自锚式悬索桥结构体系分析

邱 景，李光凤

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

自锚式悬索桥结构体系分析

邱 景1，李光凤2

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

为了研究结构体系对自锚式悬索桥力学性能的影响，以某座主跨406 m自锚式悬索桥方案为原型，采用非线性有限元软件BNLAS进行模拟计算，分析了不设外伸跨和设外伸跨两种结构体系的力学差异，并研究了主梁约束方式对结构受力的影响。分析表明，外伸跨、主梁约束方式对自锚式悬索桥的力学行为影响较大。

自锚式悬索桥；外伸跨；结构体系；约束方式；受力特性

0 引言

自锚式悬索桥因造型美观、景观效果突出，在越来越多的桥梁设计中被采用，尤其是城市桥梁。由于主缆直接锚固于主梁上，主梁受到很大的轴向压力。与常规地锚式悬索桥相比，自锚式悬索桥在受力特点和施工方法等方面均表现出明显的差异。本文以某座主跨406 m的自锚式悬索桥方案（见图1）为例，对自锚式悬索桥的结构体系作进一步研究。该方案的桥跨布置为（160+406+160）m，主缆矢跨比为1/5.8，吊索间距为13.5 m。主梁采用流线型扁平钢箱梁，桥宽39 m。桥塔采用门式塔，设上、下两道横梁，纵向为单柱式。

图1 自锚式悬索桥方案立面布置（单位：m）

针对图1的自锚式悬索桥方案，采用非线性有限元软件BNLAS进行建模计算，分析时全面考虑结构几何非线性的影响，主要包括：大位移效应、缆索垂度效应、应力刚化、轴力-弯曲效应和外荷载的P-Δ效应[1]。主缆采用悬链线单元模拟，吊索采用空间膜单元模拟，主梁和桥塔均采用空间梁单元模拟。边界条件是：塔底固结，主鞍座与桥塔之间采用主从约束模拟，主梁端部设单向活动支座，在桥塔处采用竖向约束、横向设抗风支座，纵向放松的约束方式。有限元模型如图2所示。计算分析时，汽车活载按公路-I级，双向8车道加载；整体温度荷载按升温35℃考虑。

图2 自锚式悬索桥方案有限元模型

1 结构体系分析

根据国内外自锚式悬索桥的建设实践，双塔自锚式悬索桥以采用双塔三跨的布置形式居多。采用三塔多跨（超过3跨）布置的主要有：抚顺市万新大桥、三汊矶湘江大桥和宁波庆丰桥等[2]。以图1所示的自锚式悬索桥方案为原型，两侧均增设跨径50m的预应力混凝土外伸跨，桥跨布置调整为（50+160+406＋160+50）m，以此作为设外伸跨的结构体系。图3、图4和表1给出了两种结构体系在汽车活载作用下的主要计算结果。

根据图3和图4，不设外伸跨的结构体系，主梁活载最大竖向挠度为－0.654 m，挠跨比1/621，满足规范要求[3]。设外伸跨的结构体系，主梁活载竖向挠度有所减小，表明两种结构体系的竖向刚度均满足要求。两种结构体系的主梁活载竖向弯矩曲线在中跨吻合较好，由于外伸跨的设置，主梁活载竖向弯矩在边跨以外范围差异很大。外伸跨自身范围内的活载竖向弯矩亦较大，表明边、中跨活载加载对外伸跨活载内力的影响较大。

图3 两种结构体系的主梁活载竖向挠度

图4 两种结构体系的主梁活载竖向弯矩

表1 两种结构体系在汽车活载作用下的计算结果

由表1可知，设外伸跨的结构体系在汽车活载作用下的梁端纵向位移、梁端转角和桥塔纵向位移均有明显减小，表明设外伸跨结构体系具有更好的竖向刚度。由于结构的活载变形减小，桥塔的活载内力得以减小。需要指出的是，因结构体系差异引起的桥塔活载内力折算成应力的变化量较小。相反，由活载引起的外伸跨内力变化需在设计中引起足够的重视。两种结构体系对主缆、吊杆的活载应力影响较小，可忽略不计。

以不设外伸跨的结构体系为例，图5和表2分别给出了部分特征振型和典型自振频率。

图5 不设外伸跨结构体系的特征振型

表2 两种结构体系的典型自振频率 Hz

根据动力特性计算结果，两种结构体系在纵向放松的约束体系下，纵向振型最先出现。由于主梁采用钢箱梁，桥面宽度和主缆间距较大，结构具有较大的横向刚度和抗扭刚度。因此，结构体系差异对横向振动和扭转振动特性的影响较小。外伸跨的设置增加了参与纵向振动的质量，一阶纵飘的频率有所减小。结构体系差异主要影响结构的竖向振动，设外伸跨结构体系的一阶反对称振型先于一阶对称振型出现。由此可见，外伸跨的设置对结构一阶对称竖弯振型的影响最大。

2 主梁约束方式分析

以不设外伸跨的结构体系为例，进一步研究左侧桥塔处主梁约束方式的影响。一般可采用以下三种约束方式：竖向+横向限位支座、固定支座和塔、梁固结。图6、图7和表3给出了主梁不同约束方式的汽车活载作用下的主要计算结果。表4列出了整体升温荷载作用下的计算结果。表5列出了动力特性的计算结果。

根据图6和图7，左侧桥塔处主梁采用竖向+横向限位支座或固定支座的约束方式对活载竖向挠度和弯矩的影响很小，可忽略不计。左侧桥塔处主梁采用塔、梁固结的约束方式对主梁的活载竖向挠度和弯矩的影响都在局部范围内，仅对该侧主梁的活载内力和位移影响较大。但是，主梁不同约束方式对活载作用下主梁的最大竖向挠度影响很小。

图6 主梁不同约束方式下的主梁活载竖向挠度

图7 主梁不同约束方式下的主梁活载竖向弯矩

表4 主梁不同约束方式的整体升温作用下的计算结果

表5 主梁不同约束方式的典型自振频率 Hz

由表3可知，主梁不同约束方式仅对活载作用下的梁端纵向位移、桥塔纵向位移和桥塔弯矩影响较大。随着左侧桥塔处主梁约束的加强，该侧桥塔的活载弯矩呈增大的趋势。

由表4可知，左侧桥塔处主梁采用竖向+横向限位支座时，整体升温作用下的桥塔纵向位移和弯矩较固定支座和塔、梁固结约束方式大得多。纵向约束放松下的主梁温度零点基本位于跨中，整体升温作用下的梁端变形量基本相等，而后两种约束方式改变了主梁的纵向约束，梁端的温度变形差异较大。后两种约束方式在温度作用下的响应基本相同。

根据动力特性计算结果，由于主梁纵向约束的限制，结构的一阶振型由纵飘变为竖弯，一阶振动频率明显增大。采用固定支座或塔、梁固结的约束方式时，竖向振型表现出明显的不对称性，纵向的微小振动与竖向振动耦合在一起。

3 结论

（1）是否设外伸跨的结构体系对自锚式悬索桥的竖向刚度影响较大，主梁和桥塔在汽车活载作用下的位移响应较小。

（2）设外伸跨的结构体系在外伸跨自身范围内活载内力较大，桥塔的活载内力较小。

（3）左侧桥塔处主梁不同约束方式对结构刚度有一定的影响，但影响范围是有限的。主梁纵向约束方式的差异对整体温度作用下的桥塔内力和位移影响较大。

（4）主梁纵向约束放松的结构体系一阶振型为纵向振动，外伸跨的设置对结构一阶对称竖弯振型影响较大。

[1]唐茂林.大跨度悬索桥空间几何非线性与软件开发 [D].成都：西南交通大学,2003.

[2]李传习.现代悬索桥静力非线性理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3]JTG D65-05—2015，公路悬索桥设计规范[S].

U441

A

1009-7716（2016）05-0103-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.028

2016-01-15

邱景（1986-），男，湖北武汉人，硕士，工程师，从事桥梁设计工作。