李文光 王文帥 胡景云 王皓磊 楊靚
摘要:為優(yōu)化大跨徑人行懸索橋設(shè)計(jì)方法,文章以一座雙塔地錨式人行懸索橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕idas Civil軟件建立全橋模型,通過(guò)改變跨度比、主纜矢跨比、塔梁約束形式、索塔約束形式等參數(shù),對(duì)大跨徑人行懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,研究其改變對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響,同時(shí)分析抗風(fēng)纜對(duì)大跨徑人行懸索橋動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明:合理增大主纜矢跨比對(duì)減小主纜應(yīng)力和主塔內(nèi)力起明顯作用;索塔滑移的約束形式能夠極大降低塔底彎矩;塔梁鉸接的約束形式更適合此類大跨徑人行懸索橋;合理增大跨度比可以減小錨碇錨固端的拉力與主塔內(nèi)力;架設(shè)抗風(fēng)纜大幅度提高了結(jié)構(gòu)剛度,也提高了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:人行懸索橋;結(jié)構(gòu)參數(shù);靜力性能;動(dòng)力特性;敏感性分析
中圖分類號(hào):U448.25 A 40 128 6
0 引言
目前國(guó)內(nèi)人行懸索橋設(shè)計(jì)尚未形成行業(yè)規(guī)范,設(shè)計(jì)者多參考公路懸索橋,但由于人行懸索橋更加纖細(xì)、輕柔[1],因此不一定適用《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGT/D65-05-2015)[2]中的結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外,合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠很大程度地減少工程造價(jià)、降低施工難度,故對(duì)大跨徑人行懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析具有十分重要的工程意義。
近幾年,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析的研究逐漸增多。蘇龍等[3]分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)主纜跨中垂度的影響,為主纜線形調(diào)整提供了參考;張翼等[4]對(duì)主梁采用板桁結(jié)構(gòu)的懸索橋進(jìn)行參數(shù)分析,研究發(fā)現(xiàn)改變下平聯(lián)斜腹桿尺寸和弦桿截面尺寸對(duì)一階振型影響顯著;陳偉華等[5]研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)懸索橋動(dòng)力特性的影響,結(jié)果表明,隨著矢跨比的減小,主纜側(cè)動(dòng)頻率減小,適當(dāng)增大主纜剛度和主塔剛度分別對(duì)減小主纜側(cè)動(dòng)頻率和側(cè)彎頻率有顯著作用;彭益華等[6]研究了中央扣對(duì)大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響,結(jié)果表明,設(shè)置中央扣對(duì)提高結(jié)構(gòu)反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率、增大結(jié)構(gòu)的整體剛度、提高靜風(fēng)穩(wěn)定性有顯著作用;郭小權(quán)[7]研究了自錨式懸索橋纜索系統(tǒng)和塔梁系統(tǒng)參數(shù)的改變對(duì)成橋狀態(tài)確定的影響;黃明金[8]研究了小矢跨比人行懸索橋的力學(xué)性能,結(jié)果表明,小矢跨比設(shè)計(jì)增大了懸索橋整體的結(jié)構(gòu)剛度,進(jìn)而提高了結(jié)構(gòu)橫向靜風(fēng)穩(wěn)定性。
為完善和優(yōu)化大跨徑人行懸索橋設(shè)計(jì)方法,通過(guò)參考上述學(xué)者的研究成果,本文以一座雙塔地錨式人行懸索橋?yàn)槔?,通過(guò)分析跨度比、主纜矢跨比、塔梁約束形式、索塔約束形式以及是否架設(shè)抗風(fēng)纜等,對(duì)人行懸索橋靜動(dòng)力特性進(jìn)行研究。
1 工程背景
某雙塔地錨式人行懸索橋主橋跨徑為310 m,主纜矢跨比為1/12.4,跨度比為1/5,吊桿間距3.0 m,主橋全寬4.0 m??癸L(fēng)纜的布置形式為θ=35°的分張式,由7根直徑為58 mm(6×37 mm+IWR)的鋼芯鋼絲繩組成。該人行懸索橋的總體布置如圖1所示。
2 合理成橋狀態(tài)的確定
2.1 有限元模型的建立
采用Midas Civil軟件建立該橋的有限元分析模型,建模具體步驟如下:
(1)在程序中建立單側(cè)抗風(fēng)纜和拉索的模型,抗風(fēng)纜兩端固結(jié),拉索端點(diǎn)約束X、Y、Z方向的平動(dòng),將設(shè)計(jì)初拉力賦予拉索,設(shè)定一定的迭代次數(shù)和收斂誤差對(duì)其進(jìn)行求解,生成更新后的新模型(圖2)。
(2)在程序中單獨(dú)建立主梁模型(圖3),在塔梁交接及拉索連接處約束其Z向位移,然后將第一步中的拉索初拉力的豎向分力施加到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)模型進(jìn)行求解,求解出的支座豎向反力即吊桿初拉力。
(3)在程序中單獨(dú)建立主纜模型(圖4),主纜錨固點(diǎn)固結(jié),其余各點(diǎn)均約束其Y、Z方向的平動(dòng),將第(2)步中計(jì)算出的吊桿初拉力及其自重施加到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,按照第(1)步設(shè)定一定的迭代次數(shù)和分析誤差并進(jìn)行求解,生成更新后的模型。
(4)以第(2)步為基礎(chǔ),添加第(1)步和第(3)步求解結(jié)果建立全橋有限元模型(圖5),進(jìn)行幾何非線性分析,求得成橋恒載平衡狀態(tài)。
有限元分析模型如圖5所示。
2.2 成橋恒載平衡狀態(tài)分析
成橋狀態(tài)下的主梁位移如圖6、圖7所示,主塔位移如圖8所示。
從圖6~8可知,恒載作用下縱梁和橫梁最大豎向變形出現(xiàn)在橋梁跨中處,主梁節(jié)點(diǎn)總體位移絕對(duì)值較小,能夠滿足工程精度要求。橋塔順橋向變形最大撓度值≤0.5 mm,表明橋塔豎向剛度滿足工程要求。
在恒載作用下,計(jì)算出主纜軸力、風(fēng)纜軸力、吊索軸力、抗風(fēng)拉索軸力、縱梁彎矩、縱梁應(yīng)力、橋塔軸力、橋塔彎矩如圖9~18所示。
從圖9~18可知,恒載作用下主纜和風(fēng)纜受力均勻,主纜軸力在5 300 kN左右波動(dòng),風(fēng)纜軸力在3 000 kN左右波動(dòng)。抗風(fēng)拉索和吊索在主纜錨固處軸力出現(xiàn)較大突變,其余各拉索軸力都較為均勻??v梁最大彎矩為6.36 kN·m,最大應(yīng)力為25.7 MPa,縱梁安全儲(chǔ)備較大。主塔最大軸力和最大豎向彎矩出現(xiàn)在塔底,軸力為17 888.8 kN,彎矩為194 kN·m。主塔在與橫梁固結(jié)處的橫向彎矩產(chǎn)生突變,最大值為1 115.3 kN·m。
3 靜力特性計(jì)算分析
3.1 矢跨比對(duì)靜力性能的影響
主纜矢跨比對(duì)主纜線形起決定性的作用,是懸索橋設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),決定著懸索橋的幾何形狀。在滿布人群荷載及恒載兩種工況作用下,改變主纜矢跨比,計(jì)算出主纜應(yīng)力、主塔內(nèi)力和加勁梁跨中撓度如表1、表2及下頁(yè)圖19所示。
在兩種荷載工況作用下,主纜應(yīng)力、塔底軸力和彎矩、加勁梁跨中豎向撓度絕對(duì)值皆隨主纜矢跨比的減小而增大。適當(dāng)增大主纜矢跨比,可以有效減小主纜應(yīng)力,增加結(jié)構(gòu)的豎向剛度,但同時(shí)也在一定程度上增加了主塔的高度。
3.2 索塔約束形式對(duì)靜力性能的影響
在恒載工況作用下,分別考慮固結(jié)、滑移兩種索塔約束形式,計(jì)算出主纜應(yīng)力、塔底軸力和彎矩,以及在滿布人群荷載工況作用下的加勁梁跨中撓度如表3所示。
索塔滑移約束下的塔頂邊跨側(cè)主纜應(yīng)力相較于索塔固結(jié)約束明顯下降,這是由于后者約束形式下的主塔分擔(dān)了主纜傳遞的應(yīng)力,同時(shí)發(fā)生彎曲導(dǎo)致塔底彎矩增大,進(jìn)而導(dǎo)致后者的塔底彎矩是前者的9倍。因此,采用索塔滑移的約束形式可以顯著減小塔底彎矩,更有利于改善懸索橋的受力狀態(tài)。
3.3 塔梁約束形式對(duì)靜力性能的影響
在滿布人群荷載工況作用下,分別采用一般支撐、滑移與鉸接3種塔梁約束形式,計(jì)算出加勁梁最大內(nèi)力、主塔內(nèi)力和加勁梁跨中撓度值如表4所示。
采用塔梁滑移約束時(shí),加勁梁產(chǎn)生的最大負(fù)彎矩遠(yuǎn)大于另外兩種約束形式;采用塔梁鉸接約束時(shí),加勁梁產(chǎn)生的最大軸力遠(yuǎn)大于另外兩種約束形式,塔底彎矩低于另外兩種約束形式。采用鉸接、滑移、一般支撐3種約束形式時(shí),加勁梁跨中撓度值依次增大。
3.4 跨度比對(duì)靜力性能的影響
跨度比的選取受地形環(huán)境以及地質(zhì)條件的約束,本實(shí)例跨度比為1/5,本文在主跨跨度不變的條件下,通過(guò)改變錨碇的位置來(lái)調(diào)整跨度比,在滿布人群荷載和恒載兩種工況作用下,分析不同跨度比條件下的主纜應(yīng)力、主塔內(nèi)力、加勁梁跨中撓度,計(jì)算結(jié)果如表5所示。
根據(jù)表5可以看出,塔頂邊跨側(cè)主纜應(yīng)力、主塔塔底彎矩和軸力隨跨度比減小而增大。由此可知,在地質(zhì)條件和地形環(huán)境允許的情況下,適當(dāng)增大跨度比能有效減小邊跨主纜應(yīng)力和塔柱的內(nèi)力,從而有效降低錨碇錨固端的拉力和改善主塔受力狀況。
4 抗風(fēng)纜對(duì)大跨徑人行懸索橋效應(yīng)分析
4.1 有無(wú)抗風(fēng)纜對(duì)橫向剛度的影響
該工程抗風(fēng)纜布置形式為分張式,與加勁梁平面呈35°。分別建立橫向靜風(fēng)荷載作用下有無(wú)抗風(fēng)纜的有限元模型,計(jì)算出主纜和加勁梁跨中節(jié)點(diǎn)的橫向位移值如表6所示。
由表6可知,抗風(fēng)纜在一定程度上限制了由橫風(fēng)荷載產(chǎn)生的橫向位移,提高了人行懸索橋的橫向剛度,因此抗風(fēng)纜對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性有重要作用。
4.2 有無(wú)抗風(fēng)纜對(duì)自振特性的影響
基于Lanczos算法,以是否架設(shè)抗風(fēng)纜作為參數(shù)建立有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析,探討了抗風(fēng)纜對(duì)結(jié)構(gòu)固有模態(tài)的影響規(guī)律。有無(wú)抗風(fēng)纜下的前十階自振頻率計(jì)算結(jié)果如表7、表8所示。
根據(jù)表9、表10的結(jié)果可以看出,抗風(fēng)纜的存在可以有效增大結(jié)構(gòu)自振頻率。此外,有抗風(fēng)纜模型的扭彎頻率比為1.68,高于無(wú)抗風(fēng)纜模型的1.28。扭彎頻率比與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性呈正比,因此架設(shè)抗風(fēng)纜對(duì)增強(qiáng)懸索橋的整體剛度及其整體穩(wěn)定性有較好效果。
5 結(jié)語(yǔ)
本文以一座雙塔地錨式人行懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?,運(yùn)用Midas Civil軟件確定了合理成橋狀態(tài)并對(duì)人行懸索橋5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,探討了主纜矢跨比變化、索塔約束形式變化、塔梁約束形式變化、跨度比變化對(duì)主纜應(yīng)力、主塔內(nèi)力和加勁梁跨中撓度的影響,分析了有無(wú)抗風(fēng)纜對(duì)人行懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性、橫向位移及自振特性的影響,得出以下結(jié)論:
(1)成橋后橋塔順橋向變形最大值≤0.5 mm,表明橋塔豎向剛度滿足工程要求。恒載作用下主纜和風(fēng)纜受力均勻,抗風(fēng)拉索和吊索在主纜錨固處軸力出現(xiàn)較大突變,其余各拉索軸力都較為均勻。
(2)適當(dāng)加大主纜矢跨比,能夠有效提高結(jié)構(gòu)豎向剛度,減小主纜應(yīng)力的同時(shí)可以減輕主纜自重,但也增加了主塔高度。所以,在有助于主塔受力情況下,選取合理的矢跨比,可有效降低造價(jià)。
(3)索塔滑移的約束形式對(duì)人行懸索橋的受力狀態(tài)更有利,極大地降低了塔底彎矩,從而減少了主塔混凝土與鋼筋的用量,有效地降低了工程造價(jià)。
(4)塔梁一般支撐的約束形式雖然產(chǎn)生的加勁梁跨中撓度值略大,但是其他靜力性能很好,故塔梁一般支撐的約束形式更適用于此類大跨徑人行懸索橋。
(5)在地質(zhì)條件和地形環(huán)境允許的情況下,適當(dāng)增大跨度比能有效減少邊跨主纜應(yīng)力和塔柱的內(nèi)力,有效降低錨碇錨固端的拉力和改善主塔受力狀況,從而降低錨碇錨固區(qū)、塔柱施工難度。
(6)架設(shè)抗風(fēng)纜后對(duì)結(jié)構(gòu)橫向位移的限制效果明顯,增大人行懸索橋自振頻率的同時(shí)提升了大跨徑懸索橋的整體剛度。此外,扭彎頻率比的增大改善了懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性。
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收稿日期:2023-08-20