大跨度斜拉桥结构优化设计

刘晓娟　张胡澳

【摘要】随着经济与技术的发展，大跨度桥梁在公路建设中的地位也愈发重要，目前大跨度桥梁结构体系主要有悬索桥、斜拉桥。限制大跨度桥梁的发展主要有两个因素：新型材料与结构体系优化，由于新型材料的发展不能满足桥梁发展的需求，所以对大跨度桥梁结构系统进行优化尤为重要。

【关键词】大跨度桥梁;特性分析;优化措施

前言

斜拉桥是现代大跨度桥梁的主要形式之一，尤其是在跨越峡谷、江河等难以修建桥墩或者由于地质原因不适合修建地锚的地方，斜拉桥成为首选桥型。斜拉索受拉、塔索受压，充分发挥了钢材的抗拉性能与混凝土的抗压性能，但是由于斜拉索是柔性结构，具有柔度大、质量轻、阻尼小的特点，随着斜拉桥跨度的增大，斜拉索也随之增长，极易在环境荷载作用下发生参数振动，如破坏锚具、拉索疲劳破坏等严重影响桥梁结构的安全性和耐久性。本文以某特大桥为工程背景，通过分析其动力特性，提出优化措施。

1 动力特性分析

该特大桥主桥为52m+105m+320m+105m+48m的五跨双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主桥采用半漂浮体系，主梁为双向预应力混凝土结构，两索塔高度分别为204.8m、200.9m，索塔上部采用H型构造、下部采用柱形构造。

采用midas建立有限元模型，主梁采用单主梁模型脊梁模式，桥塔横梁采用空间梁单元进行模拟，拉索采用分段直杆法进行模拟，拉索的垂度效应引起的非线性问题在静力分析时由等效弹性模量解决，由于对动力特性的影响不大，故可忽略，将以线弹性单元模拟拉索。全桥成桥动力有限元模型如图1所示。

（2）频率比的影响

假定索的初始扰动W1（0） = 10-4m，桥面质量块的初始扰动为X（0） = 0.1m，暂不考虑拉索以及桥面阻尼的影响，做出拉索X激励频率与拉索频率在[0.2，3]内拉索的跨中振幅变化，如图2所示，令ωr=ω3/ω2：

分析上图可以得到，在本文假定条件下：斜拉索主共振振幅峰值发生在ω3/ω2=1.02处，振幅为3.5627 m亚谐波参数共振振幅峰值发生在ω3/ω2=2.083处，振幅为5.8401m。

（3）位移时程分析

桥面质量块的初始扰动为X（0） = 0.1m，拉索初始扰动W1（t）=0.0001m，暂不考虑阻尼，做出拉索X当ω3/ω2=1、ω3/ω2=2时的拉索时程响应曲线以及桥面时程响应曲线如图3、4所示：

从以上索-桥耦合的时程位移曲线分析可知，存在如下现象：

（1）耦合振动中，在ω3/ω2=1、ω3/ω2=2时，拉索、桥面质量块振幅均呈现出“拍”弦向，且响应振幅此消彼长，说明在参数振动过程中能量在拉索与桥面之间相互转化，若是无阻尼系统应符合能量守恒定律;

（2）在索-桥耦合振动中，拉索相对于初始扰动，响应振幅较大，但是幅宽较小，桥面相对于初始扰动幅值变化不大。

（3）由上图可知，虽然不计算阻尼，但是拉索和桥面的最大振幅同样会随时间增加而减小，且拉索幅宽增大。这是由于在索-桥耦合振动中，拉索、桥面能量相互传递，且拉索拉索最大位移处对于桥面质量块最小位移处，于是在耦合振动过程中，拉索与桥面质量块最大振幅逐渐减小，最小振幅逐渐增大，能量依旧守恒。

2 优化措施

（1）局部优化

对于大跨度桥梁、能够进行局部优化的方面有很多。如加劲梁的横截面积、主缆的动力、桥墩及基础等。首先对加劲梁的横截面积优化的方向很清晰、目前混凝土梁由于诸多明显的缺点，已基本退出历史舞台。故而采用钢制梁是目前最主流也是最优化解。其次是对于主缆的动力，由于斜拉桥的跨度较大，桥梁的桥面较软，阻尼值也较低，其主要通过缆索进行支撑，一旦发生较大风时，容易在主梁与拉索间产生耦合振动，因此优化主缆动力不仅能够提升斜拉桥承重，还能很好的消除桥梁的安全隐患。桥梁的墩台和基础对于桥梁的重要性不言而喻。基础能够决定桥梁的稳定性，也能够为增加桥梁使用寿命起到至关重要的作用。

（2）整体优化

相比小跨度桥梁，大跨度桥梁的结构更为复杂，变量也更多，并且绝大部分都是高次超静定的结构，因此在设计的过程中很难对桥梁的信息进行全面地掌握。要对大跨度桥梁的整体进行优化，需要考虑的因素更多。需要设计人员尽可能的考虑全面。比如桥梁的整體造价预算、预计使用年限、施工的可行性、观赏性等。在预算范围内进行合理的设计、是保证桥梁安全和经济的核心。

（3）上部结构优化

在设计初期，通过优化上部结构最大程度上提升桥梁性能。在进行桥梁上部结构优化时，承载能力、施工工艺的熟练度、高跨比、船只行驶条件等都是都是需要考虑的因素。不仅如此，由于大跨度斜拉桥的非线性条件以及收缩徐变受到的影响加大，还需对索力的受力和位移进行优化。面对日益增加的车流及装载量，承载能力是上部结构优化的重要指标之一。加大的承载能力的建设力度，才能保证桥梁具有良好的稳定性，进而才能使施工工艺得到进一步的优化。大跨度桥梁通常是建立大水域上方，保证了水上交通便利的同时，不可避免的要考虑到大吨位轮船的通行高度，合理的高跨比也是需要优化的点。

（4）桥梁下部结构优化

下部结构的优化设计的目的主要是为了满足上部结构的支撑需求，实现上下部在外形结构、功能分布上的协调统一。下部结构主要考虑的是合适的桥墩高度以及桥墩的类型。具有自重轻、易施工、稳定性能强等优点的柱式墩应用最广。大跨度斜拉桥考虑通航条件通常会采用高墩的形式，因此要严格计算其最大承载力和分析其极限值，这将对桥梁整体稳定性起到至关重要的作用。由于相邻高墩之间的稳定性是相互制约的，设计时要选择其中一个甚至是全桥的高墩进行全面的研究分析，如要确定其正常荷载以及临界条件下的荷载稳定性。、

3 结语

随着我国经济的不断发展，交通行业在社会经济中有着不可或缺的作用。这其中，桥梁工程的快速发展更是我国经济发展的有力推手。本文通过对目前常见的大跨度斜拉桥动力特性进行了分析，同时有针对性地从局部到整体、从上部到下部综合全面的提出了桥梁的优化措施，希望能为大跨度斜拉桥的设计提供一定的参考。

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