大跨度懸索橋主纜狀態(tài)敏感參數(shù)分析

周廣騰

安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001

主纜是懸索橋主要承力構(gòu)件，由于其柔性比較大，在靜力荷載作用下橋梁將產(chǎn)生較大的變形。在實(shí)際施工過程中，影響懸索橋主纜線形的因素很多，如結(jié)構(gòu)自重、溫度等，這些因素的不確定性會對懸索橋線形產(chǎn)生一定的影響。為了保證成橋后的線形符合設(shè)計(jì)要求，必須對施工狀態(tài)進(jìn)行安全評價和風(fēng)險預(yù)警，根據(jù)分析驗(yàn)算結(jié)果調(diào)整控制參數(shù)，預(yù)測后續(xù)施工過程的結(jié)構(gòu)形狀，提出后續(xù)施工過程應(yīng)采取的措施和調(diào)整后的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證施工完成的結(jié)構(gòu)不論是內(nèi)力還是線形都滿足設(shè)計(jì)的精度要求，盡可能接近設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。

1 分析模型

該橋跨徑為90.5m+440m+128.5m，主索鋼絲最小抗拉強(qiáng)度為1570MPa，最小破斷拉力為（5.22×104）kN，垂度比為1∶9，吊桿直徑為25mm，間距為5m。運(yùn)用大型通用有限元軟件建立了全橋三維空間模型。模型中采用索單元模擬主纜及吊桿；采用空間梁單元模擬索塔及鋼桁梁；采用板單元模擬橋面板。嚴(yán)格按照施工圖的幾何尺寸建模，索塔以及混凝土橫梁彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比值為0.2；主纜彈性模量E=1.95×105MPa，泊松比值為0.3，并在模型中設(shè)置為僅能承受拉力。塔柱底部為固結(jié)，鞍座和主塔采用節(jié)點(diǎn)耦合方式連接。

吊桿及加勁梁的架設(shè)過程采用激活和鈍化結(jié)構(gòu)單元的方式來進(jìn)行模擬。加勁梁在架設(shè)過程中，不同的連接方式會直接影響桁架桿件中的內(nèi)力實(shí)時分布與成橋最終的內(nèi)力分布狀態(tài)。根據(jù)架設(shè)過程中的連接方法分類，加勁梁的架設(shè)可以分為逐段鉸接法、逐段剛接法和剛鉸混合法三種方法。其中，逐段鉸接模型對控制加勁梁內(nèi)力有利，但是考慮到施工過程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性及施工周期要求，該工程采用的是剛鉸混合法，即在施工階段中，各分區(qū)之間加勁梁是鉸接的，不傳遞彎矩，分區(qū)內(nèi)部加勁梁剛接，直至加勁梁全部架設(shè)完成才將加勁梁全部剛接，形成成橋狀態(tài)。通過釋放梁端約束模擬施工過程中的鉸接狀態(tài)，合攏后鈍化“釋放梁端約束”邊界組，實(shí)現(xiàn)加勁梁節(jié)段間的剛接。根據(jù)實(shí)際工況，采用倒拆的方法模擬加勁梁從兩橋塔向跨中對稱逐段吊裝的施工過程。全橋模型如圖1所示。

圖1 全橋模型圖

2 影響參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)自重

在有限元分析程序中，結(jié)構(gòu)自重依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和材料容重自動計(jì)算。但在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)尺寸和容重均有可能存在一定偏差，另外在現(xiàn)場安裝過程中，往往需要大量的螺栓、拼接板等構(gòu)件，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際自重略大于設(shè)計(jì)值。結(jié)構(gòu)自重偏差一般在10%以下。分別計(jì)算自重增加10%和降低10%的情況，分析加勁梁自重改變對主纜線形的影響，如表1所示。

表1 加勁梁自重變化對主纜的影響

計(jì)算結(jié)果表明，加勁梁節(jié)段重量增加或減少都將引起主纜線形和應(yīng)力的較大變化，加勁梁結(jié)構(gòu)自重變化10%，跨中垂度變化量約200mm，同時索塔附近主纜應(yīng)力將升高或降低約6%，應(yīng)力的變化幅度小于結(jié)構(gòu)自重的變化幅度。

2.2 主纜彈性模量

由于制作偏差、基圓面積率不同及鋼絞線捻絞緊度差異等因素的影響，實(shí)際主纜受力后的變形模量存在一定的不確定性，而且通常不同程度地偏小。因此必要時應(yīng)通過試驗(yàn)測定主纜的實(shí)際彈性模量，用于設(shè)計(jì)計(jì)算。實(shí)際工程中彈性模量偏差一般不超過5%。分別計(jì)算彈性模量增大5%和縮小5%的情況，分析彈性模量誤差對主纜線形的影響，如表2所示。

表2 主纜彈性模量變化對主纜的影響

計(jì)算結(jié)果表明，主纜彈性模量變化對主纜垂度和主纜應(yīng)力均會產(chǎn)生一定影響，在誤差較?。ú怀^5%）的情況下，不會引起線形或應(yīng)力的劇烈變化。

2.3 主纜截面面積

截面尺寸是主纜設(shè)計(jì)的一個重要參數(shù)，根據(jù)懸鏈線理論，主纜無應(yīng)力長度的計(jì)算與其凈截面面積大小有關(guān)。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)尺寸在預(yù)制過程中難免出現(xiàn)偏差，偏差值一般不會超過5%。分別計(jì)算主纜有效截面面積增大5%和縮小5%的情況，分析主纜截面面積誤差對主纜線形的影響，如表3所示。

表3 主纜截面面積變化對主纜的影響

計(jì)算結(jié)果表明，主纜截面面積變化對主纜垂度和主纜應(yīng)力均會產(chǎn)生一定影響，且對垂度的影響比對應(yīng)力的影響更為顯著。

2.4 溫度

由于氣溫變化，主纜索股架設(shè)通常無法在設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)溫度環(huán)境下進(jìn)行施工，加之懸索橋主纜長度較大，溫度的變化會對主纜線形帶來顯著影響。在施工中，根據(jù)索股實(shí)時監(jiān)測得到的溫度場對主纜線形進(jìn)行分析計(jì)算，確保主纜空纜架設(shè)精度滿足設(shè)計(jì)要求。受到氣溫、日照及風(fēng)環(huán)境的影響，實(shí)際溫度場比較復(fù)雜，其中主纜總體升降溫對主纜整體線形影響是最大的。分別計(jì)算整體升溫10℃和整體降溫10℃的情況，分析溫度對主纜線形的影響，如表4所示。

表4 溫度變化對主纜的影響

計(jì)算結(jié)果表明，氣溫升高和降低均會引起主纜垂度的較大變化，溫度升高時，主纜垂度增加，應(yīng)力降低；溫度降低時，主纜垂度減小，應(yīng)力增大。

3 結(jié)論

分析表明，主纜彈性模量、主纜有效截面積、加勁梁節(jié)段重量、溫度等因素對主纜垂度和應(yīng)力均會產(chǎn)生一定影響。結(jié)合施工現(xiàn)場情況分析，加勁梁重量的變化對主纜線形和應(yīng)力影響最大；溫度變化對主纜線形影響也較為顯著；主纜彈性模量和截面面積在規(guī)范允許范圍內(nèi)的誤差對線形和應(yīng)力有一定影響，但影響相對較小。