唐茂林, 李帥帥, 唐清華, 李翠娟*

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031; 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司)

1 引言

中央扣又稱中央夾具，是在懸索橋跨中設(shè)置的連接主纜和加勁梁的裝置，可有效提高大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度。中央扣的首次應(yīng)用是在1950年的Tacoma新橋上，至今已發(fā)展出了3種設(shè)置形式，分別為：① 用剛性三角桁架聯(lián)結(jié)主纜與加勁梁，將梁與纜在跨中處相對固結(jié)，即剛性中央扣；② 通過在跨中設(shè)置1對或多對斜吊索來約束加勁梁的縱向位移，即柔性中央扣；③ 直接將加勁梁與主纜聯(lián)結(jié)。表1為國內(nèi)外部分懸索橋中央扣設(shè)置情況。由表1可看出：歐美國家傾向于采用剛性中央扣，而日本傾向于采用柔性中央扣，中國多采用剛性中央扣。

表1 國內(nèi)外部分懸索橋中央扣設(shè)置情況

近年來，多座新建懸索橋均采用了中央扣，但相關(guān)的文獻(xiàn)報道卻很少。在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能方面，胡騰飛等以矮寨特大橋?yàn)楸尘?，利用有限元分析和動力測試的方法，研究了中央扣對結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的影響；在結(jié)構(gòu)抗震方面，夏支賢等以云南金沙江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了中央扣對?dú)塔地錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響；在車致振動方面，徐勛以四渡河大橋?yàn)楸尘?，通過對比3種中央扣在移動汽車車列激勵下的時程反應(yīng)，探討了大跨度懸索橋中央扣在動力激勵下的作用；在自振特性研究方面，彭旺虎等通過連續(xù)模型研究了設(shè)置中央扣懸索橋的扭轉(zhuǎn)自振特性，闡述了中央扣提高結(jié)構(gòu)反對稱扭轉(zhuǎn)頻率的機(jī)理。然而，以上文獻(xiàn)多圍繞設(shè)置中央扣的平面纜索懸索橋的動力特性開展研究，針對中央扣對空間纜索懸索橋靜動力特性影響方面的研究較為欠缺。

該文以重慶寶塔坪特大橋?yàn)檠芯繉ο?，利用懸索橋非線性分析軟件BNLAS建立了該橋設(shè)置柔性中央扣、剛性中央扣和不設(shè)置中央扣3種情況下的靜、動力計算模型，對比分析了該橋在這3種工況下的靜、動力特性及其變化規(guī)律。相關(guān)研究結(jié)果可為該橋前期設(shè)計和后期運(yùn)營提供參考，同時還可推動中央扣在大跨度空間纜索懸索橋中的應(yīng)用。

2 工程概況

寶塔坪特大橋位于重慶市奉節(jié)縣，是一座雙塔單跨簡支地錨式空間纜索懸索橋，主纜的孔跨布置為(240+800+230) m，橋形布置見圖1。全橋采用2根空間主纜，主纜豎向矢跨比為1/10，兩主纜左、右岸散索點(diǎn)橫向中心距分別為32、23.5 m，空纜狀態(tài)下，中跨2根主纜相互平行，主纜橫橋向相隔10 m，成橋狀態(tài)下，兩主纜橫橋向間距由塔頂主索鞍出口處的10 m逐漸過渡到跨中處的22 m左右。吊桿采用抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa的平行鋼絲，全橋共計兩類吊索，在端部為特殊吊索，吊索間距為16 m，其余吊索為普通吊索，吊索間距為12 m。加勁梁為鋼混組合梁，由鋼梁通過剪力釘與混凝土橋面板結(jié)合而成，鋼梁由主縱梁、次縱梁、橫梁和風(fēng)嘴組成，加勁梁全寬27.99 m，中心線處梁高3 m，鋼梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為12 m，加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示，主塔結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土箱形斷面門式框架結(jié)構(gòu)。

圖1 寶塔坪特大橋橋型布置圖(除標(biāo)高單位為m外，其余：cm)

圖2 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)靜、動力計算模型

為對比研究跨中設(shè)置不同類型聯(lián)結(jié)將主纜與加勁梁固結(jié)對空間纜索懸索橋靜、動力特性的影響，該文利用懸索橋非線性分析專用軟件BNLAS建立了3種不同中央扣模式的計算模型，如圖3和表2所示。

圖3 寶塔坪特大橋結(jié)構(gòu)靜、動力計算模型

表2 3種跨中不同聯(lián)結(jié)方式結(jié)構(gòu)靜、動力計算模型

這3種結(jié)構(gòu)有限元計算模型有以下特點(diǎn)：

(1) 加勁梁的主縱梁、次縱梁、橫梁均采用空間梁單元(共計1 536個)模擬，橋塔結(jié)構(gòu)也離散為空間梁單元(共計174個)。

(2) 主纜和斜向吊索離散為具有初始張力的只受拉桿單元(共計371個)。

(3) 剛性中央扣用空間梁單元模擬，柔性中央扣用斜拉索單元模擬。

(4) 在進(jìn)行動力特性計算時，二期鋪裝及混凝土橋面板重量均轉(zhuǎn)化成均布質(zhì)量分配到鋼梁上，索夾荷載也轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換到主纜節(jié)點(diǎn)上。

(5) 耦合了主梁與主塔在橫橋向、豎向及繞縱橋向轉(zhuǎn)動的自由度，主纜與主塔在塔頂處的線位移完全耦合，主纜錨跨、主塔塔底固結(jié)。

4 中央扣對結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

4.1 中央扣對汽車荷載響應(yīng)的影響

為研究不同中央扣聯(lián)結(jié)形式對空間纜索靜力特性的影響，在前述3種不同中央扣形式的計算模型中加入四車道汽車荷載，對比3種中央扣形式下結(jié)構(gòu)在活載下的靜力響應(yīng)，計算結(jié)果見表3。

表3 不同中央扣形式結(jié)構(gòu)活載響應(yīng)分析

由表3可看出：① 設(shè)置柔性中央扣、剛性中央扣和不設(shè)置中央扣3種情況下，活載下加勁梁L/4、L/2、3L/4處最大、最小豎向撓度幾乎無變化；② 活載下塔頂處主纜水平不平衡力幾乎無變化，說明中央扣的設(shè)置與否對活載作用下主纜纜力的影響較?。虎?設(shè)置中央扣后活載作用下加勁梁梁端部縱向位移明顯減小，其中設(shè)置剛性中央扣與柔性中央扣的情況，加勁梁端部位移較不設(shè)置中央扣的情況下，最大縱向正位移分別減小30%與35%，最大縱向負(fù)位移分別減小28%與32%。

圖4為活載作用下不同中央扣聯(lián)結(jié)形式加勁梁豎向位移包絡(luò)圖、縱向位移包絡(luò)圖、加勁梁軸力包絡(luò)圖及加勁梁豎向彎矩包絡(luò)圖。

圖4 活載作用下3種不同中央扣形式的結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)

由圖4可知：① 活載作用下，3種不同聯(lián)結(jié)形式的中央扣模型中加勁梁最大豎向正位移與最大豎向負(fù)位移均出現(xiàn)于L/4處與3L/4處，最小豎向正位移與最小豎向負(fù)位移出現(xiàn)于跨中處，豎向位移包絡(luò)圖呈現(xiàn)M形，說明了計算模型的正確性；② 活載作用下，設(shè)置中央扣加勁梁縱向位移明顯小于未設(shè)置中央扣工況下的位移，此外，設(shè)置剛性中央扣的縱向位移小于設(shè)置柔性中央扣的縱向位移，說明3種不同中央扣聯(lián)結(jié)對加勁梁縱向約束的排序情況為：剛性中央扣>柔性中央扣>不設(shè)置中央扣；③ 活載作用下，由于中央扣限制了纜、梁運(yùn)動的不同步性，增大了加勁梁的縱向約束，使得跨中處的加勁梁軸力增大，設(shè)置剛性中央扣的加勁梁最不利軸力甚至增大了10倍左右，達(dá)到-1 260 kN(負(fù)值代表拉力)；④ 活載作用下，設(shè)置柔性中央扣的工況與不設(shè)置中央扣的工況相比，加勁梁豎向彎矩幾乎無變化，設(shè)置剛性中央扣將會使得中央扣區(qū)段的加勁梁豎向彎矩減小，且減小幅度較大。

綜合表3和圖4可知：設(shè)置中央扣對活載作用下加勁梁的豎向撓度并沒有太大的影響。設(shè)置柔性中央扣時，加勁梁豎向彎矩并沒有太大的變化，說明設(shè)置柔性中央扣并沒有引起結(jié)構(gòu)豎向剛度的改變；設(shè)置剛性中央扣時跨中彎矩大幅度減小，但跨中軸力卻大幅度增大。

4.2 中央扣對跨中附近吊索活載應(yīng)力幅的影響

為探究3種中央扣聯(lián)結(jié)形式在活載作用下對跨中段短吊索應(yīng)力幅值的影響，取跨中33#吊索及其左右吊索為研究對象，對比其在3種中央扣聯(lián)結(jié)形式下的活載應(yīng)力幅，相關(guān)結(jié)果見圖5。

由圖5可知：活載作用下，設(shè)置剛性中央扣后跨中短吊索應(yīng)力幅急劇下降，由不設(shè)置中央扣情況下的271.35 MPa，下降到120 MPa，設(shè)置柔性中央扣、剛性中央扣情況下與不設(shè)置中央扣相比，應(yīng)力幅分別減小8%、55%，由此可見，設(shè)置中央扣可減小跨中短吊索的活載應(yīng)力幅。究其原因，中央扣的設(shè)置減小了纜、梁不同步運(yùn)動的趨勢，增大了主纜對加勁梁的縱向約束作用，有效抑制了活載作用下纜、梁的錯動。綜上所述，設(shè)置中央扣可有效解決跨中短吊索在活載作用下的彎折效應(yīng)。

圖5 活載作用下不同中央扣聯(lián)結(jié)形式跨中短吊索應(yīng)力幅變化

5 中央扣對結(jié)構(gòu)動力特性的影響

大跨度懸索橋固有振動特性分析是開展結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震以及車致振動研究的基礎(chǔ)，為探討不同中央扣聯(lián)結(jié)形式對空間纜索懸索橋自振特性的影響，該文對寶塔坪特大橋3種中央扣聯(lián)結(jié)形式下結(jié)構(gòu)自振頻率與振型特征做了對比分析，結(jié)果如表4所示。

表4 3種不同中央扣聯(lián)結(jié)形式下寶塔坪特大橋自振頻率與振型特征的比較

由表4可得：① 該橋基頻為0.070 7 Hz，基本周期較長，其對應(yīng)振型為1階側(cè)彎振型，第2階振型為反對稱豎彎伴隨縱漂，相應(yīng)的頻率為0.106 8 Hz，這些特點(diǎn)與文獻(xiàn)[4]、[5]、[9]中的變化規(guī)律一致，同時也符合大跨度懸索橋柔性結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律；② 相比設(shè)置柔性中央扣的空間纜索模型，設(shè)置剛性中央扣的各階頻率略高；③ 設(shè)置中央扣的模型側(cè)彎模態(tài)頻率均高于未設(shè)置中央扣的模型，但是頻率增大的幅度不大，3種模型側(cè)彎模態(tài)頻率排序依次為M-B>M-C>M-A，說明中央扣在一定程度上提高了空間纜索懸索橋的橫向剛度，但提高的幅度有限，設(shè)置剛性中央扣提高的幅值要大于設(shè)置柔性中央扣；④ 對于豎彎模態(tài)，中央扣對反對稱模態(tài)頻率的影響明顯大于對正對稱模態(tài)頻率的影響，但從數(shù)值上看，中央扣對空間纜索豎彎模態(tài)頻率的影響較小，說明中央扣對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響也較??；⑤ 中央扣明顯增大了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻率，且剛性中央扣較柔性中央扣增大幅值更大。對比正對稱扭轉(zhuǎn)頻率與反對稱扭轉(zhuǎn)頻率，發(fā)現(xiàn)中央扣對反對稱扭轉(zhuǎn)頻率的影響更大，反對稱扭轉(zhuǎn)模態(tài)下，M-B、M-C模型與M-A模型相比，頻率分別增大5%與4%，究其原因，結(jié)構(gòu)在發(fā)生反對稱扭轉(zhuǎn)時，傾斜吊索在橫橋向增大了纜、梁的聯(lián)結(jié)，在橫向?qū)χ骼|提供了一對方向相反的拉力，使得主纜獲得額外的彈性應(yīng)變能，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)頻率得到提高；⑥ 設(shè)置柔性中央扣對主纜的振動頻率幾乎無影響，設(shè)置剛性中央扣提高了主纜的振動頻率，最大可提高14%；⑦ 空間纜索懸索橋中央扣對縱漂高階振型的影響較為明顯，相比無中央扣的模型，有中央扣的模型1、2階縱漂頻率分別高出25%、178%，且縱漂振型明顯推遲，中央扣聯(lián)結(jié)形式對縱漂頻率的影響排序?yàn)椋簞傂灾醒肟?柔性中央扣>無中央扣。究其原因，中央扣的使用，減小了纜梁的不同步運(yùn)動，增大了纜、梁連接，增強(qiáng)了對加勁梁的縱向約束作用，提高了結(jié)構(gòu)縱向剛度，從而增大了結(jié)構(gòu)縱漂頻率。

6 結(jié)論

以寶塔坪空間纜索懸索橋?yàn)楸尘埃肂NLAS對比分析了3種不同中央扣聯(lián)結(jié)形式對結(jié)構(gòu)靜、動力特性的影響。得出以下結(jié)論：

(1) 中央扣聯(lián)結(jié)形式對活載作用下加勁梁的撓度并無影響，但是中央扣的使用會使跨中加勁梁的軸力增大，采用不同中央扣聯(lián)結(jié)形式時，對加勁梁跨中彎矩的影響也不同。

(2) 中央扣可降低跨中短吊索活載作用下的應(yīng)力幅值，剛性中央扣活載應(yīng)力幅減小趨勢更加明顯。

(3) 中央扣可增大結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻率，且對反對稱扭轉(zhuǎn)頻率的影響更大，但對豎彎模態(tài)的頻率影響較小，同時，中央扣對縱漂高階振型的影響特別明顯，有中央扣時，會使縱漂振型明顯推遲。

(4) 以上研究成果對該橋前期設(shè)計及后期運(yùn)營階段的健康監(jiān)測提供了一定的參考，此外，也為以后中央扣在大跨度空間纜索懸索橋上的應(yīng)用推廣提供了一定的基礎(chǔ)資料。但應(yīng)注意，在選用中央扣時要從結(jié)構(gòu)受力、動力特性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。