許圣祥, 霍學晉

(1. 四川巴陜高速公路有限責任公司, 四川成都 610041;2. 中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司, 湖北武漢 430056)

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斜拉橋鋼-混結(jié)合段剛度和位置的影響分析

許圣祥1, 霍學晉2

(1. 四川巴陜高速公路有限責任公司, 四川成都 610041;2. 中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司, 湖北武漢 430056)

【摘要】某斜拉橋為雙塔雙索面斜拉橋，使用有限元分析軟件Midas建立斜拉橋的有限元計算模型，分析鋼-混結(jié)合段剛度和位置的變化，研究其對全橋的位移、內(nèi)力、自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響。計算與分析結(jié)果為該類型橋的設(shè)計提供了一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋;結(jié)合段;剛度;位置;影響

斜拉橋的受力由主梁、主塔和斜拉索共同決定。鋼-混結(jié)合段是連接鋼箱梁和混凝土箱梁的重要構(gòu)件，其自身剛度和設(shè)置位置直接影響主梁乃至全橋的受力。本文通過改變鋼-混結(jié)合段的剛度和位置，研究其對斜拉橋全橋的位移、內(nèi)力、自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響[1]。

1全橋桿系有限元模型

塔、梁、墩及樁基礎(chǔ)采用空間梁單元，索采用只受拉的索單元模擬，結(jié)合段的剛度利用換算截面法進行計算，建立的全橋空間桿系有限元模型如圖1所示。

圖1　全橋桿系有限元模型

2結(jié)合段剛度的影響

假定原設(shè)計鋼-混結(jié)合段剛度的慣性矩為I，取5種不同的慣性矩0.25I、0.5I、I、2I、4I分別進行計算，研究結(jié)合段剛度對位移、內(nèi)力、自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響[2]。

2.1結(jié)合段剛度對位移和內(nèi)力的影響

選取跨中和結(jié)合面的撓度、塔頂?shù)臋M向位移、結(jié)合面和跨中截面的軸力和彎矩、邊跨和中跨的1#、10#和19#索(邊跨和中跨索的編號均為從塔向兩側(cè)的順序，近塔為1#索，最遠端為19#索)的索力為對象，研究結(jié)合段剛度對位移和內(nèi)力的影響。表1為不同結(jié)合段剛度下的位移、內(nèi)力和索力，施加的荷載為自重荷載。

由表1可知，由于該斜拉橋的主跨為608 m，而結(jié)合段長度僅為2 m，且靠近塔根處，改變結(jié)合段的剛度對跨中撓度的影響不大，可忽略不計。結(jié)合段剛度對結(jié)合面處的撓度略有影響，4倍剛度時相對0.25倍剛度結(jié)合面撓度增大了16.5%，但此處靠近橋塔，撓度值并不大。由表1還可看出，塔頂?shù)臋M向位移受結(jié)合段剛度的影響也不大，跨中截面的軸力和彎矩整體上隨著結(jié)合段剛度的增大略有降低，但整體上影響不大。結(jié)合面處的軸力和彎矩受自身剛度的影響較為明顯，尤其是彎矩，4倍剛度下相對0.25倍剛度增大了28.9%。隨著索在主梁上的錨固點到結(jié)合面的距離越大，該索的索力受結(jié)合段剛度的影響越小，如中跨和邊跨的19#索。

表1　結(jié)合段剛度對位移和內(nèi)力的影響

綜上所述，結(jié)合段剛度的改變對結(jié)合段附近的梁段和索力影響較大，但對距離結(jié)合段較遠的梁段和索力影響很小。

2.2結(jié)合段剛度對自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響

結(jié)構(gòu)的自振特性與剛度分布直接相關(guān)。表2為不同結(jié)合段剛度下結(jié)構(gòu)的前八階頻率[3]，圖2為前四階振型。

由圖2可知，結(jié)構(gòu)的第一階振型為主梁的縱漂，第二階和第四階為主梁的豎彎變形，而第三節(jié)為主梁的橫彎。由表2可知，由于只改變了結(jié)合段的豎向彎曲剛度，縱漂的第一階

表2　結(jié)合段剛度對自振頻率的影響

(a)第一階(縱向漂移)

(b)第二階(主梁的豎向一階)

(c)第三階(主梁的橫向一階)

(d)第四階(主梁的豎向二階)圖2　前四階振型

頻率和橫彎的第三階頻率受結(jié)合段剛度的影響均較小，可忽略不計，而第二階和第四階頻率隨著結(jié)合段剛度的增大而略有增大。

表3為不同結(jié)合段剛度下結(jié)構(gòu)的前兩階穩(wěn)定系數(shù)[4]，圖3為前兩階失穩(wěn)模態(tài)。

由表3可知，結(jié)構(gòu)的前兩階穩(wěn)定系數(shù)均隨著結(jié)合段剛度的增大略有增大，但由于結(jié)合段長度相對跨度較短，其對穩(wěn)定系數(shù)的影響程度并不大，在設(shè)計時可不考慮其對整體穩(wěn)定性的影響。

表3　結(jié)合段剛度對穩(wěn)定系數(shù)的影響

(a)第一階(主梁的橫向一階)

(b)第二階(主梁的豎向一階)圖3　前兩階失穩(wěn)模態(tài)

3結(jié)合段位置的影響

取結(jié)合面到塔中心的距離分別為3 m、12 m、22.8 m進行計算，研究結(jié)合段的設(shè)置位置對位移、內(nèi)力、自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響。

3.1結(jié)合段位置對位移和內(nèi)力的影響

選取跨中撓度、塔頂?shù)臋M向位移、結(jié)合面和跨中截面的軸力和彎矩、邊跨3#、7#、12#和中跨的9#、11#、14#索的索力為對象，研究結(jié)合段位置對位移和內(nèi)力的影響。表4為不同結(jié)合段位置下的位移、內(nèi)力和索力。由于結(jié)合面位置的改變使得結(jié)合段兩側(cè)梁段的材料和截面特性發(fā)生改變，自重荷載的分布也隨之改變，為了保證荷載的一致性，將二期恒載作為施加的荷載。

由表4可知，隨著結(jié)合段的位置越靠近跨中，跨中撓度略有增大，而塔頂?shù)臋M向位移略有下降，但整體上影響并不大。結(jié)合面的軸力和彎矩受結(jié)合段位置的影響較大，越靠近跨中設(shè)置，結(jié)合面的內(nèi)力越小，對該截面的受力是有利的，而跨中截面的內(nèi)力受結(jié)合段位置的影響不大。由于在二期恒載作用下，部分索受壓，表4只給出了拉力較大的索的索力，仍然是靠近結(jié)合段的索受結(jié)合段位置的影響較大，例如中跨9#索。

表4　結(jié)合段位置對位移和內(nèi)力的影響

綜上所述，結(jié)合段位置的改變對結(jié)合面的內(nèi)力和附近索的索力影響較大，而對其他梁段和索力影響很小。

3.2結(jié)合段位置對自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響

表5為不同結(jié)合段位置下結(jié)構(gòu)的前8階頻率。

表5　結(jié)合段位置對自振頻率的影響

由表5可知，結(jié)合段位置的改變對低階頻率的影響較大，而對高階頻率影響較小。相對豎彎，結(jié)合段位置對橫彎模態(tài)的影響較大，例如第三階橫彎模態(tài)，在結(jié)合段距塔中心22.8 m時相對距塔中心3 m時增大了4.7%，表明結(jié)合段靠近跨中能夠提高主梁的橫向剛度。

表6為不同結(jié)合段位置下結(jié)構(gòu)的前兩階穩(wěn)定系數(shù)。

表6　結(jié)合段剛度對穩(wěn)定系數(shù)的影響

由表6可知，結(jié)構(gòu)的第一階穩(wěn)定系數(shù)受結(jié)合段位置的影響很小，而第二階穩(wěn)定系數(shù)隨著結(jié)合段越靠近跨中而略有增大，但整體上影響不大?？梢娪捎诮Y(jié)合段的長度相對跨度較小，其對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響可忽略不計。

4結(jié)論

通過改變鋼-混結(jié)合段的剛度和位置，研究其對斜拉橋全橋的位移、內(nèi)力、自振特性和穩(wěn)定系數(shù)的影響[5]，結(jié)果表明：

(1)結(jié)合段剛度的改變對結(jié)合段附近的梁段和索力影響較大，但對距離結(jié)合段較遠的梁段和索力影響很小。

(2)結(jié)合段剛度的改變對結(jié)構(gòu)整體的自振特性和穩(wěn)定性影響很小。

(3)結(jié)合段位置的改變對結(jié)合面的內(nèi)力和附近索的索力影響較大，而對其他梁段和索力影響很小。

(4)結(jié)合段靠近跨中能夠提高主梁的橫向剛度。

參考文獻

[1]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京:中國鐵道出版社，2002.

[2]劉應才.大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)計算分析研究[D].西南交通大學,2009.

[3]武利軍.基于Midas的斜拉橋索力優(yōu)化方法與工程實例[J].公路與汽運,2012(5):163-166.

[4]宋雨,陳東霞.斜拉橋動力特性分析[J].廈門大學學報: 自然科學版, 2006,45(1):56-59.

[5]楊萬林,劉建軍,丁作常.貴州大跨徑斜拉橋建設(shè)發(fā)展與展望[J].公路交通科技:應用技術(shù)版, 2015(8).

【中圖分類號】U448.27

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-03-01