自錨式吊拉協(xié)作體系橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

葉毅， 陳鵬飛， 郭琦

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

自錨式吊拉協(xié)作體系橋?qū)⑿崩瓨蚝妥藻^式懸索橋有機結(jié)合，去掉碩大錨碇的同時解決了橋塔過高的問題，更兼具了施工階段抗風(fēng)性能好等優(yōu)點，是大跨徑橋梁中極具競爭力的一種橋型。對該橋型進(jìn)行研究，在中國發(fā)展眾多跨海工程的現(xiàn)狀下具有重要意義。

由于自錨式吊拉協(xié)作體系中包含自錨式懸索和斜拉兩種體系，這種橋型的靜力性能受兩種體系布置及相關(guān)參數(shù)的影響顯著。此外，無論是自錨式懸索體系還是斜拉體系都屬于自錨體系，其主纜和拉索錨固在加勁梁上，對加勁梁施加了巨大的軸向壓力，所以加勁梁的材料選擇亦會對結(jié)構(gòu)的靜力性能產(chǎn)生較大影響。為明晰該橋型受特定結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響程度，該文就各參數(shù)改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變化進(jìn)行研究。以某已建成自錨式吊拉協(xié)作體系橋為背景，探討吊跨比、主纜矢跨比、主纜彈性模量、加勁梁抗彎剛度及拱度等參數(shù)對主纜拉力、主梁和橋塔內(nèi)力、結(jié)構(gòu)位移等結(jié)構(gòu)力學(xué)性能關(guān)鍵指標(biāo)的影響，從而對結(jié)構(gòu)靜力特性做出正確的評估。

1 工程概況

某自錨式吊拉協(xié)作體系橋建設(shè)方案的主跨跨徑為400 m，全長664 m，采用了修正的狄辛格體系。主梁采用扁平流線形箱梁，梁高2.80 m，梁寬26 m。主跨懸吊部分132 m，由平行鋼絲索股組成。主塔由雙柱和系梁組成，為門式框架，橋面以上的高度為69.22 m，扇形索面，設(shè)有0#索，全橋采用漂浮體系，橋梁立面示意圖如圖1所示。

圖1 橋梁立面示意圖(單位：cm)

2 計算模型

大橋模型采用魚刺梁模式建模，模型中主梁、主塔、橋墩及橫系梁等采用空間梁單元模擬，主纜、吊桿和斜拉索則采用空間索單元模擬。根據(jù)分段懸鏈線理論并考慮纜索的自重得到主纜的空纜線形，縱向主刺的截面特性按主梁的實際截面特性取值。主塔與主梁的邊界條件為縱向不約束，豎向和橫向自由度耦合。對于樁基周圍土層的影響，則通過土彈簧進(jìn)行模擬。

3 結(jié)構(gòu)靜力性能參數(shù)敏感性分析

作為纜索體系橋梁，協(xié)作體系橋存在著明顯的幾何非線性，在活載作用下疊加原理將不再適用，即不能用影響線加載法準(zhǔn)確地計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移包絡(luò)圖。若想準(zhǔn)確計算活載作用下體系的力學(xué)響應(yīng)，就必須采用非線性的分析方法，但就結(jié)構(gòu)參數(shù)變化分析而言，非線性的分析方法計算量過大，為此引入線性二階加載方法作簡化計算。

設(shè)計自錨式吊拉協(xié)作體系橋時，需要考慮的因素眾多，有約束形式、吊跨比、主纜失跨比等。限于篇幅，權(quán)衡結(jié)構(gòu)參數(shù)對橋梁設(shè)計的重要性，該文僅取吊跨比、主纜矢跨比、主纜彈性模量、主梁抗彎剛度和主梁拱度5個參數(shù)進(jìn)行分析。依據(jù)幾何控制法原理，以某已建成自錨式吊拉協(xié)作體系橋建設(shè)方案為基準(zhǔn)模型，分別建立吊跨比、主纜矢跨比、主纜彈性模量、加勁梁抗彎剛度及拱度各不相同的分析模型。通過線性二階加載法，對活載作用下各分析模型的力學(xué)響應(yīng)情況進(jìn)行分析和比對，得到各參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力特性的影響，并對影響成因進(jìn)行分析。

3.1 吊跨比的影響

吊跨比指的是吊索布置長度與主跨跨徑的比值，是自錨式吊拉協(xié)作體系橋的一個重要參數(shù)。在主跨跨徑一定的情況下，吊索布置的長短將直接影響主纜的線形，進(jìn)而影響該橋的力學(xué)特性。因此，分析吊跨比對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響尤為重要。通過建立吊跨比為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6的分析模型，對跨中撓度、跨中彎矩、最大軸力、主塔塔根最大彎矩及主纜最大拉力進(jìn)行討論。計算結(jié)果見圖2。

圖2 吊跨比影響

從圖2可以看出：① 隨著吊跨比的增加，跨中撓度和跨中彎矩均明顯增大，最大值分別超過了2.6和1.4，說明結(jié)構(gòu)的柔度隨著吊跨比的增加而增大；② 作為自錨式懸索部分的重要受力構(gòu)件，主纜的拉力亦隨吊跨比的增加而增長明顯；③ 主梁最大軸力受吊跨比增加的影響并不顯著。可見，吊跨比的改變僅導(dǎo)致活載在兩種體系中的分配比例產(chǎn)生變化而對總量沒有影響；④ 主塔塔根的最大彎矩隨吊跨比的增加而減小，且變化趨勢大致呈線性遞減，說明隨著吊跨比的增加斜拉部分比例逐漸減少。

3.2 主纜矢跨比的影響

矢跨比是指主纜在主跨內(nèi)的矢度與主跨跨徑的比值，是影響懸索橋全橋剛度和各部構(gòu)件結(jié)構(gòu)受力的極為重要的技術(shù)參數(shù)。如前所述，自錨式吊拉協(xié)作體系橋包括斜拉和自錨式懸索兩部分，其主塔高度由斜拉部分確定，因此對矢跨比的影響分析僅就跨中有吊索段部分進(jìn)行考慮。為此，以某自錨式吊拉協(xié)作體系橋建設(shè)方案為例，在活載作用下，取矢跨比為1/8、1/9、1/10、1/11、1/12，對跨中撓度、跨中彎矩、最大軸力、主塔塔根最大彎矩及主纜最大拉力進(jìn)行討論。計算結(jié)果見圖3。

圖3 矢跨比影響

從圖3可以看出：① 隨著矢跨比的增加，跨中撓度和跨中彎矩均減小，最大減小幅度分別接近25%和13%，說明結(jié)構(gòu)的柔度隨著矢跨比的增加而減??；② 主梁軸力隨著矢跨比的增加而減小，但變化并不顯著，說明矢跨比的改變亦會導(dǎo)致活載在兩種體系中的分配比例產(chǎn)生變化但對總量沒有影響；③ 主纜拉力和橋塔塔根彎矩隨著矢跨比的增加而線性減少，上述結(jié)論進(jìn)一步得到驗證。

3.3 主纜彈性模量的影響

主纜由若干根鋼絲繩組成，每根鋼絲的無應(yīng)力長度和緊纜后的松緊程度造成的制造誤差不可避免，這導(dǎo)致主纜實際彈性模量和設(shè)計值存在誤差。主纜作為纜索承重體系橋梁重要的受力構(gòu)件，其彈性模量的變化直接影響主纜在有應(yīng)力狀態(tài)下的彈性伸長，所以對主纜彈性模量的考慮極其重要?？紤]活載作用，建立彈性模量為原來的1.1、1.2、1.3、1.4倍的分析模型，并通過與原結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比，得到主纜彈性模量對結(jié)構(gòu)受力的影響(圖4)。

由圖4可知：① 隨著主纜彈性模量的增加，主梁跨中最大撓度減小明顯，彈性模量擴大0.4倍，主梁跨中撓度僅剩原來的32%，說明主纜對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)度很大；② 跨中彎矩減小約20%，主纜最大拉力則有所增加。值得一提的是，主纜彈性模量增大對主梁軸力和塔根彎矩影響甚微，這與主梁拉力增大導(dǎo)致斜拉索索力減小有關(guān)。

圖4 主纜彈性模量影響

3.4 主梁抗彎剛度的影響

自錨式吊拉協(xié)作體系橋一個重要的特點就是斜拉部分可采用混凝土梁，而自錨式懸索部分則采用鋼梁。兩部分主梁選用材料不同，且混凝土齡期、收縮徐變等會對材料性能造成影響，因此需對主梁抗彎剛度改變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。分別考慮鋼梁與混凝土梁抗彎剛度的變化對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 鋼梁抗彎剛度影響

圖6 混凝土梁抗彎剛度影響

由圖5、6可知：① 無論懸索部分的鋼梁還是斜拉部分的混凝土梁，它們的抗彎剛度增加，均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度的大幅增加；② 由跨中最大彎矩-抗彎剛度和塔根最大彎矩-抗彎剛度兩條曲線可知，鋼梁與混凝土梁抗彎剛度改變導(dǎo)致主梁內(nèi)力的變化呈相反的規(guī)律，說明了兩種體系在協(xié)作體系中具有獨立性。

3.5 主梁拱度的影響

主纜和斜拉索直接錨固在加勁梁上，對其施加了巨大的軸向壓力，使得跨中拱度易引起加勁梁的附加彎矩。該影響在恒載作用下可通過吊索張拉來消除，因此，該文僅考慮活載作用下拱度對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，結(jié)果見表1。

由表1可知：① 在活載作用下，設(shè)置2.90 m拱度，其主梁跨中撓度、跨中彎矩和軸力均有小幅減少，說明對加勁梁設(shè)置一定拱度有助于提高結(jié)構(gòu)的總體剛度，但提升效果不明顯；② 相較于無拱度橋梁，設(shè)置了2.90 m拱度的結(jié)構(gòu)在活載作用下橋塔塔根彎矩和主纜拉力增加幅度很小，說明拱度對其影響甚微。

表1 荷載作用下主梁拱度影響

4 結(jié)論

以某已建成自錨式吊拉協(xié)作體系橋為例，采用Ansys有限元軟件，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，對該橋型的結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 吊跨比決定了自錨式懸索體系在協(xié)作體系中所占比例的大小，吊跨比的增加將使結(jié)構(gòu)整體柔度增大，使得該協(xié)作體系的剛度及受力特點更接近于自錨式懸索橋。

(2) 相比自錨式懸索橋，矢跨比對結(jié)構(gòu)受力性能的影響雖然有所減小，但其對成橋主梁撓度、內(nèi)力的影響依舊顯著，因此自錨式吊拉協(xié)作體系橋應(yīng)采用相對較大的矢跨比。同時主纜彈性模量變化對主梁撓度的影響顯著，說明主纜對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)度很大。

(3) 加勁梁抗彎剛度的增加能顯著提升自錨式吊拉協(xié)作體系橋梁的總體剛度，這與地錨式吊拉協(xié)作體系橋存在明顯差異，在設(shè)計中需要加大梁高以提高加勁梁的抗彎剛度。此外，鋼梁與混凝土梁抗彎剛度影響不一致，說明自錨式懸索和斜拉兩種體系在協(xié)作體系中既共同受力又具有獨立性，荷載分配遵循剛度分配原則。

(4)對加勁梁設(shè)置一定拱度有助于提高結(jié)構(gòu)的總體剛度，但提升效果有限。