多重循环荷载对斜拉桥高塔的影响

郝艳广 HAO Yan-guang；韩劲龙 HAN Jin-long；曾庆刚 ZENG Qing-gang

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040）

（Cccc Wuhan Harbour Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China）

多重循环荷载对斜拉桥高塔的影响

郝艳广 HAO Yan-guang；韩劲龙 HAN Jin-long；曾庆刚 ZENG Qing-gang

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040）

（Cccc Wuhan Harbour Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China）

本文以巴东长江公路超高斜拉桥为背景，运用ANSYS模拟汽车单向、双向同时通过桥梁的各种工况分析，模拟多重负荷10年后桥塔对汽车的动力响应。研究在多重循环荷载下内力位移变化规律及其对高塔稳定性的影响,为营运期对桥梁的维护和再设计类似新桥提供借鉴。

高塔；斜拉桥；疲劳；多重循环荷载

1 工程概况

巴东长江大桥主桥长728米，为双塔双索面预应力混凝土漂浮体系斜拉桥，引桥为简支梁式桥。索塔结构分上部塔身和下部塔墩两部分。索塔上部塔身（横桥向）为宝石型结构，高度为126.5米，桥面设计高程以上塔身高度为88.886米。

2 车桥耦合的有限元计算方法[1-3]

桥梁结构被离散为三维空间梁单元模型，相应的运动方程为

其中：F(t)=Fe(t)+Fv(t)，Fe(t)为可能作用在桥梁上的风力或地震力等，本文未考虑；Fv(t)为车辆直接作用在桥梁的外力向量。

车桥体系耦合振动的运动方程写成

3 简谐荷载作用下桥塔的稳定[4]

斜拉桥的动力特性表现为整体性，如图1，2所示，巴东桥的基频为0.107337Hz，十阶频率也仅为0.762576Hz,低于载重汽车过桥时2～5Hz的固有频率，因此很难在临界速度下形成共振条件，荷载的动力效应主要是载重汽车在桥面不平的局部冲击作用。

3.1 工况Ⅰ：单辆车单车道行驶

汽车在桥头受到路面不平或桥梁变形缝的激励后以车的固有频率发生振动而通过桥梁时，汽车的惯性力是一种简谐力，所以我们将汽车的振动冲击作用以这种简谐力的形式进行模拟。由于巴东桥桥型呈对称布局，故在进行车辆模拟时，仅对左塔半跨进行分析。

由上图可以看出车辆荷载使桥塔在y方向产生最大位移为20mm，发生在4s左右；在x向产生最大正位移为9mm，发生在24s左右；最大负位移为7mm，发生在22.5s左右；在z向产生的最大位移4mm，发生在11.5s左右。从左塔塔顶的位移-时间曲线可以看出，塔顶产生的最大位移22mm，发生在4s左右。

把简谐力的峰值加载到整个桥梁的位移最大处，即桥梁的最不利荷载位置。桥塔关键截面处的动力响应值如表1所示。

表1 桥塔关键截面处响应值

从表1可知，车辆作用在荷载最不利位置时，桥塔竖向轴力最大增加0.19%，可以忽略简谐力对桥塔轴力的影响；桥塔纵向弯矩最大增加1.26%，发生在与主梁等标高附近位置。此位置为上塔和下塔的结合处，弯矩增加最大，截面变化明显，有可能出现应力集中使桥塔混凝土产生裂纹，危害桥梁的整体稳定，所以简谐力对桥塔的危害不能忽略。

3.2 工况Ⅱ：两辆车相对行驶

本工况考虑两辆车相对行驶，塔顶位移－时间曲线如图 7、8、9、10 所示。

由上图可以看出，当两辆车相向行驶时，车辆荷载使桥塔在y方向产生最大位移为31mm，发生在17s左右；在x向产生最大正位移为12mm，发生在43s左右；最大负位移为11mm，发生在41s左右；在z向产生的最大位移4.5mm，发生在17.5s左右。从左塔塔顶的位移-时间曲线可以看出，塔顶产生的最大位移为32mm，发生在17s左右。

把简谐力的峰值加载到整个桥梁的位移最大处，也就是桥梁的最不利荷载位置，桥塔的轴力和弯矩在关键截面处动力响应值如表2所示。

表2 桥塔关键截面处响应值

从表2可知，车辆作用在荷载最不利位置时，轴力竖向最大增加0.317%，所以可以忽略简谐力对桥塔轴力的影响；桥塔纵向弯矩最大增加6.45%，发生在与主梁等标高附近位置。此位置为上塔和下塔的结合处，弯矩增加最大，截面变化明显，出现应力集中，影响桥梁的整体稳定。

3.3 工况Ⅲ：两辆车同向行驶

本工况考虑两辆车同车道行驶，两车相继通过桥头相差3.6s时间，塔顶位移－时间曲线如图11、12、13、14所示。

由上图可以看出，当两辆车相向行驶时，车辆荷载使桥塔在y方向产生最大位移为33mm，发生在65s左右；在x向产生最大正位移为14mm，发生在71s左右；最大负位移为14mm，发生在70s左右；在z向产生的最大位移3.2mm，发生在48s左右。从左塔塔顶的位移-时间曲线可以看出，塔顶产生的最大位移34mm，发生在65s左右。

把简谐力的峰值加载到整个桥梁的位移最大处，也就是桥梁的最不利荷载位置，桥塔的轴力和弯矩在关键截面处的动力响应值如表3所示。

从表3可知，车辆从左向右行驶，作用在荷载最不利位置时，桥塔竖向轴力最大减少0.024%，可以忽略简谐力对桥塔轴力的影响；桥塔纵向弯矩最大减少0.168%，发生在与主梁等标高附近位置。此位置为上塔和下塔的结合处。轴力和弯矩减少，主要是因为车辆移动使塔顶产生最大位移发生在右桥塔的右侧，右桥塔和主梁产生应力符合杠杆原理，使左桥塔的应力降低；当车辆从右向左行驶，作用在荷载最不利位置时，竖向轴力最大增加0.24%，可以忽略简谐力对桥塔轴力的影响；桥塔纵向弯矩最大增加1.76%，发生在与主梁等标高附近位置，此位置为上塔和下塔的结合处。弯矩增加最大，截面变化明显，出现应力集中，影响桥梁的整体稳定。

表3 桥塔关键截面处响应值

4 多重循环简谐荷载作用对桥塔的影响

由表（1、2、3）可知，当汽车相对行驶时，对桥塔的影响最大，轴力最大变化4.6E+5（N），弯矩最大变化1.57E+5（N*m）。巴东桥桥址位于巴东县新城区所属西壤坡处，其北岸临近神农溪入江口，交通流量适中。假设10年之内单向通过20万次，即对桥塔施加20万次的简谐荷载。本文只研究简谐荷载对桥塔的影响，不计简谐荷载对主梁混凝土疲劳的影响。

此处采用已有混凝土的疲劳试验数据，对桥塔混凝土的弹性模量进行修正，以此模拟10年以后桥塔对简谐荷载的动力响应。取假设10年后混凝土动弹性模量比现在降低2%进行模拟[5-7]，应力－应变关系如图15所示。

与工况Ⅱ加相同的简谐荷载以后，进行计算，左塔塔顶的位移时间曲线如图16、17、18、19所示。

从图中可以看出，当两辆车相对行驶时，车辆荷载使桥塔在y方向产生最大位移为35mm，发生在72s左右，即车辆离开桥梁的以后；在x向产生最大正位移为15mm，发生在41s左右；最大负位移为13mm，发生在42s左右；在z向产生的最大位移3.5mm，发生在72s左右。从左塔塔顶的位移-时间曲线可以看出，塔顶的最大位移为36mm，发生在72s以后，即车辆离开桥梁后的短时间内。

10年以后车辆对左桥塔位移的影响和工况Ⅱ进行对比可看出，塔顶在x，y，z向产生的位移差距不大，总位移相差4mm，但是塔顶最大总位移出现的时间相差很大，工况Ⅱ中最大正位移出现在17s，而10年后的塔顶最大总位移在车辆离开桥梁的瞬间，即72s左右。由上可知，只考虑汽车荷载在10年后对桥塔的影响，其位移变化不大，但是最大位移在发生的时间上差距很大，考虑其他因素与汽车荷载进行耦合时，其变化可能很显著，应根据具体的耦合情况对桥塔进行分析。

5 结论

①多重循环荷载下，结构受力较复杂，采用ANSYS有限元分析法模拟桥梁高塔在多重荷载情况下的各种动力响应，其分析结果认为是有效的。②在简谐荷载作用下，桥塔轴力变化不大；在最不利载荷条件下桥塔与桥面连接处附近截面的弯矩变化较大；桥墩与桥体横向约束阻止了桥塔的横向变形，使桥塔横向位移变化较小。③桥塔塔顶在顺桥向位移变化不大；在上塔和下塔的结合处，截面变化明显，荷载传递很易产生应力集中，易使桥塔混凝土产生裂纹，从而危害桥梁的整体稳定，所以简谐力对桥塔的危害不能忽略，应在设计时加强局部配筋及温度控制措施，防止混凝土开裂。④桥塔动弹性模量修正后，桥塔塔顶位移变化不明显，但达到最大位移的时间有显著变化，即时间滞后性明显。所以在与其它时间因素耦合时，桥塔受力可能有较大变化，应引起充分重视。

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，2003.

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[3]王解军,方联民.车辆荷载作用下斜拉桥冲击效应的研究[J].中南公路工程,2002,27(3)34-37.

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[7]夏晓梅,蔡键.斜拉桥混凝土索塔的疲劳损伤[J].华东公路,2003,6:47-49.

The Influence of Multiple Cyclic Loading on Cable-stayed Bridge of High Tower

On the background of Badong Yangtze River Highway superelevation cable-stayed bridge,this paper does many condition aralysis which simulates the automobile through various conditions of bridge,unidirectional and bidirectional,also simulates multiple load on the dynamic response of the car bridge after 10 years by using ANSYS.The research for the law of the displacement of tower top and the stability of high tower can provide some reference for the maintenance of the bridge and redesign during the service.

high tower；cable-stayed bridge；fatigue；multiple cyclic loading

郝艳广（1982-），男，河北邢台人，重庆交通大学，研究生，硕士，桥梁与隧道工程专业，中级工程师，研究方向为桥梁健康检测与监测；韩劲龙（1981-），男，湖北汉川人，武汉理工大学，研究生，硕士，桥梁与隧道工程专业，中级工程师，研究方向为桥梁健康检测与监测。

U448.27

A

1006-4311（2014）13-0096-03