主缆刚度对大跨悬索桥梁静力特性的影响分析

赖可

（保利长大工程有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

由于悬索桥具有成本较低、造型美观、跨度较大、坚固耐用等优势，故在我国大跨度桥梁工程建设中得到广泛的应用[1-2]。据相关研究表明，悬索桥的结构设计参数与桥梁安全息息相关，而如何保证悬索桥结构的安全稳定一直是现阶段桥梁设计工作者关注的热点课题[3-4]。考虑到主缆是悬索桥梁中主要的受力构件之一，其刚度的设计对桥梁整体稳定至关重要，近年来国内外桥梁研究者虽在大跨悬索桥方面展开了不少研究，但少有关注主缆刚度对悬索桥静力特性影响方面的研究[5-6]。基于此，本文以某大跨地锚式悬索桥工程为研究背景，通过采用MIDAS/CIVIL有限元软件建立实桥数值模型，针对不同主缆刚度下的悬索桥结构进行静力特性分析，研究结果可为同类桥梁的设计工作提供参考与借鉴。

1 工程背景

某大跨地锚式悬索桥总长为1386m，包括主跨桥和南北引桥，其中主跨桥梁长度为630m，主跨矢跨比为1/9.5，南北引桥长度分别为550m、180m，桥梁立面布置大致如图1所示。该桥加劲梁采用钢箱梁，梁高为3m，桥面板采用正交异形桥面板，全桥共2根主缆，缆间间距为32m，吊索采用高强钢丝，相邻吊索间距均为11m，主塔中心距临近吊索15m。

图1 悬索桥立面示意

2 有限元模型建立

本文采用MIDAS/CIVIL软件建立悬索桥的有限元计算模型，具体模型如图2所示。模型中主梁、主塔均采用梁单元模拟，而主缆和吊杆则均采用只受拉索单元模拟，全桥共划分为528个节点与386个单元，其中包括226个梁单元和160个只受拉索单元。计算模型中主缆锚固端和主塔塔底均设置为固结，主梁顺桥和竖桥向分别设置为平动、约束，主梁与主塔下横梁处采用主从节点连接。计算荷载设计为：活载考虑人群荷载2.5kN/m2+公路1级车道荷载（即10.5kN/m2均布荷载+360kN/m2集中荷载）。该桥钢箱梁采用Q345qD钢材，主塔混凝土设计标号为C50，主缆采用强度达1760MPa的高强钢丝，计算时各材料的物理力学参数如表1所示。

表1 材料计算参数

图2 悬索桥有限元模型

3 计算结果及分析

主缆结构是大跨地锚式悬索桥梁中最为主要的受力构件之一，其刚度设计决定着桥梁结构的整体稳定性。由于主缆刚度与自身的弹性模量E呈线性关系，本研究基于单一变量原则，仅将模型中主缆弹性模量E视为控制变量，而保持其他材料参数不变，拟定了0.7E、0.9E、1E、1.1E、1.3E五种主缆刚度，系统考察了主缆刚度对大跨悬索桥静力特性的影响规律。

3.1 主缆刚度对主缆跨中位移与加劲梁跨中弯矩的影响分析

通过对活载作用下悬索桥主缆结构进行静力特性分析，得出不同主缆刚度情形下，主缆跨中截面处位移和加劲梁跨中截面处弯矩的变化曲线，如图3所示。

图3 主缆位移与加劲梁弯矩变化曲线

根据图3可知，悬索桥主缆跨中的竖向位移随着主缆刚度的增大呈逐渐减小变化趋势，当主缆刚度从0.7E增至1.3E时，主缆位移整体减小了24.3%；随着主缆刚度的增大，加劲梁跨中弯矩呈逐渐减小变化趋势，其中当主缆刚度由0.7E增至1E时，加劲梁弯矩减幅表现较为明显，而当主缆刚度继续增至1.3E时，加劲梁弯矩减幅则出现一定程度的减缓。说明适当增大主缆刚度不仅有利于抑制主缆结构下挠，还能有效改善加劲梁的受力。

3.2 主缆刚度对主缆轴力与应力的影响分析

通过对不同主缆刚度的主缆结构展开静力有限元分析，得到活载作用下主缆的轴力及最大应力变化曲线，如图4所示。

图4 主缆的轴力、应力变化曲线

由图4可知，随着主缆刚度的增大，主缆不同截面处的轴力均呈逐渐增大变化趋势，其中主缆南塔边中跨侧两截面处的轴力增幅较为接近，而主缆跨中和中跨1/4L两截面处的轴力增幅也同样较为接近。主缆最大应力随着主缆刚度的增大呈先减小后增大变化，但整体变幅较微，说明主缆刚度变化对主缆应力的影响并不明显。

3.3 主缆刚度对吊杆轴力与应力的影响分析

通过对活载作用下悬索桥吊杆结构进行静力分析，得到不同主缆刚度对吊杆轴力与应力的影响规律，如图5所示。

图5 吊杆的轴力、应力变化曲线

如图5所示，随着主缆刚度的增大，吊杆不同截面处的轴力均呈逐渐增大变化趋势，其中当主缆刚度由0.7E增至0.9E时，各截面处的轴力增幅都表现较为明显，而当缆刚度由0.9E增至1.3E时，吊杆的轴力增幅表现较为平缓。随着主缆刚度的增大，吊杆最大应力呈先减小后增大变化，但应力整体变幅较微，说明改变主缆刚度对吊杆应力的影响不明显。

4 结束语

随着主缆刚度的增大，悬索桥主缆竖向位移和加劲梁弯矩均呈逐渐减小变化，适当增大主缆刚度有利于控制主缆下挠，还能改善加劲梁受力。主缆和吊杆各截面处的轴力均随着主缆刚度的增大呈逐渐增大变化，而其最大应力则随之呈先减小后增大变化，主缆刚度对主缆、吊杆应力的影响并不明显。