钢索塔纵向加劲肋参数研究

黄本才，栾好发，高 峰

（吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

0 引言

在20世纪60年代以前，较大跨度的悬索桥和斜拉桥索塔几乎全是用钢材来制造，后来由于高塔模板技术和混凝土浇注技术的不断发展，世界各国大部分的悬索桥和斜拉桥多采用混凝土索塔。但日本是一个例外，修建的悬索桥和斜拉桥，多采用钢索塔。因为日本是地震频繁出现的国家，钢结构对抵抗地震比较好。我国修建的斜拉桥除香港汀九桥和南京长江三桥外也几乎都采用混凝土索塔。钢索塔在我国处于刚刚应用时期，我国现行钢桥设计规范已经不能满足钢索塔的有关规定，因此有必要展开对钢索塔的详细研究，为钢索塔的应用提供一些有意义的参考。

本文结合具体的工程，对钢索塔竖向肋板的厚度、间距和宽度进行研究，计算不同厚度、不同间距和不同宽度竖肋板对钢索塔第一类稳定的影响。对于钢结构来说，在决定承载力方面，稳定性比强度更具有决定性，对以受压为主的高耸钢索塔来说更是如此，钢索塔构造优化实质就是分析构造对钢索塔稳定的影响[1-7]。

1 模型建立

1.1 整体模型的建立

以国外一座钢索塔斜拉桥为背景，进行钢索塔的受力分析计算。该桥的索塔构造和整体布置见图1、图2。

图1 桥塔布置图

图2 双塔三跨斜拉桥

本文对主塔施工完成（裸塔状态）和主梁为最大悬臂状态时这两种工况进行计算分析。计算荷载包括结构的自重、施工荷载。

1.2 索塔模型的建立

图3 索塔有限元模型

2 计算结果及分析

《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）中规定工字型和箱形截面受压构件的腹板，高厚比不满足要求时，可用纵向加劲肋加强，并规定纵向加劲肋在腹板两侧成对布置，肋板宽度不应小于10倍腹板厚度，肋板厚度不应小于0.75倍腹板厚度。

索塔塔壁上布置的竖向加劲肋很难满足上述要求，索塔塔壁上布置的竖向加劲肋只能在内部布置，而且一般要布置多道纵向加劲肋。布置了多道纵向加劲肋，纵向加劲肋的间距、厚度、宽度对索塔第一类稳定的影响都需要进行相关的研究。

2.1 肋板间距对钢索塔第一类稳定的影响

本桥钢索塔截面的尺寸，很难把肋板的间距在索塔横截面的长度方向和宽度方向调整为一致，以间距的代表值作为参考，间距的代表值分别取0.4m、0.6m、0.8m、1m、2m。0.4m代表横截面长度方向有4道纵向肋板，宽度方向有3道纵向肋板；0.6m代表横截面长度方向有3道纵向肋板，宽度方向有2道纵向肋板；0.8m代表横截面长度方向有2道纵向肋板；宽度方向有1道纵向肋板，1m代表横截面长度方向和宽度方向各有1道纵向肋板；2m代表横截面长度方向和宽度方向都没有纵向肋板。对两种工况分析获得一阶失稳模态和相应的稳定安全系数。发生一阶失稳的部位集中在塔底处的肋板或者塔底附近的壁板。工况1、工况2相应的稳定安全系数及肋板间距对稳定安全系数影响的变化趋势见图4。

图4 稳定安全系数—肋板间距变化趋势图

从图4看出，工况1的稳定安全系数变化剧烈，工况2的稳定安全系数随肋板间距的增加而减小。综合工况1和工况2，肋板间距取0.6m比较恰当。即沿钢索塔横截面长度方向和宽度方向分别布置三道、两道肋板比较恰当。

2.2 肋板厚度对钢索塔第一类稳定的影响

肋板的厚度依次取15mm、18mm、19mm、20mm、22mm、24mm和30mm，按两种工况进行分析，获得相应的一阶失稳模态和相应的稳定安全系数。工况1发生一阶失稳的部位集中在塔底处的肋板和塔顶附近的横隔板。工况2发生一阶失稳的部位集中在塔底处的肋板和塔底处附近的横隔板。工况1、工况2相应的稳定安全系数及肋板厚度对稳定安全系数影响的变化趋势见图5。

从图5看出，当肋板厚度从20mm降低为15mm时，即肋板厚度与壁板的厚度的比值从0.91降低为0.682，索塔的稳定安全系数急剧降低，与《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）中规定箱形截面受压构件的纵向加劲肋厚度不应小于0.75倍腹板厚度保持一致。综合工况1和工况2，肋板厚度取20mm。

图5 稳定安全系数—肋板厚度变化趋势图

2.3 肋板宽度对钢索塔第一类稳定的影响

肋板宽度依次取0、0.1m、0.2mm、0.25m、0.3m、0.35m和0.4m，按两种工况进行分析。当肋板宽度较小时，工况1和工况2的失稳表现为塔底附近的壁板失稳；肋板厚度较大时，工况1的失稳表现为塔顶附近的横隔板失稳，工况2的失稳表现为塔底肋板失稳。工况1、工况2相应的稳定安全系数及肋板厚度对稳定安全系数影响的变化趋势见图6。

图6 稳定安全系数—肋板宽度变化趋势图

从图6看出，当肋板宽度从0增加到为0.25m时，工况1和工况2的稳定安全系数增加很快，当大于0.25m时，工况2的稳定安全系数增加趋于平缓，与《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）中规定箱形截面受压构件的纵向加劲肋的宽度不应小于10倍腹板厚度要求基本一致。综合工况1和工况2，肋板宽度取0.3m比较恰当。

2.4 肋板厚度与宽度的比值对钢索塔第一类稳定的影响

为了得到肋板宽度、厚度同时变化对钢索塔稳定的影响，进行了以下分析：分别取肋板厚度与壁板厚度的比值m=0.682、m=1、m=1.09，肋板的宽度0.1m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m，获得工况1、工况2的稳定安全系数。工况1、工况2相应的稳定安全系数及肋板宽度、厚度对稳定安全系数影响的变化趋势见图7、图8。

图7 工况1稳定安全系数—肋板宽度、厚度变化趋势图

图8 工况2稳定安全系数—肋板宽度、厚度变化趋势图

从图7看出，m取相同的值，稳定安全系数随肋板宽度的变化呈波形，体现了肋板宽度、厚度合理搭配的重要性；当肋板宽度取0.31m时，三条曲线基本相交与一点，肋板厚度三个不同值对索塔稳定几乎没有影响；肋板宽度取0.31m，与《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）关于肋板宽度的规定基本一致。从图8可以看出，m取相同的值，稳定安全系数随肋板宽度的增长而增长；在相同肋板宽度的条件下，m取1时的稳定安全系数远大于m取0.682时的值；m取0.682时，随肋板宽度的增长，稳定安全系数变化不大，并且比较小，在设计中意义不大；在相同肋板宽度的条件下，m取1时的稳定安全系数几乎和t取1.09时的值相同；m取1和m取1.09时，肋板宽度从0.1m增长到0.25m时，稳定安全系数变化趋势明显，肋板宽度从0.25m增长到0.4m时，稳定安全系数变化趋势减缓，可以得出肋板宽度的合理取值取值范围为0.25～0.4m，也与《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）关于肋板宽度的规定基本一致。

3 结语

本文结合具体工程，对钢索塔构造进行优化分析，结果表明：在钢索塔的设计时，肋板宽度的取值以《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）关于肋板宽度的规定为参考比较合理；肋板厚度等于或者略小于壁板厚度比较合理；当肋板宽度较小，增加肋板厚度，难以获得较大的稳定安全系数；当肋板宽度增加到一定程度时，靠增加肋板宽度来获得较大的稳定安全系数不经济。

[1]（日）伊腾学，川田忠树，等.长大桥梁建设的序幕[M].刘建新，和丕壮，译.北京：人民交通出版社，2002.

[2]戴永宁.南京长江第三大桥钢索塔技术[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]刘士林，梁智涛，候金龙，等.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]项海帆.中国土木工程学科的发展战略（建筑、环境与土木工程学科发展战略研讨会特邀报告）[R].北京：国家自然科学基金委员会，2004.

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[7]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].