列车荷载对梁体挠度和拉索索力变化的影响

张瑜 孔祥凯

摘要：随着交通事业的迅速发展，我国在桥梁结构的建设中投入了大量的精力，在建桥的同时尤其注重橋梁安全。斜拉桥是一种最为常见的并且被广泛利用的桥梁结构，作为一种拉索体系，有着比梁式桥跨越能力大的优点，因此成为大跨度桥梁的最主要桥型。拉索作为整个桥梁结构的主要受力结构，直接影响着整个结构的安全。由于拉索结构纤细，是斜拉桥结构体系中最为敏感的构件，在桥梁正常运营状态即列车荷载的影响下很容易为了使桥梁结构给人们提供安全可靠的服务，有必要研究斜拉桥在运营状态下列车荷载对主桁节点挠度和拉索索力的变化规律。

关键词：斜拉桥；列车荷载；挠度；索力

1 引言

斜拉桥是一种由主塔与钢缆组成来支撑桥面的桥梁，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁[1]，主要由索塔、斜拉索、主梁组成，其中索塔承受压力，拉索承受拉力，梁体受弯，可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁[2]。

课题主要以武汉天兴洲长江大桥为工程背景，通过大型有限元软件ANSYS建立武汉天兴洲长江大桥正桥斜拉桥模型，得到斜拉桥成桥状态下的各拉索索力[3]，并模拟该模型在拉索无损伤时列车通过全桥，得到列车荷载对梁体挠度和拉索索力的影响规律。

2 工程背景

武汉天兴洲长江大桥为双层公铁两用桥，采用双塔三索面钢桁斜拉桥，斜拉桥主梁为板桁结合钢桁梁，N形桁架，三片主桁，桁宽2×15 m，桁高15.2 m，节间长度14 m；主塔采用钢筋混凝土结构；每塔两侧各有3×16根拉索，斜拉索为镀锌平行钢丝，双层PE护套，冷铸锚。钢桁梁上索距14 m，相邻索面中心距15 m；斜拉索下端锚固于主桁上弦节点锚箱内，上端锚固于上塔柱钢锚梁内，斜拉索上端为张拉端。

桥墩从汉口到武昌依次为0#墩至5#墩；由于武汉天兴洲长江大桥的结构对称性，仅对2#塔中间索面主跨和边跨拉索及正桥中间索面主桁下弦节点挠度进行分析。主桁下弦节点编号规定：斜拉桥主桁从0#墩至中孔跨中的下弦节点用字母“E”表示，其数值依次从0至39，即E0～E39，而从5#墩至中孔跨中的下弦杆节点用字母“E'”表示，数值从0至38，即E'0～E'38。拉索编号规定：从2#塔至跨中依次是S1至S16，2#塔至边跨依次为S'1至S'16；索力以拉为正，挠度向上为正。

3 列车荷载的加载方式

为分析梁体挠度的变化规律，规定以0#墩对应节点E0为下行列车荷载作用起始点，以5#墩对应节点E'0为上行列车荷载作用起始点，静力加载完成后提取出全桥各节点在列车荷载不同位置时的索力和挠度值，并画出各节点在列车荷载作用下索力和挠度变化曲线。篇幅限制，仅对货车四线同时下行这种最不利情况进行分析计算。

索力变化曲线上纵坐标表示各拉索索力变化值，横坐标表示列车荷载过桥位置；挠度变化曲线上纵坐标表示主桁各节点挠度随列车荷载作用的变化值，横坐标表示列车荷载过桥位置。

规定：挠度变化值=列车过桥时主桁各节点的预拱度值-大桥完好状态下初始预拱度值

索力变化值=列车过桥时的索力值-大桥完好状态下初始索力值。

4.列车过桥时梁体挠度与索力变化

列车单机四线下行从桥梁一端一起向另一端行驶，随着车辆荷载的移动，主桁各节点的挠度也随之变化。列车荷载作用下，2#塔中间索面主跨和边跨拉索索力变化曲线分别见图1（a）、图1（b）；中间索面主跨和边跨拉索与梁体锚固点处的下弦节点挠度变化曲线分别见图2（a）、图2（b）。

列车单机四线同时下行，由图1（a）和图1（b）分析可知：

2#塔中间索面各拉索索力变化规律与列车荷载作用位置有关，列车荷载作用位置越靠近拉索与梁体锚固点处的主桁下弦节点，索力变化值越大，当正好作用在此位置时索力变化值达到整条曲线的最大值。列车距离越远，对索力的影响越小。

列车单机四线同时下行，由图2（a）和图2（b）分析可知：

当荷载运行在0#塔～1#塔之间节点位置时，E4～E6产生下挠，并出现尖点，E7～E19出现上挠，但挠度变化不明显。荷载作用在2#塔边跨节点处，边跨拉索与梁体锚固点处对应的主桁下弦节点挠度变化值出现尖点，E14产生挠度变化最大值15.099 mm，荷载继续向X轴方向移动，在2#塔主跨节点处，主跨拉索与梁体挠度锚固点对应的主桁下弦节点处的挠度明显下挠，其两侧节点产生轻微上挠。

5 结论

主梁拉索索力与主桁下弦节点挠度变化均受列车荷载作用位置的影响，随着车辆荷载作用位置靠近主桁某个下弦节点，该处主桁下弦节点挠度变化值和索力变化值也随之增大，在此处出现明显的尖点；随着车辆荷载的远离，对此处节点的影响越来越小。

参考文献

[1]曾广彬.大跨径连续梁桥施工技术[J].交通科技，2018，S（1）：1140-1142.

[2]王大宝，魏海伟.南京长江大桥动力特性试验分析[J].交通科技，2018，（3）：65-67.

作者简介：张瑜，1991.03，汉族，河北省衡水人，硕士研究生，山东公路技师学院，初级，从事工作：教师。

孔祥凯，1991.09，男，汉族，山东省曲阜人，硕士研究生，山东省交通科学研究院，助理工程师，从事工作：工程检测。

（作者单位：1.山东公路技师学院；

2.山东省交通科学研究院）