難得到。本文通過對節(jié)線法計(jì)算原理的分析,借助軟件計(jì)算平臺,迭代計(jì)算得到某雙鏈懸索橋的初始平衡狀態(tài),進(jìn)而求出橋梁成橋狀態(tài)需要的吊索長度,通過與設(shè)計(jì)目標(biāo)及施工完成后的成橋狀態(tài)進(jìn)行對比,計(jì)算結(jié)果正確。通過上述計(jì)算,可得出以下結(jié)論：1)節(jié)線法的計(jì)算結(jié)果接近結(jié)構(gòu)實(shí)際成橋狀態(tài),計(jì)算結(jié)果精確度較高。2)節(jié)線法計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)依賴于初始平衡狀態(tài)與實(shí)際成橋狀態(tài)的疊合程度,但是對于復(fù)雜的懸鏈結(jié)構(gòu),調(diào)整到一個與實(shí)際成橋狀態(tài)完全疊合的初始平衡狀態(tài)并不容易,需要經(jīng)過很多次的迭代,這將嚴(yán)重影響工作進(jìn)度,因此節(jié)線法的完全應(yīng)用還需要借助于具有強(qiáng)大迭代功能的大型計(jì)算軟件,從而節(jié)省工作時間,提高效率。

[1] 周孟波.懸索橋手冊[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2] 雷俊卿.懸索橋設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2001.

[3] 賀栓海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法[M].北京：人民交通出版社,2003.

[4] 林麗霞,丁南宏,吳亞平.雙索懸索橋自振特性分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,24(4)：17-19.

[5] 何惟煌.大跨度懸索橋損傷識別方法研究[J].山西建筑, 2010,36(14)：326-327.

Analysis on suspender length calculationmethods of double-chain suspension bridge

GE Juan

Based on project case,itanalyzes the calculationmethods of section linemethod,usesMIDASas calculating platform,calculates the suspender length of doub le-chain suspension bridge,and finds out that the calculation resu lt is in accordance with actual suspender length under bridge forming condition.

double-chain suspension bridge,section linemethod,initial equilibrium state,suspender length

U 448.25

A

1009-6825(2011)09-0191-02

2010-12-05

葛 娟(1981-),女,助理工程師,中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西西安 710065