大跨度悬索桥受力特性敏感参数分析

常 赞

(长沙理工大学土木与建筑工程学院,长沙410004)

0 引 言

在实际施工过程中,影响悬索桥线形的因素很多,如结构自重、温度、结构刚度和边界条件等结构参数.由于悬索桥的柔性比较大[1],在静力荷载作用下桥梁将产生较大的变形.这些因素的不确定性会对悬索桥线形产生一定的影响.以往对于自锚式悬索桥结构参数的敏感性分析较多,地锚式悬索桥结构参数对全桥线形的研究较少

本文是以一座在建的大跨度悬索桥为工程背景,该桥为单跨地锚式悬索桥,南岸为隧道式锚,北岸为重力式锚,主梁为钢箱梁,跨中设中央扣,索塔为钢筋混凝土门式框架结构,是一个很典型的地锚式悬索桥例子,运用大型通用有限元程序建立全桥模型,通过改变重要参数结构自重、温度、结构刚度和边界条件分析这些参数对全桥静力特性的影响,得出的结论可为以后同类桥梁的设计和施工提供有益的理论参考依据.

图1 全桥模型图

1 建立模型

运用大型通用有限元程序建立了该桥全桥三围空间模型.该桥主跨为820 m,吊杆分布为13.2 m+62×12.8 m+13.2 m,南岸桥塔高139.442 m,北岸桥塔高127.442 m,南岸锚定为隧道式锚,北岸锚定为重力式锚,钢箱梁高3 m,宽29.1 m,索塔为C50钢筋砼门式框架结构(如图1).全桥划分为507个单元,共有517个节点.主缆和吊杆为只受拉桁架单元,加劲梁和索塔为梁单元.桥塔均为固定支座,跨中位置主缆和加劲梁垂直连接采用刚性连接.

2 影响桥梁结构的参数

2.1 结构自重

结构自重主要由结构的尺寸和容重来确定,但实际工程中结构尺寸和容重均在局部会有出入,以及加劲梁在安装过程中要加入大量的螺栓,拼接板等,所以结构的自重有可能大于设计值,这就对桥的整体线形和受力产生了影响.自重偏重一般在5%～10%,为了让结果更加明确且具有对照性,在这里分别取自重增加5%、10%、20%来分析自重改变对该桥静力特性的影响.

2.2 温度

影响温度分布的外部因素主要是大气温度变化的作用,如日照、昼夜温差、寒流、风、雨、雪等各种气象因素的作用.影响温度分布的内部因素主要是结构的热物理性质、构件形状等.由于日照温差和骤然降温在时间上变化快、作用范围存在局部性[2-4],难以进行整体分析,在这里不考虑这两种温度荷载.年温差变化较均匀,整体变形大,便于仿真分析.根据设计资料,体系降温为29℃,体系升温为26℃.

2.3 桥塔刚度

当结构各构件长度保持不变时,结构的刚度由构件材料的弹性模量E和几何特性A、I以及支撑条件决定.混凝土弹性模量随着时间的变化而变化[5],一般可增加10%～15%,混凝土强度实际值往往比规范建议值高,这使得混凝土弹性模量E值比规范建议值高,参考规范建议值以及结合具体情况,实际中混凝土弹性模量E取值通常比理论值要高10%左右.计算时分别取索塔刚度增加5%、10%、20%.

2.4 边界条件

桥梁结构的实际边界条件相当复杂[6-7],支承连接设施本身存在一定的摩阻力,并在外荷载下表现出弹性或非弹性的变形,与理想的“铰接”、“刚接”有一定的差异,所以桥的实际边界条件与设计时的边界条件也有一定的差别.该桥在设计时主索鞍位置处的边界条件是索塔和主缆在一点固结,而实际的边界条件是在主索鞍处主缆与索鞍在一条弧线上多点固结形成边界.分析时将索鞍位置的边界条件调整为主缆与索塔在多点固结

3 参数的敏感性分析

3.1 结构自重敏感性分析

由于结构尺寸和容重的偏差,以及其他零部件的重量,在其他参数不变的情况下,分别考虑结构自重偏大5%、10%、20%.结构自重偏大导致成桥面下挠和索塔朝河面方向偏位(如图2所示).跨中下挠比较明显,偏重5%时最大下挠达到17 cm,偏重10%时最大下挠达34 cm,偏重20%时最大下挠达68 cm,桥面位移以跨中为对称轴成抛物线变化.索塔偏位自塔底向塔顶递增,偏重5%时索塔塔顶偏位最大达到1.9 cm,偏重10%时索塔塔顶偏位最大达到3.7 cm,偏重20%时索塔塔顶偏位最大达到7.5 cm.由此可见,自重的变化对该桥的线形有较大影响.

3.2 温度敏感性分析

考虑年温差作用,结构整体升温26℃,体系降温29℃.整体升降温对悬索桥位移的影响(如图3).

当结构整体升温和降温时,对桥跨中的位移和塔顶影响最大,升温时跨中挠度增大,最大达到61 cm,降温时跨中挠度减小,最大值达到68 cm.升温时桥塔偏位增大,最大达到7 cm,降温时索塔偏位减小,减小最大值达5.3 cm.由图3可知,整体升温和整体降温对悬索桥线形产生的影响曲线基本对称,而单条曲线近似成抛物线.

3.3 结构刚度敏感性分析

混凝土的弹性模量随着时间是不断增大的,弹性模量增大使得混凝土实际强度值比设计值大,混凝土强度增加使得悬索桥的整体刚度增大,悬索桥索塔刚度变化对全桥线形的影响如图4所示.由图4可知索塔刚度增大,桥面上拱,索塔往背河向偏移,跨中上拱位移最大4 cm,塔顶位移仅1 cm.相对于桥的原始位移,由索塔引起的结构刚度增加对结构线形的影响不大.

图4 结构刚度误差效应

3.4 边界条件敏感性分析

悬索桥的实际边界条件与设计时所用的边界条件是有一定差别的,改变该桥在索塔塔顶位置的边界条件,由主缆与索鞍在一点固结调整为主缆与索鞍在一条弧线上多点固结.改变边界条件对悬索桥线形的影响如图5所示.由图5可知边界条件的改变导致桥面位移减小,桥面上拱,跨中影响最大,索塔偏位基本保持不变.

图5 边界条件误差效应

4 结 论

(1)敏感性参数如:结构自重、温度、索塔刚度和边界条件对大跨悬索桥的线形都有一定的影响,对跨中挠度影响最大.而各参数中结构自重对悬索桥线形影响是最大的,其次是温度的影响,相对于自重和温度的影响,索塔刚度和边界条件对悬索桥的线形影响相对较小.

(2)敏感性参数对主梁挠度的影响是:自重增大、整体升温导致桥面下挠增大,整体降温、结构刚度增大、改变索塔处边界条件使得桥面上拱挠度减小;敏感性参数对索塔线形的影响是:自重增大、整体升温使索塔向河心偏移,整体降温、结构刚度增大、改变索塔处边界条件使索塔向两岸偏移.

(3)通过对敏感性参数的分析研究,可以提高悬索桥仿真计算的精度,准确的控制施工过程中的结构线形,对施工控制提供有益的理论参考.

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