超大跨徑斜拉橋受力特性分析

蔣維剛 徐利平

超大跨徑斜拉橋受力特性分析

蔣維剛 徐利平

就 1 600m斜拉橋在方案試設計過程中遇到的問題進行了一些探討,對斜拉橋跨徑增大后在動力特性方面表現出與常規斜拉橋的不同進行了概念分析;此外,從靜力和動力的角度分析了 1 600m斜拉橋在施工長懸臂階段的受力情況,驗證了最大單懸臂狀態的施工安全性。

斜拉橋,動力特性,單懸臂階段

0 引言

斜拉橋是一種橋面體系受壓,支承體系受拉的橋梁。其橋面體系用加勁梁構成,其支承體系由鋼索組成。該種橋型不僅具有受力明確、跨越能力強的特點,而且也具有很強的景觀效果,能夠很好的與不同的建橋環境相融合,常常能在方案設計階段脫穎而出。

1956年,瑞典的 Str?msund橋拉開了現代斜拉橋建設的序幕,至今全世界已建成 300余座,跨徑已經達到了超千米級水平,以目前我國的蘇通長江公路大橋為代表(主跨 1 088m),蘇通大橋的建成更是增強了一大批橋梁設計、科研人員對建造更大跨徑斜拉橋的信心;在 2006年的中國香港“國際橋梁工程會議”中,丹麥的 Gimsing教授指出“由于主梁軸力、架設穩定性等方面的原因,在接下來的半個世紀里,傳統的自錨式斜拉橋尋找的突破跨度在1 200m～2 000m之間”。

本文對 1 600 m的傳統自錨斜拉橋進行了試設計,參考了蘇通大橋相關技術標準,分析了其動力特性和施工階段的靜力行為。

1 成橋動力特性分析

大跨度斜拉橋是柔性結構,且大多為跨海大橋,橋址處自然環境特別惡劣(如風、雨),關注其自身的振動特性就顯得尤為重要,本文對已建空間模型進行特征值分析,比較了在不同梁高的情況下,主跨 1 600m斜拉橋方案在成橋狀態典型動力特性,見表 1。計算模型如圖 1所示。為了減小風阻系數,盡量減小索塔所受的風荷載,本次索塔的截面采用多邊形的形式,橋塔采用“A”形塔,主梁采用的是流線型封閉鋼箱梁,采用鋼材為 Q345qD,屬于薄壁結構,梁高 4.5m。

表1 主跨 1 600 m斜拉橋動力特性表

《公路橋梁抗風設計規范》(下面簡稱抗風規范)中的簡化公式為：按照抗風規范對結構進行顫振穩定性檢驗,顫振穩定性系數If為：

其中,[Vcr]為結構的顫振檢驗風速;ft為結構的扭轉基頻;B為橋面全寬。

由此可計算得 If=19.8＞7.5,根據抗風規范第 6.3.3可知,應對主梁進行氣動選型,通過節段模型試驗、全橋模型試驗和詳細的顫振穩定性分析進行詳細的試驗,必要時應采取振動控制技術。

從表 1中可以看出：主跨 1 600m的斜拉橋的一階振動形式表現為側彎,這樣的振動形式不同于現已建的千米級以下的斜拉橋,這主要是由于主跨跨徑增加后,隨著橋跨不斷增大,橋梁的寬跨比越來越小,其側向剛度降低的緣故。

無論是一階振動還是二階振動,其振動周期都是隨著梁高的增加而減小,但減小的幅度不大,對應的周期都比較接近。由此可知從動力特性的角度出發,主梁的高度在滿足方便施工的情況下是可以自由選擇的。

2 施工階段分析

在斜拉橋的設計過程中除了對其進行成橋狀態的受力分析外,還須對其進行施工的各階段進行分析,以保證施工的可行性,這一點在國內外規范中都有體現;對于超千米級跨徑的斜拉橋來說,其施工階段的可行性分析更為重要,本次概念設計中主要對其施工最大單懸臂階段進行了模擬分析,通過分析探索在極限風荷載作用下,主跨 1 600m這樣的超千米級斜拉橋的最大單懸臂施工能否按照常規的斜拉橋施工來進行。

對于主跨 1 600m的斜拉橋,其最大單懸臂施工階段的懸臂長度達到 792m(蘇通大橋施工階段最大單懸臂長度為 536m),控制最大單懸臂階段的荷載主要是極限風荷載,索塔、主梁尺寸同前。

為了研究最大單懸臂階段在風荷載下的動力振動特性,首先就得掌握該階段結構的整體振動特性,單懸臂階段的振動特性如表 2所示。

由此可知施工階段首先出現的為側彎振動,應采取相對應正確的抗風措施。

表2 最大單懸臂下的動力特性

3 結語

本文對主梁采用封閉鋼箱梁主跨為 1 600m的斜拉橋進行了成橋和最大單懸臂階段的結構分析,得到了一些有益的成果：

對于主梁采用封閉鋼箱梁的超千米級斜拉橋,通過計算分析可知：控制主梁截面設計的荷載工況為極限橫向風,在此工況下主梁的角點應力達到 329MPa,按照設計要求采用Q420的鋼板是可以滿足設計要求的,索塔的最大拉、壓應力分別為 1.3 MPa,27MPa,按照規范要求混凝土標號需用到 C70。

從結構的動力特性分析結果可知,采用漂浮體系后結構屬于長周期結構,對抗震是比較有利的,但和一般的斜拉橋是有區別的,結構首先出現的振動形式為側彎的形式,這表明隨著橋梁主跨跨度的增加,結構的側向剛度逐漸降低,成為設計的薄弱環節;另外參考相關文獻可以知道對主跨 1 200m的斜拉橋結構,其第一階振動形式也表現為側向彎曲,而我國建設的蘇通長江公路大橋(1 088m)其一階振動形式表現為縱漂,由此我們可以找到一個規律：在今后建造更大跨徑斜拉橋時要特別注意其側向剛度的設計,側向的振動會對結構帶來一系列的問題,如鋼箱梁的疲勞問題等。

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Analysis on mechanical characteristics of long-span cable-stayed bridge

JIANG W ei-gang XU Li-ping

This paper discusses p roblems encountering in scheme design process of 1 600m cab le-stayed bridge,analyzes dynamic features difference between common cable-stayed and cab le-stayed bridge after increasing span.Moreover,it analyzesmechanical condition of 1 600m cable-stayed bridge at long cantilever construction phase from static and dynam ic aspects,and proves the construction security under the largest single cantilever state.

cable-stayed bridge,dynamic characteristics,single cantilever phase

U 448.27

A

1009-6825(2011)03-0161-02

2010-09-26

蔣維剛(1985-),男,助理工程師,同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200000

徐利平(1964-),男,教授級高級工程師,同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200000