双缆多塔悬索桥桥塔受力特性研究

2020-05-13张云龙

四川水泥 2020年2期

张云龙

（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054）

0 引言

多塔悬索桥具有良好的经济性能，已经成为大跨度桥梁的新兴桥型，近十年来，国内外先后建造了泰州长江大桥、马鞍山大桥以及鹦鹉洲长江大桥，韩国新世纪大桥，温州瓯江北口大桥等多塔悬索桥，伴随这一新兴结构的出现，多塔悬索桥也成为当今桥梁工程的研究热点[1]。建造多塔悬索桥面临的主要问题是“中塔效应”，采用刚性中塔可有效减小加劲梁挠度，但主缆与中塔鞍座的抗滑稳定性随之降低[2-4]。在传统单缆体系的基础上，国内外学者从缆索的布置形式进行了改进， Gimsing[5]提出了双层主缆的构想，通过在同一索面设置垂度不同的两根主缆，共同承担桥面荷载。

1 计算模型及荷载

1.1 计算模型

为比较两种多塔悬索桥结构体系加劲梁受力的不同，参照典型的传统多塔悬索桥结构设计参数，建立有限元模型。加劲梁截面参考泰州长江大桥[6]。

根据已有研究结果，采用Midas civil 建立三塔两跨悬索桥，主缆及吊杆用只受拉桁架单元模拟，桥塔及加劲梁用梁单元模拟。主跨长度L 为1000 m，边跨长度为300 m，恒载集度为240 kN/m 双缆体系分别取下缆垂度为1/8～1/5，上缆垂度为1/12,1/13,传统体系主缆垂度取1/12～1/9。

根据《公路悬索桥设计规范》[7]对主缆安全系数的要求，令恒载作用下主缆应力为600MPa，通过对双缆体系主缆面积进行计算，传统悬索桥主缆面积取值原则与双缆体系相同，恒载作用下主缆应力水平为600MPa，主缆面积如表1 所示。

表1 主缆面积（单位：m2）

1.2 模型荷载

传统多塔悬索桥最不利荷载工况为一主跨满布活载，其余各跨空载，此时中塔塔顶不平衡水平力最大，主缆抗滑稳定性降到最低，加劲梁挠度达到最大。

根据《公路桥梁设计通用规范》[8]的规定，单个车道均布荷载p 为10.5kN·m-1，集中荷载Q 为360kN，按8 车道加载，考虑多车道横向折减，横向折减系数为0.5，同时考虑纵向折减，纵向折减系数为0.93。

2 桥塔刚度对桥塔受力的影响

改变有限元模型的桥塔刚度，分别取桥塔抗推刚度Kt=2500，5000，7500，10000kN/m，其他主要结构设计参数保持不变，分析桥塔刚度对多塔悬索桥桥塔受力性能的影响。

2.1 对桥塔位移的影响

通过分析桥塔刚度对传统多塔悬索桥和双缆多塔悬索桥中塔的塔顶位移发现，塔顶位移随着桥塔刚度的增大而减小，塔顶位移随着上缆垂度的减小和下缆垂度的增大而减小。当桥塔刚度为2500 kN/m 时，传统多塔悬索桥塔顶位移为1.793～2.995m，双缆多塔悬索桥塔顶位移为0.801～1.777m；当桥塔刚度为10000 kN/m 时，传统多塔悬索桥塔顶位移为1.422～1.772m，双缆多塔悬索桥塔顶位移为0.714～1.271m；随着桥塔刚度的增大，传统多塔悬索桥垂跨比的改变对塔顶位移影响逐渐较小，双缆体系塔顶位移受桥塔刚度影响较小，主要通过主缆垂度来控制塔顶位移。

2.2 对桥塔弯矩的影响

通过分析桥塔刚度对传统多塔悬索桥和双缆多塔悬索桥中塔的塔底弯矩的影响发现，塔底弯矩随着桥塔刚度的增大而增大，随着上缆垂度的减小和下缆垂度的增大而减小。随着桥塔刚度的增大，双缆体系中塔塔底弯矩最小可达到288.8MN·m，最大为1983.7 MN·m，传统体系最小塔底弯矩为593.1 MN·m，最大塔底弯矩为2766.1MN·m，双缆多塔悬索桥塔底弯矩下降了29%～51%，当桥塔刚度较大时，上下缆垂度对塔底弯矩的影响逐渐增大，采用适当的垂跨比时，双缆体系可极大降低桥塔受力。