常 贊

(長沙理工大學土木與建筑工程學院,長沙410004)

0 引 言

在實際施工過程中,影響懸索橋線形的因素很多,如結構自重、溫度、結構剛度和邊界條件等結構參數(shù).由于懸索橋的柔性比較大[1],在靜力荷載作用下橋梁將產(chǎn)生較大的變形.這些因素的不確定性會對懸索橋線形產(chǎn)生一定的影響.以往對于自錨式懸索橋結構參數(shù)的敏感性分析較多,地錨式懸索橋結構參數(shù)對全橋線形的研究較少

本文是以一座在建的大跨度懸索橋為工程背景,該橋為單跨地錨式懸索橋,南岸為隧道式錨,北岸為重力式錨,主梁為鋼箱梁,跨中設中央扣,索塔為鋼筋混凝土門式框架結構,是一個很典型的地錨式懸索橋例子,運用大型通用有限元程序建立全橋模型,通過改變重要參數(shù)結構自重、溫度、結構剛度和邊界條件分析這些參數(shù)對全橋靜力特性的影響,得出的結論可為以后同類橋梁的設計和施工提供有益的理論參考依據(jù).

圖1 全橋模型圖

1 建立模型

運用大型通用有限元程序建立了該橋全橋三圍空間模型.該橋主跨為820 m,吊桿分布為13.2 m+62×12.8 m+13.2 m,南岸橋塔高139.442 m,北岸橋塔高127.442 m,南岸錨定為隧道式錨,北岸錨定為重力式錨,鋼箱梁高3 m,寬29.1 m,索塔為C50鋼筋砼門式框架結構(如圖1).全橋劃分為507個單元,共有517個節(jié)點.主纜和吊桿為只受拉桁架單元,加勁梁和索塔為梁單元.橋塔均為固定支座,跨中位置主纜和加勁梁垂直連接采用剛性連接.

2 影響橋梁結構的參數(shù)

2.1 結構自重

結構自重主要由結構的尺寸和容重來確定,但實際工程中結構尺寸和容重均在局部會有出入,以及加勁梁在安裝過程中要加入大量的螺栓,拼接板等,所以結構的自重有可能大于設計值,這就對橋的整體線形和受力產(chǎn)生了影響.自重偏重一般在5%～10%,為了讓結果更加明確且具有對照性,在這里分別取自重增加5%、10%、20%來分析自重改變對該橋靜力特性的影響.

2.2 溫度

影響溫度分布的外部因素主要是大氣溫度變化的作用,如日照、晝夜溫差、寒流、風、雨、雪等各種氣象因素的作用.影響溫度分布的內(nèi)部因素主要是結構的熱物理性質、構件形狀等.由于日照溫差和驟然降溫在時間上變化快、作用范圍存在局部性[2-4],難以進行整體分析,在這里不考慮這兩種溫度荷載.年溫差變化較均勻,整體變形大,便于仿真分析.根據(jù)設計資料,體系降溫為29℃,體系升溫為26℃.

2.3 橋塔剛度

當結構各構件長度保持不變時,結構的剛度由構件材料的彈性模量E和幾何特性A、I以及支撐條件決定.混凝土彈性模量隨著時間的變化而變化[5],一般可增加10%～15%,混凝土強度實際值往往比規(guī)范建議值高,這使得混凝土彈性模量E值比規(guī)范建議值高,參考規(guī)范建議值以及結合具體情況,實際中混凝土彈性模量E取值通常比理論值要高10%左右.計算時分別取索塔剛度增加5%、10%、20%.

2.4 邊界條件

橋梁結構的實際邊界條件相當復雜[6-7],支承連接設施本身存在一定的摩阻力,并在外荷載下表現(xiàn)出彈性或非彈性的變形,與理想的“鉸接”、“剛接”有一定的差異,所以橋的實際邊界條件與設計時的邊界條件也有一定的差別.該橋在設計時主索鞍位置處的邊界條件是索塔和主纜在一點固結,而實際的邊界條件是在主索鞍處主纜與索鞍在一條弧線上多點固結形成邊界.分析時將索鞍位置的邊界條件調(diào)整為主纜與索塔在多點固結

3 參數(shù)的敏感性分析

3.1 結構自重敏感性分析

由于結構尺寸和容重的偏差,以及其他零部件的重量,在其他參數(shù)不變的情況下,分別考慮結構自重偏大5%、10%、20%.結構自重偏大導致成橋面下?lián)虾退魉用娣较蚱?如圖2所示).跨中下?lián)媳容^明顯,偏重5%時最大下?lián)线_到17 cm,偏重10%時最大下?lián)线_34 cm,偏重20%時最大下?lián)线_68 cm,橋面位移以跨中為對稱軸成拋物線變化.索塔偏位自塔底向塔頂遞增,偏重5%時索塔塔頂偏位最大達到1.9 cm,偏重10%時索塔塔頂偏位最大達到3.7 cm,偏重20%時索塔塔頂偏位最大達到7.5 cm.由此可見,自重的變化對該橋的線形有較大影響.

3.2 溫度敏感性分析

考慮年溫差作用,結構整體升溫26℃,體系降溫29℃.整體升降溫對懸索橋位移的影響(如圖3).

當結構整體升溫和降溫時,對橋跨中的位移和塔頂影響最大,升溫時跨中撓度增大,最大達到61 cm,降溫時跨中撓度減小,最大值達到68 cm.升溫時橋塔偏位增大,最大達到7 cm,降溫時索塔偏位減小,減小最大值達5.3 cm.由圖3可知,整體升溫和整體降溫對懸索橋線形產(chǎn)生的影響曲線基本對稱,而單條曲線近似成拋物線.

3.3 結構剛度敏感性分析

混凝土的彈性模量隨著時間是不斷增大的,彈性模量增大使得混凝土實際強度值比設計值大,混凝土強度增加使得懸索橋的整體剛度增大,懸索橋索塔剛度變化對全橋線形的影響如圖4所示.由圖4可知索塔剛度增大,橋面上拱,索塔往背河向偏移,跨中上拱位移最大4 cm,塔頂位移僅1 cm.相對于橋的原始位移,由索塔引起的結構剛度增加對結構線形的影響不大.

圖4 結構剛度誤差效應

3.4 邊界條件敏感性分析

懸索橋的實際邊界條件與設計時所用的邊界條件是有一定差別的,改變該橋在索塔塔頂位置的邊界條件,由主纜與索鞍在一點固結調(diào)整為主纜與索鞍在一條弧線上多點固結.改變邊界條件對懸索橋線形的影響如圖5所示.由圖5可知邊界條件的改變導致橋面位移減小,橋面上拱,跨中影響最大,索塔偏位基本保持不變.

圖5 邊界條件誤差效應

4 結 論

(1)敏感性參數(shù)如:結構自重、溫度、索塔剛度和邊界條件對大跨懸索橋的線形都有一定的影響,對跨中撓度影響最大.而各參數(shù)中結構自重對懸索橋線形影響是最大的,其次是溫度的影響,相對于自重和溫度的影響,索塔剛度和邊界條件對懸索橋的線形影響相對較小.

(2)敏感性參數(shù)對主梁撓度的影響是:自重增大、整體升溫導致橋面下?lián)显龃?整體降溫、結構剛度增大、改變索塔處邊界條件使得橋面上拱撓度減小;敏感性參數(shù)對索塔線形的影響是:自重增大、整體升溫使索塔向河心偏移,整體降溫、結構剛度增大、改變索塔處邊界條件使索塔向兩岸偏移.

(3)通過對敏感性參數(shù)的分析研究,可以提高懸索橋仿真計算的精度,準確的控制施工過程中的結構線形,對施工控制提供有益的理論參考.

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