斜拉桥索力影响参数分析

莫永春

（中国中铁股份公司安全质量督查三组，北京 100080）

0 引言

近年来，我国基础设施建设得到了飞速发展，斜拉桥由于其卓越的跨越能力和良好的受力性能在交通运输中扮演了十分重要的角色。斜拉桥主要由主塔、主梁、斜拉索组成，主梁直接承受自重及汽车荷载等外荷载，然后再通过斜拉索将荷载传递给主塔，主梁基本呈现为压弯受力状态[1-3]。主塔除受自重引起的轴力外，还需承受由斜拉索传递的轴力及水平分力，因此索塔属于压弯构件[4，5]。目前针对斜拉索索力影响因素方面的研究较少，因此本文为研究斜拉桥索力影响参数对斜拉索索力的影响规律，以某大跨度斜拉桥为工程背景，分别选取斜拉桥的主梁刚度、桥塔刚度、斜拉索刚度以及斜拉索损伤情况等四个影响参数，采用有限元软件建立三维空间有限元模型，分析在不同索力影响参数下斜拉索索力的变化规律。

1 工程概况

某大桥主桥为70+150+70m 双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用150m 主跨跨越深水区域，采用70m 边跨跨越两岸大堤，总长290m。塔柱采用双柱式，柱尺寸顺桥向4.5m 长，横桥向2.5m 宽，壁厚顺桥向1.25m，横桥向0.65m，两主塔均采用塔、梁固结体系，主墩顶设支座。桥型布置图如图1 所示。

图1 塔梁固结斜拉桥桥型布置图（单位/mm）

2 斜拉桥刚度参数对索力影响分析

2.1 主梁刚度参数

选取斜拉桥主梁的刚度分别为原刚度的0.5、1.0、1.5、2.0 以及2.5 倍五种不同主梁刚度，原主梁刚度记作E1，提取不同主梁刚度模型计算后的斜拉索索力数据，如图2所示。

图2 主梁刚度改变对斜拉桥索力的影响规律图

由图2 可以看出，主梁刚度的改变对于全桥的斜拉索的索力影响都很大，其中边跨编号SC12～SC01 斜拉索索力和中跨编号MC01～MC06 斜拉索索力随着主梁刚度的增大呈现出逐渐增大的变化规律，最大增大幅度为14.5%；但在中跨跨中编号MC07～MC07’斜拉索索力反而随着主梁刚度的增加呈现减小的变化规律，最小减小幅度为14.33%。由此可得，斜拉桥主梁刚度的改变对斜拉索的索力有着重要的影响，在斜拉桥设计过程中可以适当增减主梁刚度，以调整斜拉索索力，从而使斜拉桥结构整体受力达到有利的状态。

2.2 桥塔刚度参数

选取斜拉桥主梁的刚度分别为原刚度的0.5、1.0、1.5、2.0以及2.5 倍五种不同桥塔刚度，原主梁刚度记作E2，提取不同桥塔刚度模型计算后的斜拉索索力数据，如图3 所示。

图3 桥塔刚度改变对斜拉桥索力的影响规律图

由图3 可以看出，桥塔刚度的改变对斜拉索的索力也有所影响，其中对边跨编号SC07～SC01 和SC01’～SC07’斜拉索以及中跨编号MC01～MC01’斜拉索索力影响较小，但对边跨SC12～SC06 和SC12’～SC06’斜拉索影响较大，其中主塔刚度为原刚度的0.5 倍时，斜拉索索力最大，主塔刚度为原刚度的2.5 倍时，斜拉索的索力最小，斜拉索的索力值随着主塔的刚度增加呈现减小的变化规律，而边跨SC12～SC06 和SC12’～SC06’斜拉索位置正处于边跨配重区域。由此可得，斜拉桥主塔刚度的改变对边跨配重处的斜拉索的索力有着重要的影响，在斜拉桥设计过程中可以适当增减主塔刚度，以调整斜拉索索力，从而使斜拉桥结构整体受力达到有利的状态。

2.3 斜拉索刚度参数

选取斜拉桥斜拉索的刚度分别为原刚度的0.5、1.0、1.5、2.0 以及2.5 倍五种不同斜拉索刚度，原斜拉索刚度记作E3，提取不同斜拉索刚度模型计算后的斜拉索索力数据，如图4 所示。

图4 斜拉索刚度改变对斜拉桥索力的影响规律图

由图4 可以看出，斜拉索刚度的改变对于全桥的斜拉索的索力有着一定的影响，其中对边跨编号SC12～SC01和SC01’～SC12’斜拉索以及中跨编号MC01～MC07 和MC07’～MC01’斜拉索索力影响较小，并且这些斜拉索的索力随着斜拉索刚度增加呈现减小的变化规律；对于中跨编号MC06～MC06’斜拉索索力影响程度比较大，其中斜拉索刚度为原刚度的2.5 倍时，斜拉索索力最大，斜拉索刚度为原刚度的0.5 倍时，斜拉索的索力最小，斜拉索的索力随着斜拉索的刚度增加呈现增加的变化规律，较原刚度索力最大变化幅度为21.5%。由此可得，斜拉桥斜拉索刚度的改变对斜拉桥斜拉索索力有着重要的影响，可在斜拉桥设计过程中可以适当调整斜拉索刚度，以调整斜拉索索力，从而调节斜拉桥结构整体受力性能。

3 斜拉索损伤参数对索力影响分析

在整个斜拉桥运营过程中，每一根斜拉索都存在断裂的风险，但在实际工程中，往往中跨跨中最长索断裂和边跨压重处最长索断裂对斜拉桥结构的影响较大，因此本节主要分别考虑中跨跨中最长索和边跨压重处最长索断裂对剩余斜拉索索力的影响，斜拉索断裂组合如表1 所示，不同组合形式下产生的索力变化如图5～图8 所示。

表1 斜拉索断裂形式组合表

图5 组合1 和组合2 斜拉索断裂索力对比图

图6 组合1 和组合3 斜拉索断裂索力对比图

图7 组合1 和组合4 斜拉索断裂索力对比图

图8 组合1 和组合5 斜拉索断裂索力对比图

从图5 可知，单边边跨最长斜拉索断裂时，对于索断裂附近的边跨斜拉索力影响是最大的，当单边边跨最长斜拉索SC12 断裂时，附近边跨斜拉索SC11～MC04 索力呈现增大的趋势，较原索力最大增大幅度为7.90%，但斜拉索的增大幅度随着远离断裂索而减小；从斜拉索编号MC05 开始至MC12，斜拉索索力反而变小，最小减小幅度为3.84%，对剩余斜拉索索力影响较小。由图6 可知，当单边中跨跨中最长斜拉索编号MC12 断裂时，对于中跨附近斜拉索MC01～MC11 索力呈现增大的趋势，较原索力最大增大幅度为7.69%，但边跨斜拉索SC12 至SC06 索力反而变小，最小减小幅度为2.82%，对其余斜拉索索力的影响较小。根据图7 可知，当双边边跨最长斜拉索SC12 和SC12’断裂时，对全桥所有斜拉索的索力都有所影响，其中对边跨斜拉索SC11～SC04 和SC04’～SC11’索力影响最大，其索力值呈现增大的变化趋势，较原索力最大增大幅度达到10.17%，而在中跨跨中斜拉索MC09～MC09’索力值呈现减小的变化趋势，较原索力最大减小幅度为1.68%。而对于图8 可知，当双边中跨跨中最长斜拉索编号MC12 和MC12’断裂时，对中跨斜拉索MC02～MC11 和MC11’～MC02’索力影响最大，其索力值呈现增大的变化趋势，较原索力值最大增大幅度达到了9.72%，而在边跨压重处斜拉索SC12～SC07 和SC07’～SC12’索力值反而呈现减小的变化趋势，较原索力值最大减小幅度为1.45%，对其余斜拉索索力的影响较小。

4 结语

以某大跨度斜拉桥为工程背景，分析在不同索力影响参数下斜拉索索力的变化规律。得出的结论如下：①主梁刚度和斜拉索刚度的改变对于全桥斜拉索索力都有着重要的影响，主梁刚度改变使得边跨斜拉索索力和中跨斜拉索索力随着主梁刚度的增大呈现出逐渐增大的变化规律，随着桥塔刚度的改变，边跨配重区域斜拉索的索力值随着桥塔的刚度增加呈现减小的变化规律。②单边斜拉索断裂时，仅对断裂一边的斜拉索索产生较大的影响，而对于另外一边斜拉索索力值影响不大，当单边边跨最长斜拉索断裂时，边跨斜拉索较原索力最大增大幅度为7.90%，中跨斜拉索较原索力最大减小幅度为3.84%；当单边中跨最长斜拉索断裂时，中跨斜拉索较原索力最大增大幅度为7.69%，边跨斜拉索较原索力最大减小幅度为2.82%。③双边斜拉索断裂时，对两边的斜拉索索力都会产生较大的影响，当双边边跨最长斜拉索断裂时，较原索力最大增大幅度达到10.17%，在中跨跨中斜拉索较原索力最大减小幅度为1.68%；当双边中跨跨中最长斜拉索断裂时，中跨斜拉索较原索力值最大增大幅度达到了9.72%，边跨压重处斜拉索较原索力值最大减小幅度为1.45%。