钢桁梁悬索桥参数分析与设计优化

张 精 卫

(中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075)

1 工程概况

总体布置为单跨850 m简支悬索桥方案，主梁采用钢桁架加劲梁，索塔采用门型混凝土索塔。主桥主缆跨径布置为：(270+850+270) m，主缆矢跨比为1/10，矢高为85 m。

2 计算模型

全桥总体分析采用“MIDS CIVIL 2012”有限元程序进行。计算模型为空间杆系模型，主缆和吊索均采用索单元，索塔和钢桁架加劲梁采用空间梁单元模拟。主塔承台底及主缆锚固点处均采用固结约束；成桥分析阶段主缆与主塔顶在索鞍处按照主从约束固接；钢桁梁梁端设置竖向支座和横向抗风支座，纵向位移和转角均按自由处理，计算模型见图1，图2。

3 参数分析

选取参数为主缆垂跨比、桁梁高度，通过分析主梁应力和挠度、主缆内力、结构动力特性、主塔内力、工程数量等指标来进行参数选取和结构优化。

3.1 主缆垂跨比

双塔悬索桥主跨垂跨比一般在1/9～1/11之间，其特性是随主缆垂跨比减小，缆力增加，结构重力刚度加大，活载作用下加劲梁挠度有减小，但工程造价越高(涉及主缆面积、塔高及锚碇规模)；若垂跨比增大，结论则相反(见表1)。

表1 悬索桥垂跨比统计表

因此，本桥选取了1/9.5,1/10,1/10.5三种垂跨比进行了研究。比选结果如表2～表5所示。

3.1.1主缆内力对比

从表2可知：主缆内力随着垂跨比的减小而增加；垂跨比由1/9.5减少至1/10时，主缆内力增大约4.5%；垂跨比由1/10减少至1/10.5时，主缆内力增加约4.9%。以1/10垂跨比的数据为基准，因垂跨比不同带来的数值变化均在±10%以内。因此，较小的垂跨比会导致主缆内力增加过快而不经济，不宜选用。

表2 不同垂跨比比较结果(一)

3.1.2加劲梁挠度对比

从表3可知：在活载作用下，加劲梁挠度随着垂跨比的减小而减小；在体系温差荷载作用下，加劲梁挠度随着垂跨比的减小而增加；桥梁整体刚度较大，主梁挠跨比均小于1/300，满足规范的要求。以1/10垂跨比的数据为基准，汽车荷载挠度因垂跨比不同带来的向下最大竖向挠度变化量均在±10%以内，温度作用下加劲梁的最大竖向挠度变化量均在±5%以内。

表3 不同垂跨比比较结果(二)

3.1.3加劲梁应力对比

表4 不同垂跨比比较结果(三)

从表4可知：在活载作用下，加劲梁各杆件的应力随着垂跨比的减小而减小，其中主桁上、下弦杆和斜腹杆相对较明显。以1/10垂跨比的数据为基准，因垂跨比不同带来的钢桁架在活载下的应力变化量均在±5%以内。

3.1.4动力特性对比

表5 不同垂跨比比较结果(四)

从表5可知：悬索桥的振动频率，随着主缆垂跨比的减小而增大，即结构刚度随之增大。但变化幅度不大，以1/10垂跨比的数据为基准，因垂跨比不同带来的频率变化量在±10%之间。

3.1.5主要工程数量对比

垂跨比引起的数量变化主要体现在主缆、索塔和锚碇上，除普通钢筋外，主缆、索塔和锚碇三者数量之和随着垂跨比的减小而增大；而高强钢材增大数量比普通钢筋减小的数量要大，因此，在桥面系和主梁不变的情况下，大桥建安费随着垂跨比的减小而增大。

3.1.6索塔内力对比

由于本桥所处地区的基本抗震设防烈度为7度地震区域，地震力的大小与索塔的高度趋势一致，垂跨比越小，理论上索塔越矮，则索塔根部地震产生的内力越小。

通过以上对比可以得出：以1/10垂跨比的数据为基准，在主缆、索塔和锚碇的数量变化上，三者引起的大桥建安费随着垂跨比的减小而增大，采用1/9.5的垂跨比，大桥经济性最好，1/10的垂跨比次之。但从动力特性来看，1/10的垂跨比桥梁结构性能更好，建议采用1/10的垂跨比。

根据以上研究的结论，综合考虑结构的经济性和抗震性能，本桥垂跨比决定采用适中的1/10。

3.2 梁高

钢桁架的高度由结构体系的竖向、横向刚度以及抗风稳定性等因素确定，根据已建成桥梁的经验(矮寨7.5 m，坝陵河10 m，四渡河6.5 m，北盘江5 m)，本桥分别选取加劲梁桁架高度H为6.5 m，7.0 m，7.5 m，桁架纵向节间距均为6.8 m，对结构关键受力部位进行比较分析。

3.2.1主缆内力对比

主缆最大内力对比见表6。

表6 主缆最大内力对比

3.2.2吊索内力对比

吊索内力对比见表7。

表7 吊索内力对比

表6，表7计算结果表明，因梁高变化导致结构恒载重量表变化很小，主缆及吊索内力变化较小，且主缆和吊索最大内力随主梁高度增加而增加。

3.2.3加劲梁活载挠度对比

结构关键部位位移表明，主梁高度变化对结构总体刚度影响很小，随着主梁高度的增加，主塔纵向位移增大，加劲梁端纵向位移减小，加劲梁竖向位移减小横向位移增大。总体来说梁高变化对结构纵向及横向刚度的影响小于对结构竖向刚度的影响。以7.0 m桁高的数据为基准，主梁挠度变化百分比在±1.5%以内，见表8。

表8 活载位移比较 m

3.2.4加劲梁应力对比

结果表明，梁高变化对桁架纵向应力影响较小，且桁架上、下弦杆及竖腹杆最大内力随主梁高度增加而增加，主要原因在于主缆和主梁形成的超静定结构中主梁高度(刚度)的增加使得主梁承担的内力增加。以主要组合为例，上弦杆应力变幅在2%以内，下弦杆应力变幅在25%以内，竖腹杆应力变幅在5%以内，斜腹杆应力变幅在15%以内，平联应力变幅在10%以内，表明该结构体系在合适的主梁高度范围内主梁高度的增加不能有效降低纵向杆件应力，见表9。

表9 加劲梁应力对比

3.2.5钢桁架数量对比

表10 钢桁架用钢量比较

以7 m桁高的数据为基准，因桁高不同带来的主桁用钢数量的变化在±1.5%之间，见表10。

4 结语

通过以上主缆垂跨比、桁梁高度，通过主梁应力和挠度、主缆内力、结构动力特性、主塔内力、工程数量等指标对比分析，可以得出：采用不同的高跨比对大桥的结构受力和工程数量影响甚微。

参考文献：

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