超大跨径斜拉桥受力特性分析

蒋维刚 徐利平

超大跨径斜拉桥受力特性分析

蒋维刚 徐利平

就 1 600m斜拉桥在方案试设计过程中遇到的问题进行了一些探讨,对斜拉桥跨径增大后在动力特性方面表现出与常规斜拉桥的不同进行了概念分析;此外,从静力和动力的角度分析了 1 600m斜拉桥在施工长悬臂阶段的受力情况,验证了最大单悬臂状态的施工安全性。

斜拉桥,动力特性,单悬臂阶段

0 引言

斜拉桥是一种桥面体系受压,支承体系受拉的桥梁。其桥面体系用加劲梁构成,其支承体系由钢索组成。该种桥型不仅具有受力明确、跨越能力强的特点,而且也具有很强的景观效果,能够很好的与不同的建桥环境相融合,常常能在方案设计阶段脱颖而出。

1956年,瑞典的 Strömsund桥拉开了现代斜拉桥建设的序幕,至今全世界已建成 300余座,跨径已经达到了超千米级水平,以目前我国的苏通长江公路大桥为代表(主跨 1 088m),苏通大桥的建成更是增强了一大批桥梁设计、科研人员对建造更大跨径斜拉桥的信心;在 2006年的中国香港“国际桥梁工程会议”中,丹麦的 Gimsing教授指出“由于主梁轴力、架设稳定性等方面的原因,在接下来的半个世纪里,传统的自锚式斜拉桥寻找的突破跨度在1 200m～2 000m之间”。

本文对 1 600 m的传统自锚斜拉桥进行了试设计,参考了苏通大桥相关技术标准,分析了其动力特性和施工阶段的静力行为。

1 成桥动力特性分析

大跨度斜拉桥是柔性结构,且大多为跨海大桥,桥址处自然环境特别恶劣(如风、雨),关注其自身的振动特性就显得尤为重要,本文对已建空间模型进行特征值分析,比较了在不同梁高的情况下,主跨 1 600m斜拉桥方案在成桥状态典型动力特性,见表 1。计算模型如图 1所示。为了减小风阻系数,尽量减小索塔所受的风荷载,本次索塔的截面采用多边形的形式,桥塔采用“A”形塔,主梁采用的是流线型封闭钢箱梁,采用钢材为 Q345qD,属于薄壁结构,梁高 4.5m。

表1 主跨 1 600 m斜拉桥动力特性表

《公路桥梁抗风设计规范》(下面简称抗风规范)中的简化公式为：按照抗风规范对结构进行颤振稳定性检验,颤振稳定性系数If为：

其中,[Vcr]为结构的颤振检验风速;ft为结构的扭转基频;B为桥面全宽。

由此可计算得 If=19.8＞7.5,根据抗风规范第 6.3.3可知,应对主梁进行气动选型,通过节段模型试验、全桥模型试验和详细的颤振稳定性分析进行详细的试验,必要时应采取振动控制技术。

从表 1中可以看出：主跨 1 600m的斜拉桥的一阶振动形式表现为侧弯,这样的振动形式不同于现已建的千米级以下的斜拉桥,这主要是由于主跨跨径增加后,随着桥跨不断增大,桥梁的宽跨比越来越小,其侧向刚度降低的缘故。

无论是一阶振动还是二阶振动,其振动周期都是随着梁高的增加而减小,但减小的幅度不大,对应的周期都比较接近。由此可知从动力特性的角度出发,主梁的高度在满足方便施工的情况下是可以自由选择的。

2 施工阶段分析

在斜拉桥的设计过程中除了对其进行成桥状态的受力分析外,还须对其进行施工的各阶段进行分析,以保证施工的可行性,这一点在国内外规范中都有体现;对于超千米级跨径的斜拉桥来说,其施工阶段的可行性分析更为重要,本次概念设计中主要对其施工最大单悬臂阶段进行了模拟分析,通过分析探索在极限风荷载作用下,主跨 1 600m这样的超千米级斜拉桥的最大单悬臂施工能否按照常规的斜拉桥施工来进行。

对于主跨 1 600m的斜拉桥,其最大单悬臂施工阶段的悬臂长度达到 792m(苏通大桥施工阶段最大单悬臂长度为 536m),控制最大单悬臂阶段的荷载主要是极限风荷载,索塔、主梁尺寸同前。

为了研究最大单悬臂阶段在风荷载下的动力振动特性,首先就得掌握该阶段结构的整体振动特性,单悬臂阶段的振动特性如表 2所示。

由此可知施工阶段首先出现的为侧弯振动,应采取相对应正确的抗风措施。

表2 最大单悬臂下的动力特性

3 结语

本文对主梁采用封闭钢箱梁主跨为 1 600m的斜拉桥进行了成桥和最大单悬臂阶段的结构分析,得到了一些有益的成果：

对于主梁采用封闭钢箱梁的超千米级斜拉桥,通过计算分析可知：控制主梁截面设计的荷载工况为极限横向风,在此工况下主梁的角点应力达到 329MPa,按照设计要求采用Q420的钢板是可以满足设计要求的,索塔的最大拉、压应力分别为 1.3 MPa,27MPa,按照规范要求混凝土标号需用到 C70。

从结构的动力特性分析结果可知,采用漂浮体系后结构属于长周期结构,对抗震是比较有利的,但和一般的斜拉桥是有区别的,结构首先出现的振动形式为侧弯的形式,这表明随着桥梁主跨跨度的增加,结构的侧向刚度逐渐降低,成为设计的薄弱环节;另外参考相关文献可以知道对主跨 1 200m的斜拉桥结构,其第一阶振动形式也表现为侧向弯曲,而我国建设的苏通长江公路大桥(1 088m)其一阶振动形式表现为纵漂,由此我们可以找到一个规律：在今后建造更大跨径斜拉桥时要特别注意其侧向刚度的设计,侧向的振动会对结构带来一系列的问题,如钢箱梁的疲劳问题等。

[1]项海帆.21世纪世界桥梁工程的展望[J].土木工程学报,2000(3)：1-6.

[2]王伯惠.斜拉桥增大跨径的技术措施[J].公路,2003(3)：57-65.

[3]王伯惠.斜拉桥的极限跨径[J].公路,2002(4)：38-48.

[4]王伯惠.斜拉桥的极限跨径[J].公路,2002(3)：46-53.

[5]王伯惠.斜拉桥增大跨径的技术措施[J].公路,2003(2)：1-13.

[6]朱琦雨.斜拉桥跨度的演变[J].桥梁,2006(8)：67-70.

[7]徐利平.超大跨径斜拉桥的结构体系分析[J].同济大学学报,2003(4)：400-403.

[8]苗家武,裴岷山,肖汝诚,等.苏通大桥主航道总体静力分析[J].公路交通科技,2006(2)：64-67.

[9]王政兵,龚志刚.跨径 1 600m钢斜拉桥的可行性[J].世界桥梁,2005(1)：5-10.

[10]朱 斌,林道锦.大跨径斜拉桥结构体系研究[J].公路,2006(6)：97-100.

[11]周 艳,宋君超.斜拉桥损伤分析[J].山西建筑,2009,35(1)：340-341.

Analysis on mechanical characteristics of long-span cable-stayed bridge

JIANG W ei-gang XU Li-ping

This paper discusses p roblems encountering in scheme design process of 1 600m cab le-stayed bridge,analyzes dynamic features difference between common cable-stayed and cab le-stayed bridge after increasing span.Moreover,it analyzesmechanical condition of 1 600m cable-stayed bridge at long cantilever construction phase from static and dynam ic aspects,and proves the construction security under the largest single cantilever state.

cable-stayed bridge,dynamic characteristics,single cantilever phase

U 448.27

A

1009-6825(2011)03-0161-02

2010-09-26

蒋维刚(1985-),男,助理工程师,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200000

徐利平(1964-),男,教授级高级工程师,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200000