|
1 三塔悬索桥的发展
1.1 我国悬索桥的发展
悬索桥是大跨径桥梁的主要型式之一。悬索桥力学特征明显，能极大限度的利用材料的强度。对于跨径
大于800 米的桥型，悬索桥和其他桥型相比具有明显的技术经济优势。
我国于1991 年开始兴建第一座现代大跨度悬索桥——汕头海湾大桥，先后建造了虎门大桥、西陵长江大
桥、厦门海沧大桥、江阴长江大桥、宜昌长江公路大桥和润扬长江大桥等10 多座大跨度悬索桥。2007 年12
月，浙江舟山大陆连岛工程西堠门大桥主梁贯通，标志着我国悬索桥建设技术进入世界前列。其跨径仅次于
日本明石海峡大桥，居世界同类型桥梁第二、中国第一位，下表1 为截至2008 年5 月的世界前十大悬索桥排
名。
表1 世界前十大悬索桥一览
1.2 国内外三塔悬索桥的发展
法国中部的新堡桥（见图1）（Chateauneuf ）是一座五跨悬索桥，该桥宽度为7m，跨径布置为92m+2×
76m+92m ，采用圬工主塔，加劲梁为钢梁加混凝土桥面板，采用纵向水平索连接各塔并在锚碇处锚固。
图1 法国新堡桥
葡萄牙设计建造的莫桑比克萨韦（Save）河桥为五跨连续斜吊索悬索桥，跨径布置为110+3×210+110m
，桥宽10.6m ，其中车行道7.2m ，两侧人行道各宽1.35m ，桥面由支承在横梁上的预应力混凝土鱼腹式预制
板构成。
日本在1961 年7 月建成小鸣门大桥（见图2），主跨为160m ，桥宽7m，中塔位于小鸣门海峡中间的岛上
，为钢筋混凝土A 形塔。该桥主缆在中塔处断开后分束直接锚固。
图2 日本小鸣门大桥
国内在青岛海湾大桥、阳逻长江大桥的方案中，曾对三塔悬索桥方案进行了研究。
2 悬索桥的受力特征和案例介绍
2.1 悬索桥的主要受力特征
悬索桥具有几何非线性，具有大变形小应变的受力特性。悬索桥的主缆是主要承重构件，主要承受张力
，主缆通过自身的弹性变形和几何形状的改变达到受力平衡。
2.2 悬索桥几何非线性的主要影响因素
悬索桥的非线性影响因素主要有：
（1）荷载作用下的结构大位移，这是作为柔索结构的最主要的非线性影响因素。力的平衡方程是根据变
形后结构的几何位置来建立的，力与变形之间体现出非线性。
（2）缆索自重垂度的影响，缆索在重力作用下有一定的垂度，并不是直线。缆索在受力后发生的变形是
有弹性变形以及垂度变化的非线性变形两部分组成的，其变形值比直杆大，与缆索的截面、弹性模量、缆索
自重以及张拉力等因素有关。
（3）恒载初始内力对主缆刚度的影响，缆索在恒载作用下具有一定的初应力，使其可以维持一定的几何
形状。当后续荷载作用时，缆索形状发生改变，而初应力对后续状态的变形存在抗力，反映了缆索的几何非
线性性质。因此，大跨悬索桥的分析必须计入内力与结构变形的影响，否则将引起较大的误差。因此，分析
悬索桥施工阶段受力[5]的情况，应考虑几何非线性分析[6]的影响。
2.3 某三塔悬索桥方案介绍
某三塔悬索桥方案，跨度组合为390m+1080m+1080m+390m ，主缆主跨垂跨比为1；9。主缆设计为每根主
缆由167 束含91 丝5.2mm 的镀锌高强平行索股组成。边塔与中塔标高相差20m。吊索间距16m，采用109 丝
5.0mm 的镀锌高强钢丝，外包PE 防护，采用销铰方式连接。钢箱梁采用两跨连续方案，仅布置在两个中跨，
为全焊扁平流线型断面。采用Q345 钢制作，梁高3.5m，全宽39.1m 。钢箱梁全长2156 米，总重量32773.9
吨，最大吊装段吊重262.0 吨。索鞍分别安装在中、边索塔塔顶，均为铸焊结合结构，为了减轻主索鞍的吊
装和运输重量，将主索鞍顺桥向分成两半，待吊至塔顶后用高强螺栓连接。散索鞍为滑移式结构。锚碇为沉
井基础重力式锚碇；边索塔采用混凝土门式框架结构，中间索塔采用钢结构门式框架结构。
文章利用ANSYS 软件，研究了三塔悬索桥的受力特性，并完成了加劲梁架设方案的分析。
3 ANSYS 在三塔悬索桥施工分析中的应用
3.1 计算模型和参数
主缆和吊索采用LINK10 单元模拟，主塔和加劲梁采用梁单元BEAM3 模拟。各构件的参数如下表2所示，
荷载参数见表2，构件截面属性按照设计采用。在进行结构分析的时候，采用静力分析（ANTYPE,static），
同时激活大变形分析选项（NLGEOM,ON）。为了加快收敛速度，求解使用Newton-Raphson 方法。
表2 各构件参数
表3 荷载参数
3.2 计算方法
悬索桥在成桥状态时，结构的几何形状，如主缆的线型以及结构的内力状态是不确定的，需要进行找形
分析。方案中给出了悬索桥的成桥状态，以成桥状态为目标，假设无应力状态（初始态），通过反复迭代的
方法，得到空缆状态（荷载态一）、各施工阶段和成桥状态（荷载态二）的特征。迭代计算的框图如下。
图3 ANSYS 迭代分析的流程图
3.3 计算结果和讨论
（1）在均布荷载作用下，悬索桥主缆内力的水平力为一常数。为验证计算结果，以迭代次数为参数，考
虑悬索桥水平力的收敛情况（见图4）。从图4 可知，ANSYS 在进行非线性分析的时候，当迭代次数选在4000
时候，已趋收敛。与经典理论手算计算值相差在2.3% 左右，与理论计算结果较为吻合。
图4 双主缆水平力收敛情况示意图
（2）三塔悬索桥，在成桥状态下，主跨垂度为120m。在空缆状态下，主跨垂度为111.100m，边塔偏向岸侧
2.38m。
（3）根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60-2004)，活载采用公路-I 级。考虑6 车道， 横向折减系
数取0.55，纵向折减系数0.93，车道荷载标准值取为10.5kN/m，加重车Pk 取为360kN，冲击系数取为0.05。
最不利活载加载下，车道荷载布置为单跨满跨加载时，相邻跨位移为最不利状态。下图5 为在最不利布载下
，加劲梁的竖向位移图，其中，跨中处，加劲梁的最大竖向位移为-3.319m，变形与跨度比1/325，满足悬索
桥规范对刚度的要求。 同时，在最不利活载作用下，当主缆和鞍座之间的摩擦系数取u=0.2 时，主缆抗滑安
全系数K=2.6，具有较大的安全储备。
图5 最不利活载作用下加劲梁竖向位移图（单位：m）
（4）采用ANSYS，进行了加劲梁安装顺序的研究。安装顺序一般有两种方式：从跨中向塔处安装和从塔
端向跨中安装。经过比选，最后确定该桥的合拢顺序为：从边塔和中塔开始，向两跨跨中架设，合拢口设置
在跨中偏边塔处，共计两个合拢口。在该架设方案中，主缆和主塔之间的净距保持在0.4m以上，钢箱梁合拢
顺利时的水平牵引力只需200kN。下图为保证合拢口有50cm 富余需要的各梁段水平牵引力分布图。
图6 各梁段偏离50cm所需要的水平牵引力
4 结论
利用ANSYS 软件进行了某三塔悬索桥施工分析，得到了成桥状态、空缆状态的参数。分析表明，在最不
利活载作用下，三塔悬索桥刚度和主缆的抗滑性能满足规范的要求。同时通过加劲梁架设过程的分析，得到
了三塔悬索桥合拢的合理顺序和水平牵引力。在文章的完成过程中，得到张国志、翟世鸿、杨昌维和刘浩等
同志的无私帮助，特此表示感谢！
|