限位吊索对双塔双跨悬索桥的受力影响

吴 晶

(广东省交通运输建设工程质量检测中心，广州 510420)

0 引言

限位吊索为双塔双跨悬索桥的特有吊索，位于边跨靠近锚碇处的吊索，其下端锚固于过渡墩上，上端与索夹相连。因其直接锚固于过渡墩上，在恒载作用下，限位吊索的吊索力较其他索力大，甚至超过塔旁两侧最长的吊索。因此，限位吊索对双塔双跨悬索桥的作用不可忽视。本文以西江特大桥为背景，分析限位吊索对双塔双跨悬索桥的静力及动力特性的影响。

1 工程概况

西江特大桥位于广东省汕(头)湛(江)高速公路清远清新至云浮新兴段，项目于2020年1月建成通车。

西江特大桥是主跨为738m的双塔双跨悬索桥，跨径布置为(300m+738m+204m)，其中钢箱梁长度为202m+738m。矢跨比为1:9，主缆横桥向中心间距为31.2m，吊索顺桥向标准间距为15m。主缆采用公称直径为φ5.2mm、抗拉强度为1 770MPa的锌铝合金镀层高强度钢丝。吊索采用公称直径为φ5.0mm、抗拉强度为1 770MPa的锌铝合金镀层高强度钢丝，设置于北边跨和中跨，桥塔侧吊索距桥塔中心线水平距离为16.5m，其余吊索水平间距为15m，限位装置处吊索与相邻吊索间距为20.5m。钢箱梁构件均采用低合金高强度结构钢Q345D，钢箱梁全宽34m，梁高3m，顶板宽30m，风嘴宽2.2m，平底板宽24.3m，斜底板宽4.85m，风嘴外侧设置宽1.5m的检修道(供后期检修使用)。

主塔采用C50混凝土。主塔分北、南两个桥塔，桥塔是由塔柱、横梁组成的门式刚架结构，塔柱为普通钢筋砼结构，横梁为预应力砼结构。桥塔共有两个塔柱，两道横梁。桥型布置、标准横断面如图1和图2所示。

图1 西江特大桥桥型布置(单位：m)

图2 西江特大桥钢箱梁标准横断面(单位：cm)

2 有限元分析

为分析限位吊索对双塔双跨悬索桥受力特性的影响，采用有限元软件MIDAS /CIVIL2015分别建立该桥设置与不设置限位吊索的两种模型，模型中主缆采用只受拉的桁架单元(辅助单元为索单元)、吊索采用桁架单元，主塔和主梁采用梁单元。模型的边界条件为：主缆与主塔两端位置采用一般支撑中的固定支座(固结)，主缆与主塔的连接采用刚性连接中的主从节点连接(刚体)，主梁在北过渡墩设置一般支撑中的约束竖向位移(DZ)，主梁与主塔的连接采用弹性连接中的一般连接，其中主梁与北塔的连接只约束横向位移(SDY)，主梁与南塔塔的连接则约束竖向位移(SDX)。有限元分析模型如图3所示。

图3 西江特大桥计算模型

2.1 静力计算结果

西江特大桥静力分析主要参数取值见表1。

表1 西江特大桥计算参数取值

桥梁在设计荷载作用下设置限位吊索与不设置限位吊索的主要计算结果见表2(其中模型1为设置限位吊索的模型，模型2为不设置限位吊索的模型)。对比表2数据可知：

表2 设计荷载作用下主要静力计算结果

(1)不设置限位吊索的边跨主梁内力及变形均比设置限位吊索的要大，内力的差值为17%，挠度的差值为12.6%，挠度最大位置均在跨中。弯矩最大位置则发生变化，模型1边跨跨中弯矩在跨中，而模型2边跨跨中弯矩则在距离边墩58m的位置。

(2)不设置限位吊索的塔梁结合处主梁负弯矩比设置限位吊索的要大，内力的差值为7.5%。

(3)设置限位吊索与不设置限位吊索对主塔偏位、主塔内力、主梁梁端位移及中跨主梁的内力和挠度则无较大影响。

2.2 动力计算结果

Midas程序提供的结构动力特性的计算方法有子空间迭代法、多重Ritz向量法和Lanczos算法。因Lanczos算法在运算量和存储量上有所优化，计算速度更快，因此本次计算选择Lanczos算法。两种不同计算模型计算得到的桥梁前9阶自振频率见表3。

表3 动力计算结果

由表3可知，设置限位吊索主要影响主梁的前三阶对称竖弯频率，而对主梁的反对称竖弯、主梁横向弯曲、主缆的横向弯曲频率及主梁第四阶之后的对称竖弯则无影响。动力计算结果表明，设置了限位吊索的对称竖弯频率均比不设置限位吊索的频率要略大，可见与不设置限位吊索相比，设置限位吊索对主梁的竖向抗弯刚度提高有限。

3 成桥荷载试验

3.1 静力试验

该桥成桥静载试验于2019年11月18日至2019年11月29日之间进行，主要依据的规范为《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)，测试结果见表4。由表4可知，桥梁结构各主要控制指标实测值均与设置限位吊索模型理论计算值吻合较好。

表4 实测值与理论值对比

3.2 动力试验

为获得该桥梁的动力特性(如固有频率、振型、阻尼比等)，需对其进行脉动试验。脉动试验是指在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振动的情况下，通过布置在桥梁上的振动传感器拾取桥梁由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动，经低频放大器将信号放大后，用动态信号采集系统进行采样、分析，以测定结构的相关动力特性。

根据该桥梁结构理论振型的特点，在钢箱梁主跨16分点、边跨6分点上下游布置竖向测点，在相同断面的下游侧布置水平测点，在两个主塔上各布置了顺桥向和横桥向的水平测点，在中跨主缆四分点上下游布置横向测点，测点布置如图4所示。实测桥梁自振频率及振型见表5。

图4 西江特大桥脉动测点布置

表5 结构部分实测模态与理论模态对比

由表5可知，结构前九阶实测模态频率与理论模态频率较吻合，说明理论模型与桥梁实际结构一致。

由本次成桥荷载试验静力及动力结果分析可知，建立限位吊索的理论模型与桥梁实际结构较吻合。双塔双跨悬索桥因其限位吊索的存在，荷载试验本应重点关注限位吊索的索力增量，但因限位吊索较短，就目前的测试技术难以准确地检测吊索的索力，因此本次荷载试验未能对限位吊索索力增量予以关注。建议建设单位在桥梁建设期间，对限位吊索安装一些性能较好的传感器(如光纤光栅应变传感器等)，加强监测限位吊索的受力情况，从而进一步判断限位吊索的工作状况。

4 结论

本文以西江特大桥为工程背景，对限位吊索对双塔双跨悬索桥受力的影响进行了分析，并通过荷载试验对理论模型进行了验证，得出以下结论：

(1)设置与不设置限位吊索对双塔双跨悬索桥静力分析的主要影响为边跨弯矩及挠度，对主塔偏位、主塔内力、梁端位移及中跨的内力和挠度影响较小。限位吊索的设置使双塔双跨悬索桥的主梁内力较平缓，利于结构材料的利用，若不设置限位吊索，边跨的内力则会较中跨大。

(2)限位吊索的设置对结构动力的主要影响为主梁的前三阶对称竖弯频率，不影响主梁第四阶之后的对称竖弯、主梁的反对称竖弯、主梁横向弯曲及主缆的横向弯曲频率。设置限位吊索对提高主梁的竖向抗弯刚度作用有限。

(3)双塔双跨悬索桥成桥荷载试验应关注限位吊索的索力增量，因现有测试技术难以对短吊杆索力进行准确测试，本次静载试验未对限位吊索的索力进行测试。建议建设单位在桥梁建设过程中，对限位吊索安装一些性能较好的传感器，做好桥梁运营期间限位吊索索力的监测。