鄧小康,徐恭義
(1. 武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2. 中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050)
懸索橋的設(shè)計(jì)和施工控制都需要對(duì)主纜線形進(jìn)行精確計(jì)算[1],計(jì)算方法主要包括非線性有限元法和數(shù)值解析法兩種,其中數(shù)值解析法是已知主纜所受外力條件下主纜線形和內(nèi)力計(jì)算的一種方法[2-3],與有限元法相比,其能簡(jiǎn)便模擬主纜與鞍座的接觸問(wèn)題和鞍座的頂推等,并具有解答精確、輸入數(shù)據(jù)少、計(jì)算速度快的特點(diǎn)[4]。
目前用于懸索橋主纜計(jì)算的數(shù)值解析法主要包括傳統(tǒng)拋物線法、分段拋物線法、分段直線法、分段懸鏈線法和參數(shù)方程法等。
文獻(xiàn)[5-6]對(duì)分段懸鏈線法進(jìn)行了詳細(xì)闡述,假定主纜自重沿變形前的長(zhǎng)度均勻分布,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況最為相符[7]。但是該種方法對(duì)線形偏差與內(nèi)力修正的迭代計(jì)算繁瑣,迭代收斂速度較慢[8],甚至在某種荷載作用下其迭代計(jì)算得不到結(jié)果[7,9]。
文獻(xiàn)[10-11]提出參數(shù)方程法,假定主纜自重沿主纜長(zhǎng)度方向均布,其余恒載看作沿跨徑方向均布,由此建立平衡微分方程,并引入一個(gè)參變量求解方程,該方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)便、收斂較快,計(jì)算精度也能滿足工程要求,但其本質(zhì)上仍是一種近似方法[12]。
本文基于對(duì)主纜索段的受力分析,在建立各索段統(tǒng)一線形方程的基礎(chǔ)上,找到主纜最低點(diǎn)的位置及其斜率,利用變形相容條件建立方程,以主纜索力水平分力的變化規(guī)律求解方程,提出一種受力更明確、適應(yīng)性更強(qiáng)、計(jì)算更簡(jiǎn)便的主纜線形計(jì)算方法,本文將其總結(jié)為斜率爬升法。
分析計(jì)算過(guò)程中,采用以下假定:(1)主纜材料符合胡克定律,應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系;(2)主纜為理想柔性,即既不受壓,也不受彎;(3)受力后主纜抗拉剛度的計(jì)算使用變形前的主纜面積[1]。
坐標(biāo)系Ⅰ下的主纜計(jì)算模型及索段劃分示意見(jiàn)圖1??鐝綖長(zhǎng)的主纜以最低點(diǎn)A(即全橋主纜的斜率最小點(diǎn),位置待求)為界,左側(cè)(m-1)個(gè)吊桿將主纜分為m段,右側(cè)(n-1)個(gè)吊桿將主纜分為n段。以最低點(diǎn)A為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系Ⅰ,y軸豎直向上,左側(cè)x軸正向水平向左,右側(cè)x軸正向水平向右。
圖1 坐標(biāo)系Ⅰ下的主纜計(jì)算模型及索段劃分示意
令左邊主纜垂度為f1,跨徑為L(zhǎng)1;右邊主纜垂度為f2,跨徑為L(zhǎng)2。索段的受力情況:索段兩端承受吊桿傳來(lái)的集中力P,中間承受沿索長(zhǎng)均勻分布的主纜自重q。
1.2.1 不考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響
在坐標(biāo)系Ⅰ下,取最低點(diǎn)A的左側(cè)主纜進(jìn)行分析,對(duì)其上任意索段i,由豎直方向力的平衡條件,可得
(1)
式中:H為索段上任一點(diǎn)索力的水平分力。
定義索段上任一點(diǎn)的斜率為
(2)
代入式(1),得
即
(3)
解式(3),可得
(4)
式中:D1為積分常數(shù)。
求反函數(shù),可得
(5)
將式(2)與式(3)相乘,可得
解得
(6)
式中:D2為積分常數(shù)。
式(4)~式(6)為索段i的線形方程,由于H和q在全橋主纜范圍內(nèi)為常量,故式(4)~式(6)對(duì)每個(gè)索段的方程形式均一樣,當(dāng)將所有索段的原點(diǎn)都取為A點(diǎn)(即坐標(biāo)系Ⅰ)時(shí),每個(gè)索段的積分常數(shù)D1和D2取值不一樣,即各索段為了滿足主纜線形連續(xù),出現(xiàn)了曲線平移。為更好地分析主纜線形與斜率之間的關(guān)系,本文將索段曲線還原至其平移前的位置。
對(duì)任意索段i,將其坐標(biāo)系原點(diǎn)移至索段曲線上斜率為0的位置,x、y軸的方向同前述,得到坐標(biāo)系Ⅱ,見(jiàn)圖2。此時(shí)應(yīng)有邊界條件x=0,y=0,z=0,代入式(4)~式(6),可得D1=0,D2=-H/q。此時(shí),索段i的線形方程變?yōu)?/p>
(7)
(8)
(9)
式(7)~式(9)不包含任何索段i的信息,僅與坐標(biāo)系Ⅱ下的主纜坐標(biāo)有關(guān),所以在將各索段自身的坐標(biāo)系原點(diǎn)移至索段曲線斜率為0的位置后,全橋主纜線形方程可統(tǒng)一為式(7)~式(9)。
圖2 坐標(biāo)系Ⅱ下的索段示意
將圖1中的左邊主纜都按上述方法統(tǒng)一到坐標(biāo)系Ⅱ下,見(jiàn)圖3。最低點(diǎn)作用有集中力的情況(最低點(diǎn)斜率不為零)見(jiàn)圖3(a),最低點(diǎn)無(wú)集中力作用的情況(最低點(diǎn)斜率為零)見(jiàn)圖3(b)。定義任意索段i低點(diǎn)位置的斜率為zL(i),對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為xL(i),縱坐標(biāo)為yL(i);高點(diǎn)位置的斜率為zH(i),對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為xH(i),縱坐標(biāo)為yH(i)。
(a) 有集中力
(b) 無(wú)集中力圖3 坐標(biāo)系Ⅱ下最低點(diǎn)有無(wú)集中力作用時(shí)的主纜示意
由于吊桿處有集中力作用,主纜斜率不連續(xù),由式(7)和式(9)可得吊桿作用處曲線的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)也不連續(xù)。圖3中的每個(gè)陰影段都對(duì)應(yīng)于主纜上一個(gè)索段,其線形即為索段的真實(shí)線形。
1.2.2 考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響
由胡克定率,可得
(10)
式中:ds為有應(yīng)力狀態(tài)下主纜的微段長(zhǎng)度;ds0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的微段長(zhǎng)度;A0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下主纜的橫截面面積;E為主纜所用材料的彈性模量;T為主纜任意點(diǎn)的索力。
(11)
由質(zhì)量守恒定律,可得
q0ds0=qds
(12)
式中:q0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下沿索長(zhǎng)均布的主纜自重荷載;q為有應(yīng)力狀態(tài)下沿索長(zhǎng)均布的主纜自重荷載。
由式(11)和式(12),可得
(13)
由力的分解關(guān)系,可得
(14)
式中:z為斜率。
將式(14)代入式(13),可得
(15)
將式(15)代入式(1),可得
(16)
將式(2)代入式(16),可得
(17)
求倒數(shù),則
(18)
求解得
(19)
式中:D3為積分常數(shù)。
將式(2)與式(18)相乘,可得
(20)
求解得
(21)
式中:D4為積分常數(shù)。
(22)
(23)
式(22)、式(23)為考慮主纜自重荷載變化時(shí)的主纜線形方程。
當(dāng)已知某一點(diǎn)在坐標(biāo)系Ⅱ下的橫坐標(biāo)x時(shí),采用二分法求式(22),可得斜率z。
由
將左邊主纜按上述方法統(tǒng)一到坐標(biāo)系Ⅱ下,同樣可得圖3。
由主纜的對(duì)稱性可知,此時(shí)斜率最小點(diǎn)(最低點(diǎn)A)應(yīng)位于主纜的跨中位置。
當(dāng)A點(diǎn)作用有集中力P(m)時(shí),點(diǎn)斜率zL(m)為
(24)
當(dāng)A點(diǎn)無(wú)集中力作用時(shí),該點(diǎn)斜率為
zL(m)=0
(25)
將左邊主纜按照前述方法統(tǒng)一到坐標(biāo)系Ⅱ下可得圖3。
以不考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響為例,將式(24)或式(25)代入式(7)中,可得主纜最低點(diǎn)在坐標(biāo)系Ⅱ下的橫坐標(biāo)為
(26)
定義索段i在水平方向上的長(zhǎng)度為L(zhǎng)(i),在式(26)中加上索段的橫向長(zhǎng)度,即得第m個(gè)索段最高點(diǎn)的橫坐標(biāo)為
xH(m)=xL(m)+L(m)
(27)
代入式(8),可得第m個(gè)索段最高點(diǎn)的斜率為
(28)
將式(24)(或式(25))和式(28)代入式(9),可得第m個(gè)索段的高差為
f(m)=yH(m)-yL(m)=
(29)
集中力P(i)作用點(diǎn)左右的兩個(gè)索段應(yīng)滿足
H·zL(i)-H·zH(i+1)=P(i)
可得
(30)
將式(28)代入式(30),即可得zL(m-1)。
對(duì)第m-1個(gè)索段至第1個(gè)索段,重復(fù)式(26)~式(30)的過(guò)程,即可得各索段的f(i)。
建立主纜變形相容方程為
(31)
由于f(i)均只含有H一個(gè)未知數(shù),所以式(31)為關(guān)于H的一元非線性方程。
構(gòu)建函數(shù)
(32)
在其他條件不變時(shí),主纜的垂度增加,主纜索力的水平分力將減小[13]。任意給定一個(gè)H的初值H0(如10 000 kN),如f′=0,則說(shuō)明此時(shí)的H0為式(31)的解;如f′>0,則說(shuō)明H0取值偏小,令H0=10×H0,再次代入式(32),直至f′<0,則H的求解區(qū)間為[H0/10,H0];如f′<0,則說(shuō)明H0值偏大,令H0=H0/10,再次代入式(32),直至f′>0,則H的求解區(qū)間為[H0,10H0]。在上述求解區(qū)間內(nèi)對(duì)式(31)采用二分法求解,即可求得H。
該求解過(guò)程對(duì)平面主纜懸索橋的線形計(jì)算一定收斂,且收斂速度很快。
上述二分法求解H時(shí),最后一次的迭代過(guò)程同時(shí)計(jì)算出了索段i在坐標(biāo)系Ⅱ下的zL(i)、xL(i)、zH(i)、xH(i)和f(i)。
對(duì)于考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響時(shí)的情況,可參照上述方法確定斜率最小點(diǎn)的位置和其斜率大小,并由式(22)、式(23)和式(30)重復(fù)計(jì)算可得各索段的高差f(i),進(jìn)而建立式(31)并求解。
本文將上述對(duì)主纜結(jié)構(gòu)的計(jì)算過(guò)程稱為斜率爬升法。
主纜坐標(biāo)的計(jì)算可歸納為在坐標(biāo)系Ⅰ下已知某點(diǎn)的橫坐標(biāo)x,求縱坐標(biāo)y。仍以不考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響的情況為例。
前述過(guò)程已求得坐標(biāo)系Ⅱ下任意索段i的zL(i)、xL(i)、f(i)。
對(duì)坐標(biāo)系Ⅰ下主纜上的任意點(diǎn),假定其位于索段j上,其與索段j最低點(diǎn)在水平方向上的距離為xC,于是該點(diǎn)在坐標(biāo)系Ⅱ下的橫坐標(biāo)為
xZ=xC+xL(j)
(33)
將式(33)代入式(8),可得該點(diǎn)的斜率為
(34)
將zZ和zL(j)代入式(9),即可得該點(diǎn)與索段j最低點(diǎn)的高差為
fZ=y(x)-yL(j)=
(35)
該點(diǎn)在坐標(biāo)系Ⅰ下對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為
(36)
如此反復(fù)即可求得主纜上各點(diǎn)的坐標(biāo)。
對(duì)于考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響的情況,計(jì)算過(guò)程相同。
3.2.1 不考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響
索段弧長(zhǎng)的微分式為
(37)
將式(3)代入式(37),可得
(38)
求解式(38),可得
(39)
式中:D5為積分常數(shù)。
前面已經(jīng)求出任意索段i最高點(diǎn)的斜率為zH(i),最低點(diǎn)的斜率為zL(i),代入式(39),可得索段i的有應(yīng)力索長(zhǎng)為
(40)
左邊主纜的有應(yīng)力索長(zhǎng)為
(41)
3.2.2 考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響
對(duì)任意索段,將式(18)與式(37)相乘,可得
(42)
求解得
(43)
式中:D6為積分常數(shù)。
s(i)=s[zH(i)]-s[zL(i)]
(44)
左邊主纜的有應(yīng)力索長(zhǎng)為
(45)
3.3.1 不考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響
將式(14)、式(38)代入式(11),可得索段無(wú)應(yīng)力弧長(zhǎng)的微分式為
s0=Π(z)+D7
(47)
式中:D7為積分常數(shù)。
則索段i的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)為
s0(i)=Π[zH(i)]-Π(zL(i)]
(48)
左邊主纜的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)為
(49)
這里求得的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)是精確值[10]。
3.3.2 考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度影響
對(duì)任意索段,將式(14)、式(42)代入式(11),可得
(50)
求解得
(51)
式中:D8為積分常數(shù)。
索段i的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)為
(52)
左側(cè)主纜的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)為
(53)
限于地勢(shì)與選線的要求,懸索橋有時(shí)采用不等高主塔的非對(duì)稱設(shè)計(jì),如云南普立特大橋,其左右兩邊主塔的高差達(dá)10.362 m[14]。當(dāng)主塔高度不相等時(shí)(一側(cè)支點(diǎn)抬高高度為h,主纜最低點(diǎn)水平移動(dòng)距離為a),帶來(lái)主纜線形的偏移和內(nèi)力重分布,過(guò)程見(jiàn)圖4[15]。
圖4 主塔不等高時(shí)懸鏈線最低點(diǎn)變化
主塔不等高時(shí)主纜計(jì)算示意見(jiàn)圖5。圖5中,f1≠f2且二者均不為零(為分析方便,取f1 令A(yù)點(diǎn)左側(cè)斜率為zL(m),右側(cè)斜率為zL(n)。 圖5 主塔不等高時(shí)主纜計(jì)算示意 當(dāng)A點(diǎn)位于兩吊桿之間時(shí) zL(m)=zL(n)=0 (54) 當(dāng)A點(diǎn)位于吊桿作用處時(shí) (55) 式中:P為作用在A點(diǎn)的集中力。 接著開(kāi)始尋找到A點(diǎn)的位置和往左右兩側(cè)的斜率。 將主纜以A點(diǎn)為界劃分成左主纜和右主纜,對(duì)左右主纜按第1節(jié)方法分別計(jì)算其水平分力為H1、H2。定義函數(shù) φ(xa,zL(m))=H1-H2 (56) 當(dāng)xa為A點(diǎn)的真實(shí)位置時(shí),左右兩邊的水平分力應(yīng)相等,即 φ(xa,zL(m))=0 (57) 式(57)為確定不對(duì)稱主纜最低點(diǎn)位置和斜率的非線性方程式。 在其他條件不變時(shí),主纜的跨徑增加,主纜索力的水平分力將變大[13]。同時(shí)由式(9)可知,當(dāng)其他條件不變時(shí),最低點(diǎn)的斜率增大,主纜索力的水平分力將變小。 可見(jiàn)當(dāng)xa=0時(shí),φ<0;當(dāng)xa=L時(shí),φ≥0。從左支點(diǎn)開(kāi)始,分別將A點(diǎn)取在每個(gè)吊桿的位置,并將該點(diǎn)集中力P產(chǎn)生的斜率P/H全部作用在左邊,即取左主纜的起始斜率為P/H,右主纜的起始斜率為0,計(jì)算出此時(shí)的φ。當(dāng)φ在吊點(diǎn)i和j之間發(fā)生變號(hào)時(shí),A點(diǎn)應(yīng)位于吊點(diǎn)i(不含)和j(含)之間。 令Lk為吊點(diǎn)i和j之間的水平距離,xk為A點(diǎn)和i點(diǎn)的水平距離。 取xk=Lk,計(jì)算出此時(shí)的φ。當(dāng)φ≥0時(shí),A點(diǎn)位于i和j之間的主纜上;當(dāng)φ<0時(shí),應(yīng)有A點(diǎn)位于j吊點(diǎn)上。 (1)A點(diǎn)位于i和j之間的主纜上 令i、j吊點(diǎn)離左邊支點(diǎn)的水平距離為L(zhǎng)(i)、L(j)。xka、xkb為二分法求解xa區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn),初始值為xka=L(i),xkb=L(j)。 當(dāng)xa=xka=L(i)時(shí) φ=H1-H2<0 (58) 當(dāng)xa=xkb=L(j)時(shí) φ=H1-H2≥0 (59) 按照二分法的思路,令 (60) 計(jì)算xa=k時(shí)的φ,當(dāng)φ<0 時(shí),取xka=k;當(dāng)φ≥0 時(shí),取xkb=k。 重復(fù)上述步驟,當(dāng)|xka-xkb|<ξ時(shí)(ξ為求解精度),即得到A點(diǎn)的真實(shí)位置,此時(shí)A點(diǎn)左右兩側(cè)的斜率均為0,求得H1=H2為主纜的水平分力。 (2)A點(diǎn)位于j吊點(diǎn)上 當(dāng)A點(diǎn)左側(cè)斜率為zL(m)=za=0時(shí) φ=H1-H2<0 (61) φ=H1-H2≥0 (62) 按照二分法的思路,令 (63) 計(jì)算zL(m)=zk時(shí)的φ,當(dāng)φ<0 時(shí),取za=zk;當(dāng)φ≥0 時(shí),取zb=zk。 至此,最低點(diǎn)A的位置和左右兩側(cè)的斜率、主纜水平分力H均已求出,可按照前述方法確定主纜的線形及長(zhǎng)度。 某懸索橋[10]跨度L=888 m,吊索間距為12 m,主纜恒載集度q=54 kN/m,加勁梁等其余恒載集度W=200 kN/m,主纜面積A=0.6 m2,主纜彈性模量E=2.0×105MPa,分別按以下工況進(jìn)行計(jì)算。 工況一 主塔頂?shù)雀?,分別取跨中矢高f為60、70、80、90、100 m計(jì)算主纜的水平分力H、主纜在離左支點(diǎn)228 m處的y值和主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度,結(jié)果見(jiàn)表1~表3。 表1 水平分力H值比較 kN 表2 x=288 m時(shí)y值比較 m 表3 無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的比較 m 由表1~表3可見(jiàn),本文與文獻(xiàn)[5,10]的計(jì)算結(jié)果基本一致,說(shuō)明本文提出的懸索橋主纜計(jì)算新方法正確可行。幾種計(jì)算方法中,傳統(tǒng)拋物線理論得到的結(jié)果絕對(duì)誤差最大,其相對(duì)誤差較小,當(dāng)對(duì)計(jì)算精度要求不高時(shí),仍可應(yīng)用于懸索橋主纜的設(shè)計(jì)和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果還表明,考慮q變化與否對(duì)主纜線形和主纜長(zhǎng)度計(jì)算的影響不大,但對(duì)水平分力計(jì)算的影響較大。 工況二 主塔頂不等高,取f1為60 m,f2分別取為60、61、62、63、64、65 m計(jì)算主纜的水平分力H、主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和主纜最低點(diǎn)的位置與斜率(不考慮q變化),結(jié)果見(jiàn)表4。 表4 主塔不等高對(duì)主纜線形和受力的影響 由表4可見(jiàn),主塔的不等高將對(duì)主纜受力和主纜線形產(chǎn)生較大影響,如算例中的主塔高差每相差1 m,水平分力最大相差3 444.1 kN,無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)最大相差20.63 cm。主塔不等高時(shí),主纜最低點(diǎn)將向較矮的主塔一側(cè)偏移,當(dāng)最低點(diǎn)在兩個(gè)吊點(diǎn)之間時(shí),主纜最低點(diǎn)左右兩側(cè)的斜率都為0;當(dāng)最低點(diǎn)在吊點(diǎn)位置時(shí),主纜最低點(diǎn)左右兩側(cè)的斜率隨主塔高差的變化對(duì)斜率P/H進(jìn)行分配。 (1) 提出了一種求解懸索橋主纜線形的新方法即斜率爬升法,該方法從分析主纜索段的受力出發(fā),在建立各索段統(tǒng)一線形方程的基礎(chǔ)上,找到主纜最低點(diǎn)的位置及其斜率,利用變形相容條件建立方程,以主纜索力水平分力的變化規(guī)律求解方程,力學(xué)概念清晰,求解簡(jiǎn)單。經(jīng)算例論證,本文的方法計(jì)算精度較高。 (2) 本文方法對(duì)平面主纜懸索橋的求解均能收斂。在計(jì)算主纜線形時(shí)多次使用二分法求解一元非線性方程,對(duì)每次求解本文都給出了求解區(qū)間,保證了計(jì)算過(guò)程的收斂性。 (3) 斜率爬升法的關(guān)鍵是找到主纜斜率最小點(diǎn)的位置和斜率。對(duì)稱主纜的斜率最小點(diǎn)位于跨中位置,跨中無(wú)集中力作用時(shí)該點(diǎn)斜率為0,跨中有集中力時(shí)該點(diǎn)斜率不為0。 (4) 分別按考慮與不考慮主纜彈性伸長(zhǎng)對(duì)主纜自重荷載集度的影響推導(dǎo)了斜率爬升法的求解過(guò)程,并提出了求解主纜坐標(biāo)、有應(yīng)力長(zhǎng)度和無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的方法;算例的結(jié)果表明,考慮與不考慮q的變化對(duì)主纜線形和主纜長(zhǎng)度計(jì)算的影響不大,但對(duì)水平分力影響較大。 (5) 主塔的不等高將對(duì)主纜受力和主纜線形產(chǎn)生較大影響,不等高主塔的主纜斜率最小點(diǎn)向較矮的主塔一側(cè)偏移,當(dāng)最低點(diǎn)在兩個(gè)吊點(diǎn)之間時(shí),最低點(diǎn)往主纜左右兩邊的斜率都為0;當(dāng)最低點(diǎn)在吊點(diǎn)位置時(shí),最低點(diǎn)往主纜左右兩邊的斜率隨主塔的高差變化對(duì)斜率P/H進(jìn)行分配。5 算例
6 結(jié)論