异型斜拉桥背索的型变效应

任 伟，盖轶婷，兰 彬，3

(1．旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，陕西 西安 710064;2．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075; 3．山东高速集团有限公司，山东 济南 518049)

异型斜拉桥背索的型变效应

任 伟1，盖轶婷2，兰 彬1，3

(1．旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，陕西 西安 710064;2．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075; 3．山东高速集团有限公司，山东 济南 518049)

为研究空间扭背索斜塔斜拉桥与常规布索斜拉桥在力学性能上的差异，本文以一独柱斜塔空间扭背索斜拉桥为依托，采用数值算法，通过变换背索布索方式，对空间扭背索与扇形背索两种布索方式斜拉桥在静力性能、动力特性、稳定性方面的差异进行对比分析。研究结果表明:空间扭背索布索方式易造成索力分布不均匀，主梁弯矩、应力偏大等问题;相对于扇形背索，空间扭背索布索方式的斜拉桥整体刚度较小;稳定性方面二者区别不大。总体而言，空间扭背索斜拉桥在受力上基本合理，但是在获得一定视觉效果的同时，其力学性能有所降低。

桥梁工程 空间扭背索 扇形背索 静力性能 动力性能

随着人们对城市景观要求的不断提高，新颖结构往往作为一个地区标志性建筑的首选，空间扭背索斜塔斜拉桥就是这样一个新生事物。目前已建成的类似结构有江西南昌英雄大桥、山东省济宁市太白楼西路梁济运河大桥等。所谓空间扭背索组合梁斜塔斜拉桥，是指斜拉桥采用独塔形式，索塔向边跨倾斜，边跨背索采用扭索面，即锚固在索塔最低处的拉索的另一端锚固在距索塔最远的主梁上;锚固在索塔上最高处的拉索的另一端锚固在距索塔最近的主梁上。由于采用了超出常规的布索顺序和倾斜的桥塔，使得该类斜拉桥更具观赏价值［1-3］。

斜拉桥布索方式的不同会引起结构受力性能的差别［4-5］。但是目前对两者之间的差异到底有多大，孰优孰劣，还无相关研究。因此本文以某空间扭背索斜拉桥为依托，通过变换背索布索方式，从静力、动力及稳定性几个方面研究布索方式对桥梁结构性能产生的影响。

1 数值分析模型建立

1.1 依托工程

依托桥型为一座跨径(96+220)m的空间扭背索组合梁斜塔斜拉桥。主跨为单箱多室钢箱梁，边跨主梁为分离式PC箱梁，这两段主梁在主塔根部位置通过剪力键和预应力相连。桥塔采用独柱混凝土斜塔，钢锚箱，主塔全高133 m，塔身向边跨倾斜8°。全桥共设28对斜拉索。该桥总体布置如图1所示，对比桥型如图2所示。

图1 总体布置

图2 对比桥型

1.2 模型建立

本文主要研究扭背索对全桥结构行为的影响，因此建立了2个数值模型:①空间扭背索模型;②扇形背索模型。全桥模型采用结构分析软件MIDAS/Civil建立。斜拉索采用桁架单元模拟，主梁和主塔采用空间梁单元，钢锚箱处主塔和钢—混结合段处主梁采用换算截面。主要材料参数均来源于规范或现场实测值。

2 对比分析

2.1 静力分析对比

1)拉索弹性模量修正值比较

斜拉索由于受到垂度的影响，其受力性能会发生改变［6-7］。因此需要对两模型拉索的弹性模量采用Ernst公式修正［8-9］。两种布索方式修正后的弹性模量对比如图3所示。由图3边跨拉索弹性模量修正值可以看出，修正后的扭背索拉索弹性模量变化幅度小于扇形背索。对 Ernst公式的分析发现，采用空间扭背索布索方式时由于水平投影小的拉索相应的受力也小，正好降低了 Ernst公式中项的变化速率，因此其对刚度的影响也较小。

图3 拉索弹性模量修正值比较

2)索力及应力比较

在自重、二期铺装、预应力和斜拉索作用下，空间扭背索布索方式与扇形背索布索方式的成桥索力及应力比较如图4所示。

由图4可知，相对于扭背索，扇形背索方式索力分布均匀，且锚固在同一锚固区的索力相差也较小。其中空间扭背索模型索力变化范围为4 501～2 173 kN;扇形背索模型索力变化范围为4 149～2 553 kN。此外，锚固在同一桥塔断面的扭背索，拉索索力相差也较大，其中差值在700 kN以上的占50%。扇形背索布索方式的索力分布相对较均匀，主边跨锚固在同一钢锚箱的拉索索力相差较小，其中差值在700 kN以上的仅为14.3%。布索方式差异对主梁应力的影响相对较小，其中主跨3/4L位置的相差较大，差值在7.4～8.9 MPa之间，其余位置差值均很小。

3)位移比较

在自重、二期铺装、预应力和斜拉索作用下，两种布索方式对主梁位移的影响很小，说明背索的布索方式对独塔斜拉桥线形影响不大。

主塔纵向位移最不利工况下(主跨满载)，扭背索布索方式主塔最大位移为18.1 cm，扇形背索布索方式仅为8.3 cm，均偏向主跨。扭背索布索方式的主塔位移偏大的主要原因是受拉索角度的影响，扭背索给主塔提供的水平平衡力受到限制。

图4 索力及应力比较

4)主梁弯矩

在自重、二期恒载、预应力和斜拉索作用下，比较两种布索方式对应主梁弯矩可看出，空间扭背索布索方式的主梁弯矩大，比常规索布索方式的峰值大35 182 kN·m。

2.2 动力分析对比

计算了扭背索模型和扇形背索模型前10阶自振特性的频率和振型特点。扭背索模型的第一阶振动模态为主塔纵向弯曲，频率为0.773 Hz，而该振型直到第7阶才出现在扇形背索模型中，频率为8.035 Hz。说明扭背索斜拉桥，由于主跨和边跨索力相差较大，对主塔约束刚度相对较薄弱。空间扭背索模型第8阶出现边跨竖弯振动，频率为4.571 Hz，而扇形背索是在第9阶才出现该振型，频率为10.187 Hz。说明空间扭背索布索方式对主梁的竖向刚度约束也较小。

2.3 稳定分析对比

第一类稳定性分析采取两个工况:①全桥均布力对称作用;②主跨均布力对称作用。两个工况下，扇形背索布索方式的第一类稳定特征值都大于扭背索布索方式，但两者的同阶次失稳模态是相同的。总体上看来，二者在稳定性上差别不大。

采用塑性铰法来计算依托斜拉桥的第二类稳定(极限承载力)。共分两个工况:①全桥对称布置均布力;②仅在主跨布置均布力，且左右对称作用。出现塑性铰时，两种工况下扭背索的活荷载系数分别为5.52和5.48;扇形背索分别为5.60和5.53。扇形背索布索方式的活荷载系数比扭背索布索方式略大，这说明相对于常规布索方式的斜拉桥，空间扭背索斜拉桥的承载能力较弱。

3 结论

以某空间扭背索斜拉桥为算例，研究布索方式对斜拉桥结构性能的影响，主要结论如下:

1)扭背索能够降低垂度引起的非线性影响;由于边跨扭背索索力分布不均匀，易引起较高的主梁应力。

2)空间扭背索在获得美学效果的同时，静力性能有所降低。

3)空间扭背索模型结构刚度相对较低。从结构振型和频率上看，主塔的结构刚度和边跨主梁的结构刚度明显弱于常规斜拉桥。

4)扇形背索斜拉桥的第一类整体稳定性略好于空间扭背索斜拉桥，但二者区别不大。空间扭背索斜拉桥承载能力略低于扇形背索斜拉桥。

［1］兰彬．背索布索方式对独塔斜拉桥结构性能影响分析［D］．西安:长安大学，2008．

［2］陈明宪．斜拉桥的发展与展望［J］．中外公路，2006，26(4): 76-86．

［3］王星海．独塔斜拉桥的整体稳定性分析［D］．长沙:长沙理工大学，2007．

［4］WANG P H，TSENG T C，YANG C G．Initial Shape of Cablestayed Bridges［J］．Computers＆Structures，1993，47(1):111-123．

［5］贺拴海．高等桥梁结构理论与计算方法［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［6］GUO W H，XU Y L．Fully Computerized Approach to Study Cable-Stayed Bridge-Vehicle Interaction［J］．Journal of Sound and Vibration，2001，248(4):745-761．

［7］亢战，钟万勰．斜拉桥参数共振问题的数值研究［J］．土木工程学报，1998(4):14-22．

［8］宋一凡．公路桥梁荷载试验与结构评定［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［9］夏品奇，JAMES M W，BROWN J．斜拉桥有限元建模与模型修正［J］．振动工程学报，2003，16(2):219-223．

Back cable type-variable-effect of special-shaped cable stayed bridge

REN Wei1，GAI Yiting2，LAN Bin1，3
(1．Key Laboratory of Bridge Detection Reinforcement Technology Ministry of Communications，PRC，Xi’an Shaanxi 710064，China; 2．CCCC First Highway Consultants Co．，Ltd．，Xi’an Shaanxi 710075，China; 3．Shandong High-speed Group Co．，Ltd．，Jinan Shandong 518049，China)

T he performance difference between cable-stayed bridge with space-twisting back cables and conventional cable-stayed bridge was compared．A space-twisting back cable stayed bridge with a leaning tower was studied using numerical analysis．W ith the change of the layout of back cables，the static performance，dynamic characteristics and the stability of the two types of cable-stayed bridges were different．By comparison，the disadvantages of the spacetwisting back cable stayed bridge include uneven distribution of cable force，larger moment and stress in girders and lower stiffness．But the stability of the two types of bridges is almost the same．In general，the performance of the space-twisting back cable stayed bridge is reasonable．As the sacrifice for amazing vision beauty，its performance is not as good as that of the conventional cable-stayed bridge．

Bridge Engineering;Space-twisting Back Cable;Sector Back Cable;Static performance;Dynamic performance

U448.27

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．04

(责任审编 赵其文)

2014-12-01;

:2015-05-28

国家自然科学基金项目(51308056);2012年交通运输部应用基础研究项目(2012319812100);陕西省交通运输厅2014年度交通科研项目(14-17k);广东省交通运输厅科技项目(2011-02-034)

任伟(1975— )，男，陕西西安人，副教授，工学博士。

1003-1995(2015)08-0013-03