大跨度桥梁结构空间受力特性研究

赵 浩

0 引言

斜拉桥以其造型美观、跨越能力强、跨径布置灵活、施工干扰少、力学性能好、材料费用较低、刚度较好、抗风能力强等优点，在大跨度桥梁建设中被广泛应用，成为一种最为常用的结构。近年来，随着新材料的开发，电子计算机软硬件的发展，施工技术的进步，斜拉桥不断向大跨径、更轻巧方向发展。被称为世界第一高桥的法国塔恩河河谷Millau高架桥，其大桥斜拉索高处高出地面1 125 ft，2008年兴建的双向三线高架斜拉桥中国香港昂船洲大桥，主跨1 018 m，同年兴建的双塔斜拉桥苏通长江大桥，主跨1 088 m。

1 大跨度斜拉桥梁结构特点

斜拉桥是一种将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的桥梁，其结构体系由承压的索塔、受拉力的斜拉索、承弯的主梁组成，可以看作是用拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。作为一种拉索体系，斜拉桥比梁式桥具有更大的跨越能力，是大跨度桥梁最主要的桥型。目前所采用的索塔形式有A形、倒Y形、H形、独柱几种，主梁一般采用混凝土结构、钢混结构或钢结构，索塔大多采用混凝土结构，斜拉索采用高强材料，如高强钢丝或钢绞线制成。斜拉桥的主要荷载并非桥梁上面的汽车和火车，而是其自重，主要是主梁。其荷载传递途径主要是利用锚固在主梁和索塔上的斜拉索，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传递至地基。这种斜向产生的巨大的水平分力依靠塔的自锚固体系得以平衡，使斜拉索承受巨大的拉力，塔梁承受巨大的压力，充分发挥钢材受拉和混凝土受压的特性，大幅度增加桥梁的跨越能力，降低了主梁的弯矩值。

2 大跨度斜拉桥梁结构空间受力特性

斜拉桥是塔、梁、拉索三种基本构件组成的桥梁结构体系，通常表现为柔性受力特性，同连续梁和桁架梁结构相比，受几何非线性影响比较突出，特别是对大跨度斜拉桥来说，由于斜拉索较长，会因自重产生较大的垂度，其伸长量与索内拉力并不成正比关系。当荷载作用于斜拉桥结构某节点时，节点将发生位移，而荷载也会发生移动，这种位移使荷载对节点相连接的杆件作用方向发生改变的同时，还改变了荷载对结构上其他节点产生的弯矩。总的说来，这种几何非线性静力特性来源于三个方面:斜拉索垂度效应、轴力与弯矩耦合产生的梁—柱效应、大变形产生结构几何形状变化引起的非线性效应。

2.1 斜拉索垂度效应

斜拉索是一种柔性构件，受其自重和轴力的影响，呈现出悬链线线形特征。斜拉索的轴向刚度受垂度的影响而发生改变，而其垂度则取决于斜拉索张力。因此，斜拉索张力和斜拉索变形之间，存在着明显的几何非线性特征。在荷载作用下，斜拉索在受力后产生的应变可以认为是线弹性的，受斜拉索材料弹性的控制;斜拉索中各股钢丝在斜拉索荷载作用下会产生相对运动，使斜拉索各股钢丝重新排列而变得更为紧密;此外，斜拉索中除了产生应变外，索垂度还会发生变化，垂度发生的变化同材料应力无关，而是纯粹的几何变化所导致的，受到索内张力、索长和索自重分布的影响。斜拉索所产生的这种几何非线性变化因斜拉索自重和水平投影长度的增加而增加，随斜拉索预应力的增大而减小。这种斜拉索所产生的非线性效应，在大跨度斜拉桥梁的全桥非线性效应中占有极大的比重。其应力水平越低，斜拉索弹性模量损失就越多，所以应当尽可能的保证斜拉索在恒、活载作用下处于较高的应力水平，从而在充分应用材料的基础上，减小斜拉索垂度效应。

2.2 梁—柱效应

胡克定律是力学基本定律之一，适用于一切固体材料的弹性定律，即在弹性限度内，物体的形变与引起形变的外力成正比。但是，即便在构件满足胡克定律的情况下，斜拉桥各构件也会呈现出几何非线性受力特性，这主要是因为斜拉索拉力使主梁和桥塔等构件处于弯矩和轴力的耦合作用下的原因。在轴向力的作用下，主梁和桥塔等构件的横向挠度会引起附加弯矩，并对轴向刚度的大小造成影响，从而使叠加原理不再适用。但是，如果梁、柱等构件在承受着一系列横向荷载和位移作用时，在轴向力保持不变的情况下，所承受的横向荷载和位移作用则是可以叠加的。因此，可以将轴向力看作是影响主梁和桥塔等构件横向刚度的一个参数。

对梁—柱效应几何非线性受力特性进行分析的经典方法是基于有限元离散化观点的稳定函数法，目前这种方法在斜拉桥的结构分析中得到了广泛的应用。

2.3 大变形效应

当斜拉桥在承受荷载时，其上部结构，包括斜拉索、主梁、桥塔等上部结构的几何位置都会发生显著的变化。这种变化从空间有限元模型分析法的角度来看，各节点坐标在荷载作用下，随荷载增量影响变化较大，同时，其各单元的长度、倾角等几何特性也会相应的发生较大的改变，整个结构的刚度矩阵成为几何变形的函数，荷载和位移不再保持线性特征，内力和外荷载之间也不再是正比关系，整个结构呈现出几何非线性特征。受结构大变形效应的影响，产生了与荷载量并不成正比的附加应力。不过，如果将荷载增量加载细分到足够程度，使荷载迭代次数足够多，结构大变形所引起的几何非线性特征，可以用分段线性特征来代替考虑。

3 结语

通过对大跨度桥梁结构空间受力几何非线性特征的分析，包括斜拉索垂度效应、轴力与弯矩耦合产生的梁—柱效应、大变形产生结构几何形状变化引起的非线性效应，可以看出:

1)大跨度斜拉桥梁几何非线性受力特征对桥梁的竖、横向刚度，尤其是横向刚度影响不大;2)大跨度斜拉桥梁的大变形效应主要对主梁和索塔竖杆轴力、竖向弯矩有一定影响，而对桥梁大部分杆件的恒载内力影响较小;3)由于轴力与弯矩耦合会产生梁—柱效应和大变形效应，所以可以提高桥面板抗性，如钢正交异性板等，从而提高桥梁的横向刚度，分担主梁弯矩效应，降低主梁纵向弯矩，降低主梁纵、横梁所受的内力，并改善索塔的受力状况，降低其纵向弯矩以及由主塔荷载所引起的横向弯矩和轴力，但是这种方法对于主梁所受的剪力分担作用并不会很明显。

总之，目前大跨度桥梁在我国经济建设和人民生活中占据了越来越重要的地位，加强大跨度桥梁结构空间受力特性的研究，对于提高大跨度桥梁的安全性和稳定性有着重要意义。

［1］ 吴 冲.现代钢桥［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 李传习，夏桂云.大跨径桥梁结构计算理论［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］ 李国平.预应力混凝土结构设计原理［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］ 杨 琪，黄建跃.大跨度桥梁空间几何非线性仿真分析的研究［J］.中南公路工程，2005(1):18-24.