多塔悬索桥加劲梁竖向支撑型式的分析
2018-03-05
引言
悬索桥是由主缆、吊索、加劲梁、桥塔以及锚碇组成的柔性桥梁结构，桥塔的设计和加劲梁的支撑型式对悬索桥的整体结构变形起着主要的影响作用[3]。本文中所讨论的多塔悬索桥是在桥塔处连续的结构体系，由于加劲梁为连续梁形式，仅靠吊索对加劲梁的约束作用是远远不够的，在中间桥塔处对加劲梁采取合理的支撑型式值得进一步的研究和讨论。本文中研究了全桥纵向漂浮体系、在中间桥塔处设置竖向支座的体系以及梁塔墩固结体系的结构静动力特性，主要讨论了多塔悬索桥中间桥塔采用门式混凝土塔型式下的支撑体系比较。
门式混凝土桥塔下支撑型式对结构特性的影响
2．1计算模型
选取主跨为1080m，边跨为350m的三塔两跨悬索桥结构，建立空间计算分析模型，计算模型主梁采用扁平流线型全焊钢箱梁，主缆采用φ5.35mm的镀锌高强钢丝，矢跨比为1/11，桥塔型式采用门式混凝土桥塔，边塔塔高均为152m，中间桥塔高度为190m[2]。三塔悬索桥结构的约束条件是：主缆锚固处和主塔塔底为固结，主缆在塔顶主鞍中心处按永不脱离点考虑，加劲梁梁端竖向、横向、扭转三个方向与塔横梁相应节点主从，变形一致；中塔处横向、扭转两个方向与塔相应节点主从，纵向、竖向飘浮，由两相距较近的吊索支承。比较了下面三种支撑型式的结构内力和位移：1）全桥纵飘；2）加劲梁在中塔设置竖向支座，简称门式竖向；3）加劲梁采用两个伸出刚臂与塔墩固结，简成单柱固结。
图1 模型的总体布置图(单位：m)
静力学特性的比较
在汽－超20活载作用下，比较了三种支撑型式下，加劲梁的弯矩、轴力和变形以及桥塔的内力和位移。
图2 加劲梁挠度包络图图2 加劲梁轴力包络图
表1加劲梁内力、变形比较
表1中分别列出了三种支撑体系加劲梁在1/4跨处、跨中处、3/4跨处和中塔处的内力、挠度以及梁端的纵向位移。从表中可以看出，梁塔墩固结的约束方式与设置竖向支座和全桥纵飘相比，加劲梁中塔处的最大弯矩增大，固结后加劲梁在L/4处、L/2处、3L/4处的弯矩减小，设置竖向支座比全桥纵飘中塔处的加劲梁弯矩增大53.6%，梁塔墩固结比竖向支座中塔处的加劲梁弯矩增大17.4%。
由轴力包络图可以看出，单柱固结比采用竖向支座的模型要产生更大的加劲梁轴力，在中塔处轴力增大20%；设置竖向支座比全桥纵飘的加劲梁轴力减小2.8%。
从加劲梁挠度包络图可以看出，加劲梁中塔处与塔墩采用刚性固结后，加劲梁挠度变形明显减小。竖向支座约束和全桥纵飘时加劲梁最大挠度发生在跨中附近；单柱固结约束加劲梁跨中挠度稍小于1/4跨和3/4跨，最大挠度发生在3/4跨附近。从表1中可以看出，单柱固结比竖向支座时加劲梁最大正挠度减小37%，梁端纵向位移变为原来的9.3%，设置竖向支座与全桥纵飘的位移变化很小。全桥纵飘时中塔处有0.261m的正挠度产生。
表2中间塔受力的影响
表2中可以看出，加劲梁在中塔处采用竖向支座或是刚性固结对边塔的影响不大，单柱固结后，中塔的不平衡力增大了35%，塔顶位移减小了65%，塔底弯矩变为原来的31%。全桥纵飘与设置竖向支座对桥塔受力的影响很小。
2．3自振特性的比较
对不同支撑型式的三塔悬索桥模型进行自振特性计算，比较相同振型下，各悬索桥结构自振频率。
表3门式塔自振频率表
表3中分别列出了各种振型特性下的第一阶频率，由计算结果可以看出，全桥纵飘与设置竖向支座对结构的振动频率影响很小。门式中塔处采用刚结比竖向支座，三塔悬索桥相同振型的自振频率增大。刚性固结使得悬索桥横向振动频率有所提高，全桥竖向反对称振动频率得到显著提高，对全桥扭转频率影响很小。加劲梁与塔墩固结后，使得加劲梁的纵向位移受到很大的约束所致，模型在前25阶振型中没有出现纵飘。
结 语
本文利用BNLAS软件对三塔两跨连续体系悬索桥的加劲梁支撑型式进行了研究，比较了两种桥塔情况下，加劲梁采取全桥纵飘、在中间桥塔处设置竖向支座和梁塔墩固结的几种支撑型式对连续体系悬索桥结构静动力特性的影响。通过分析计算，得出一部分结论，希望可以为多塔悬索桥的设计提供参考。
⑴、加劲梁与门式中间桥塔、桥墩刚性固结后，使得多塔悬索桥结构的整体刚度增大，结构的位移明显减小，加劲梁的最大弯矩增大，桥塔中的弯矩变化复杂，但可以明显地减小塔底的弯矩；
⑵、梁塔墩固结对多塔悬索桥的纵飘振动频率有很显著的影响，对结构的横向振动频率有一定的影响，但对结构的扭转振动频率的影响非常小。
总的来说，多塔连续体系悬索桥加劲梁采用梁塔墩固结的支撑型式，可以有效的减小结构的变形，提高整体刚度。
参考文献：
[1] Nazir, C. P.(1986).“ Multispan balanced suspension bridge.” J. Struct. Eng., 112(11), 2512–2527.
[2] 严国敏，编译，6000m海峡通道采用的两个悬索桥方案[J]，国外公路，1998（1）。
[3] 周孟波. 悬索桥手册[M ]. 北京: 人民交通出版社,2003: 36 - 79
