主纜剛度對大跨懸索橋梁靜力特性的影響分析

賴可

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

由于懸索橋具有成本較低、造型美觀、跨度較大、堅固耐用等優勢，故在我國大跨度橋梁工程建設中得到廣泛的應用[1-2]。據相關研究表明，懸索橋的結構設計參數與橋梁安全息息相關，而如何保證懸索橋結構的安全穩定一直是現階段橋梁設計工作者關注的熱點課題[3-4]?？紤]到主纜是懸索橋梁中主要的受力構件之一，其剛度的設計對橋梁整體穩定至關重要，近年來國內外橋梁研究者雖在大跨懸索橋方面展開了不少研究，但少有關注主纜剛度對懸索橋靜力特性影響方面的研究[5-6]?；诖?，本文以某大跨地錨式懸索橋工程為研究背景，通過采用MIDAS/CIVIL有限元軟件建立實橋數值模型，針對不同主纜剛度下的懸索橋結構進行靜力特性分析，研究結果可為同類橋梁的設計工作提供參考與借鑒。

1 工程背景

某大跨地錨式懸索橋總長為1386m，包括主跨橋和南北引橋，其中主跨橋梁長度為630m，主跨矢跨比為1/9.5，南北引橋長度分別為550m、180m，橋梁立面布置大致如圖1所示。該橋加勁梁采用鋼箱梁，梁高為3m，橋面板采用正交異形橋面板，全橋共2根主纜，纜間間距為32m，吊索采用高強鋼絲，相鄰吊索間距均為11m，主塔中心距臨近吊索15m。

圖1 懸索橋立面示意

2 有限元模型建立

本文采用MIDAS/CIVIL軟件建立懸索橋的有限元計算模型，具體模型如圖2所示。模型中主梁、主塔均采用梁單元模擬，而主纜和吊桿則均采用只受拉索單元模擬，全橋共劃分為528個節點與386個單元，其中包括226個梁單元和160個只受拉索單元。計算模型中主纜錨固端和主塔塔底均設置為固結，主梁順橋和豎橋向分別設置為平動、約束，主梁與主塔下橫梁處采用主從節點連接。計算荷載設計為：活載考慮人群荷載2.5kN/m2+公路1級車道荷載（即10.5kN/m2均布荷載+360kN/m2集中荷載）。該橋鋼箱梁采用Q345qD鋼材，主塔混凝土設計標號為C50，主纜采用強度達1760MPa的高強鋼絲，計算時各材料的物理力學參數如表1所示。

表1 材料計算參數

圖2 懸索橋有限元模型

3 計算結果及分析

主纜結構是大跨地錨式懸索橋梁中最為主要的受力構件之一，其剛度設計決定著橋梁結構的整體穩定性。由于主纜剛度與自身的彈性模量E呈線性關系，本研究基于單一變量原則，僅將模型中主纜彈性模量E視為控制變量，而保持其他材料參數不變，擬定了0.7E、0.9E、1E、1.1E、1.3E五種主纜剛度，系統考察了主纜剛度對大跨懸索橋靜力特性的影響規律。

3.1 主纜剛度對主纜跨中位移與加勁梁跨中彎矩的影響分析

通過對活載作用下懸索橋主纜結構進行靜力特性分析，得出不同主纜剛度情形下，主纜跨中截面處位移和加勁梁跨中截面處彎矩的變化曲線，如圖3所示。

圖3 主纜位移與加勁梁彎矩變化曲線

根據圖3可知，懸索橋主纜跨中的豎向位移隨著主纜剛度的增大呈逐漸減小變化趨勢，當主纜剛度從0.7E增至1.3E時，主纜位移整體減小了24.3%；隨著主纜剛度的增大，加勁梁跨中彎矩呈逐漸減小變化趨勢，其中當主纜剛度由0.7E增至1E時，加勁梁彎矩減幅表現較為明顯，而當主纜剛度繼續增至1.3E時，加勁梁彎矩減幅則出現一定程度的減緩。說明適當增大主纜剛度不僅有利于抑制主纜結構下撓，還能有效改善加勁梁的受力。

3.2 主纜剛度對主纜軸力與應力的影響分析

通過對不同主纜剛度的主纜結構展開靜力有限元分析，得到活載作用下主纜的軸力及最大應力變化曲線，如圖4所示。

圖4 主纜的軸力、應力變化曲線

由圖4可知，隨著主纜剛度的增大，主纜不同截面處的軸力均呈逐漸增大變化趨勢，其中主纜南塔邊中跨側兩截面處的軸力增幅較為接近，而主纜跨中和中跨1/4L兩截面處的軸力增幅也同樣較為接近。主纜最大應力隨著主纜剛度的增大呈先減小后增大變化，但整體變幅較微，說明主纜剛度變化對主纜應力的影響并不明顯。

3.3 主纜剛度對吊桿軸力與應力的影響分析

通過對活載作用下懸索橋吊桿結構進行靜力分析，得到不同主纜剛度對吊桿軸力與應力的影響規律，如圖5所示。

圖5 吊桿的軸力、應力變化曲線

如圖5所示，隨著主纜剛度的增大，吊桿不同截面處的軸力均呈逐漸增大變化趨勢，其中當主纜剛度由0.7E增至0.9E時，各截面處的軸力增幅都表現較為明顯，而當纜剛度由0.9E增至1.3E時，吊桿的軸力增幅表現較為平緩。隨著主纜剛度的增大，吊桿最大應力呈先減小后增大變化，但應力整體變幅較微，說明改變主纜剛度對吊桿應力的影響不明顯。

4 結束語

隨著主纜剛度的增大，懸索橋主纜豎向位移和加勁梁彎矩均呈逐漸減小變化，適當增大主纜剛度有利于控制主纜下撓，還能改善加勁梁受力。主纜和吊桿各截面處的軸力均隨著主纜剛度的增大呈逐漸增大變化，而其最大應力則隨之呈先減小后增大變化，主纜剛度對主纜、吊桿應力的影響并不明顯。