三塔悬索桥静力特性分析
王野;黄健伟;李阳
【摘 要】以襄阳庞公大桥为工程背景,运用有限元软件midas Civil建立全桥三维模型,进行成桥阶段和施工阶段的静力特性分析.结果表明,在加劲梁吊装期间,主缆线形、加劲梁线形和索鞍偏移量的变化趋势类似,都是在吊装初期较大,随后逐渐减少,最终达到设计成桥状态;理想成桥状态下,每根吊索承担相邻2根吊索间距长度的加劲梁的全部或大部分自重;在运营阶段,相对于恒载,活载作用对悬索桥主要结构受力影响较小;温度作用使主缆和加劲梁的线形发生变化. 【期刊名称】《交通科技》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】5页(P35-38,42)
【关键词】三塔悬索桥;索鞍预偏量;设计成桥状态;公路桥梁活载
【作 者】王野;黄健伟;李阳
人造脂肪【作者单位】中交第二航务工程局有限公司 武汉 430040;武汉理工大学交通学院 武汉430063;武汉理工大学交通学院 武汉430063
【正文语种】中 文
三塔悬索桥可以减少主跨跨度，提高跨越能力，因此，在大跨度桥梁中具有显著的优势[1-2]。但由于其多了1个主塔，中塔缺乏边缆的有效约束，其受力与传统的双塔悬索桥存在显著差异[3-6]。
对于这种结构形式，要准确认识其力学行为，解决其设计、施工和运营阶段的各种计算问题，近年来发展了许多计算方法，主要分为解析法和有限元法2大类[7]。 温智全等[8]运用分段悬链线的解析方法来计算主缆的线形。但是，解析法只能解决最理想悬索桥(恒载由主缆承担，加劲梁不承担或所承担较少部分)主缆的设计与施工问题，无法解决加劲梁刚接法施工的悬索桥，也不能解决加劲梁设计与计算问题，更不能解决悬索桥使用阶段的计算问题。
柯红军等[9]运用通用有限元软件ANSYS，计算了某自错式悬索桥的主缆空缆线形。但是，
为了确定悬索桥的合理成桥状态，需要综合利用主缆线形计算软件和有限元软件，ANSYS中没有主缆线形计算功能，并且ANSYS连续模拟全部施工阶段的计算过程较为困难，也就无法获得主梁在各施工阶段的真实应力状态。
本文以襄阳庞公大桥为工程背景，运用midas Civil建立全桥的三维模型，进行成桥阶段和施工阶段的力学分析，以期为其他类似桥梁的设计和施工提供参考。
1 工程概况
襄阳庞公大桥主桥采用三塔双跨悬索桥方案，主缆跨度为95 m+378 m+378 m+358 m。主缆的矢跨比为1/9，主缆含61根索股，每根索股由127丝直径5.2 mm的锌-铝合金镀层高强钢丝构成。每根吊索由109根直径5 mm的高强钢丝构成。主缆和吊索的钢丝标准抗拉强度均为1 860 MPa。加劲梁采用钢板结合梁，2跨简支结构体系，在中塔处梁端设横向活动支座约束竖向位移和纵向位移。加劲梁宽度为34.5 m。钢梁采用Q345Qd钢，由2片纵梁及布置于其间的横梁组成，纵、横均为工字梁截面。混凝土桥面板厚20 cm，由剪力钉与钢梁组合成整体。主塔是由上、下塔柱和上横梁构成的钢-混合组合门框结构。边塔塔高61.9 m，中塔塔高69.8 m。塔柱中心距35.5 m。桥梁布置图如图1所示。
图1 桥梁立面布局图(单位：m)
2 有限元模型
本文采用midas Civil有限元软件进行计算分析。主缆和吊索的模拟采用索单元，主梁、横梁及主塔采用梁单元。主缆及吊索的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3。边界条件为：主塔塔底固结；边跨加劲梁末部限制纵向位移和横向位移，靠近中塔侧的加劲梁端部和下横梁的边界为约束竖向、纵向、横向自由度，来模拟竖向支座、纵向支座、横向支座对主梁的约束作用；鞍座和主塔之间采用主从节点模拟，散索鞍处采用弹性支承来模拟散索鞍对主缆的支撑作用。在midas Civil中，先使用“悬索桥建模助手”确定建立初步模型，根据图纸进行修改后，通过“悬索桥分析”功能进行精确分析。全桥有限元模型如图2所示。
图2 全桥有限元模型
主索鞍和散索鞍是悬索桥的重要组成部分，在有限元软件中难以模拟。下面依次介绍这2个构件在midas Civil中的模拟方法。
2.1 主索鞍的模拟
本文将采用一种新的模拟方法：主塔顶点作主节点，索鞍IP点作从节点，释放顶点的纵桥向位移，其它边界与索鞍IP点一样。
2.2 散索鞍的模拟
散索鞍位于支墩处，作用是使主缆分散为各根索股锚固在锚杆上，其示意图见图3。成桥阶段的主索鞍通过限位装置限位，不能发生移动；而散索鞍还会随着主缆发生移动。本文采用只约束轴向位移的“弹性支承”的方式来模拟散索鞍的移动，有限元模型见如图4。
图3 散索鞍示意图
图4 散索鞍有限元模型
3 模型计算结果验证
3.1 成桥状态
本文使用midas Civil软件，以成桥线形为初始状态，建立了成桥状态的全桥模型。成桥状态下，计算出的主缆垂度与设计值对比见表1。
表1 成桥阶段主缆的垂度垂度襄城侧边主缆樊城侧中主缆襄城侧中主缆襄城侧边主缆计算值/m 0.22442420.569设计值/m 0.20742420.528相对误差/%8.200007.760
由表1可知，本模型计算的成桥状态下各跨主缆的垂度与设计值相比，相对误差较小。其中由于在midas Civil建模中主跨垂度定义为垂点(坐标固定不变)，故计算值即为设计值。
3.2 空缆状态
直排溜冰鞋教程确定空缆线形在悬索桥施工控制中非常关键，这是由于主缆的线形在架设后就确定了，而吊索的长度也不能有过多的调整。因此，精准确定空缆线形及索鞍预偏量，是成桥后主缆线形满足设计线形的首要前提。在空缆阶段主缆垂度见表2。
表2 空缆阶段主缆垂度垂度襄城侧边主缆樊城侧中主缆襄城侧中主缆襄城侧边主缆计算值/m 2.08638.50238.5016.146设计值/m 1.99138.53938.5355.937相对误差/%4.7700.0960.0883.520
由表2可知，本模型计算值与设计值差别不大。而空缆的垂度是主缆线形的关键控制点，其精度对主缆的架设至关重要，因此可知，本模型计算的空缆线形与设计空缆线形相差不大。
各索鞍的预偏量见表3。
表3 各索鞍的预偏量索鞍方位计算值/m设计值/m相对误差/%樊城侧主索鞍-0.550-0.5441.103中主塔主索鞍0.3230.3123.526襄城侧主索鞍1.2071.1722.986
由本模型计算的各索鞍预偏量的误差满足设计要求。
综上所述，本文模型的计算值与设计值均相差较小，说明本文所采用的计算模型模拟实际结构具有较高的精度和可靠性。
4 施工阶段计算分析
本文采用midas Civil软件，以成桥状态为初始状态，通过“倒拆法”进行逆向分析。先卸除二期恒载，随后按照从边塔到跨中的顺序，逐一去除梁段及相应吊索，直至空缆状态。下面就主跨主缆跨中点的垂度和应力、加劲梁跨中的竖向位移、各索鞍偏位值在整个加劲梁的吊装过程中的变化进行讨论分析。图5～8中横坐标表示施工阶段，CS2～CS7为加劲梁吊装阶段，CS1为空缆状态，CS8为成桥状态，下同。
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4.1 主缆跨中竖向位移
全自动电脑针织机吊装过程中，主缆跨中竖向位移变化见图5。
图5 主缆跨中竖向位移变化(单位：m)
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由图5可见，在加劲梁吊装初期，主缆线形变化较大，这是由于此时主缆的张力较小，刚度不大，加劲梁自重引起的变形较大；随着梁段的吊装，主缆线形逐渐趋于平顺，这是因为主缆的张力随着加劲梁自重增加而增大，主缆的刚度也随之增加；在整个加劲梁吊装过程中，主缆变形的趋势是先下凹后上凸，最终达到成桥状态。
4.2 主缆应力
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主跨跨中主缆单元应力变化见图6。
图6 跨中主缆单元应力变化图
由图6可见，随着加劲梁的吊装，主缆的应力逐渐增大，这是由于加劲梁和吊索的自重通过吊索传给了主缆。
4.3 加劲梁跨中竖向变形
加劲梁吊装跨中竖向变形变化见图7。
图7 加劲梁跨中竖向变形变化
由图7可见，在整个加劲梁吊装过程中，加劲梁跨中竖向变形总体上是先向下挠曲，再向上凸，最后达到成桥桥面线形。
4.4 索鞍偏位
各主塔索鞍的偏位变化见图8。其中，正值表示向右偏，负值表示向左偏。
图8 各索鞍偏位值变化图
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