大跨径悬索桥力学性能研究

杨雅新

河南水利与环境职业学院（450011）

大跨径悬索桥力学性能研究

杨雅新

河南水利与环境职业学院（450011）

悬索桥由于其优美的结构和宏伟的规模成为大跨径桥梁的主要型式之一。这里根据具体的大跨径悬索桥工程实例，结合有限元模型，对桥梁进行力学分析。通过分析桥梁的受力特点，研究在竖向荷载静力作用的情况下大跨径悬索桥的力学性能。希望对类似工程起到积极的借鉴作用。

大跨径；悬索桥；拉应力；力学性能

0　引言

目前，大跨径桥梁中的“桥梁皇后”——悬索桥成为大跨径桥梁的主要型式之一。在世界范围内跨越长度最长的桥梁类型便是悬索桥（长度为0.9km以上的桥梁基本都是悬索桥）。截至到目前，我国已经建设了多座大跨度悬索桥，如汕头海湾大桥、西陵长江大桥、香港青马大桥、虎门大桥等。

1　工程概况

某大跨径悬索桥工程，主跨长度约1490m，南北主塔采用高为219.5m的钢筋混凝土结构，锚碇基础同样采用钢筋混凝土结构且锚碇直径约65 m，南、北锚深分别为50m、30m。钢箱梁的高度约3.2m、宽约36m，包括两条主缆绳（直径约为905 mm），每条主缆绳都由184股（共23370根直径为5.32mm的高强度钢丝）组成。该工程建设采用双向六车道标准设计，车速100km/h。桥面铺装面积约48430m2，桥面设计使用年限为15年。

2　大跨径悬索桥结构分析

2.1悬索桥的结构

悬索桥，又名吊桥（suspensionbridge），指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。

1）悬索

悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力，它的结构可以做得相当纤细，此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。在大跨径悬索桥中的悬索通常由一定数目的椭圆形平行钢丝索组成。为使悬索在受拉时不发生滑动变形，利用刚性圆形索夹将悬索和吊杆箍紧。在大跨径悬索桥中通常采用由扭转式钢绳和圆钢组成的吊杆。

2）桥塔

桥塔的主要作用是支撑和承受由悬索传递而来的垂直分力和水平分力。桥梁建设过程中桥塔和桥面下应设置横系梁以使桥塔能够承受悬索和桥面上的巨大载荷。虽然桥梁在建设过程中多采用单层框架式桥塔，但在桥塔较高时为了增加桥塔在水平方向上的刚度，往往多设几根横系梁，形成多层框架式的桥塔。

3）加劲梁

在普通的中小跨径及大跨径的悬索桥中多采用简支体系，但简支体系的加劲梁基础尺寸较连续加劲梁较小，所以两用的大跨度悬索桥一般采用连续加劲梁。

4）锚碇

悬索桥锚碇作为悬索桥的主要部分，其主要作用为：抵抗悬索的竖直反力和钢索的水平分力。悬索桥的锚碇可以直接固定在岩石之中，或者依据桥梁建设地点的不同采用陆地基础固定或者水中基础固定［1］。

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2.2大跨径悬索桥中存在的特殊力学问题

1）静力风载荷作用情况下的侧向位移问题

在扁箱梁的阻力系数较小的情况下，悬索桥选用流线形箱梁时桁架梁的位移较小，所以在建设大跨径悬索桥的过程中应设法提高悬索桥的侧向刚度。

2）偏载情况下的扭转变形问题

当桥梁跨径在5000m左右时，跨中扭转角度高达35°。如果再考虑实际中的静风荷载的作用，桥梁很可能会发生扭转、变形、失稳现象，因此在桥梁设计的过程中必须提高桥梁结构件的扭转刚度。

3）空气动力情况下的稳定性问题

当桥梁跨径在2000m左右时，可人为采取一定的抗风措施以避免桥梁颤振现象的出现。当桥梁跨径超过2500m时，桥梁发生颤振现象的临界风速急剧降低，大跨径桥梁颤振问题已成为大跨径悬索桥设计建设过程中首先要解决的问题。

3　三维有限元模型与分析

3.1悬索桥三维模型

大跨径悬索桥主塔单元划分示意图如图1（a）所示，1/2主梁截面特征值计算截面如图1（b）所示，悬索桥主桥划分模型如图2所示。

图1　悬索桥部分三维模型图

图2　悬索桥整桥三维模型图

3.2悬索桥整桥力学分析

大跨径悬索桥的主要受力构件为悬索桥的桥塔和主缆。主梁主要受力方式为受弯，在对桥塔进行受力分析时，可以将悬索桥构件等效为受拉弯杆件。本文结合工程实例对主梁弯矩进行分析，分别从桥梁主梁主跨1/2截面处、1/4截面处、1/8截面处、1/16截面处进行弯矩分析。悬索桥各控制截面弯矩变化范围见表1。

表1　悬索桥各控制截面弯矩变化范围

由图2和表1可以得出，当单位车辆下的荷载沿悬索桥的纵向方向运行时，弯矩的大小随着主跨的1/2截面、1/4截面、1/8截面、1/16截面处依次增大。由于悬索桥的主梁和铺装桥面的活动载荷挠度随着主梁弯矩的增加而增加。悬索桥的主梁和铺装桥面的活动载荷挠度越大，该点处的铺装桥面所承受的纵向拉力受整桥的力学影响也越大。因此，悬索桥的主梁弯矩最大处的位置就是需要我们重点分析研究的典型的截面［2］。

3.3悬索桥局部载荷条件分析

局部结构自重：选取的大跨径悬索桥局部梁段模型中各个部件总体重量，由计算机所编写的程序自动计算得出。

二期恒载：悬索桥桥面铺装重量及其他附属构造的重量、二期恒载形成的载荷可以简化成在桥梁模型范围内均匀分布的载荷。

吊索力：将悬索桥整桥模型中的吊索应力单独提取出来，将其等效为外加的载荷，并将其加载局部桥梁梁段模型中。

车辆荷载：将车辆的自重换算成以其轮胎接触面积为基础的均匀分布的载荷，均匀加载局部梁模型上。在整桥模型中作为集中荷载加载的车辆轴重，就需模拟成轮胎接地面积中的均匀荷载，利用MIDAS对局部梁有限元模型进行分析，大跨径悬索桥局部梁段有限元数值分析模型如图3所示。

图3　大跨径悬索桥局部梁段有限元数值分析模型

3.4悬索桥局部力学分析

将悬索桥局部梁段再进行细化分析，截取梁段部分位置建立正交异性板模型进行详细的有限元网格的划分，以进行更加准确的挠度、拉应力、载荷等力学性能的分析。图4为大跨径悬索桥局部梁段顶板力学模型的平面图。由图4可知，大跨径悬索桥发生不安全因素的部位主要集中在A区域处。

图4　大跨径悬索桥局部梁段顶板力学模型平面图

4　结语

这里首先对悬索桥的结构进行了分析，再结合具体的工程实例通过建立有限元计算分析模型，计算分析了该桥的整体力学性能，同时对局部载荷条件进行了简化模拟分析。总之，悬索桥的力学性能比较复杂，进行受力分析时应坚持科学的原则，严谨的态度，才能确保研究的合理性。

［1］杜昕.大跨径悬索桥与斜拉桥钢桥面铺装在竖向荷载静力作用下力学特性研究［D］.东南大学硕士学位论文，2005.

［2］周云岗.大跨径三塔缆索承重桥梁力学参数敏感度分析［J］.同济大学学报，2012（07）：16-23.