三塔悬索桥合理缆索体系的选择.docx

三塔悬索桥合理缆索体系的选择 目前，大口径悬索桥主要采用单一或三跨桥系统。近年来，三塔悬索桥在国内外大走廊桥梁的设计中多次提出，并在台州大桥项目和马鞍山大桥项目中应用。与传统的双跨悬索桥相比，三塔双跨悬索桥的主要跨距、主缆的张力和锚规模都显著降低，降低了整体成本。从结构性能来看，由于中间桥塔缺乏有效的纵向限制，三塔悬索桥的结构刚性低于塔悬索桥。为了提高多塔悬索桥的结构刚性，国内外科学家在提高中间桥塔的刚性和调整电缆系统方面对多塔多段悬索桥的静力和动力特征进行了分析和研究，并提出了一些设计方案。 当前悬索桥最常见的缆索布置形式是平行单缆体系即两个缆索面相互平行,每个索面只有一根主缆.已有研究表明:对于多塔悬索桥,采用平行单缆布置形式时主梁挠度大,自振频率小,不能使结构获得较大的竖弯和扭转刚度.为此,国内外学者从静力和动力性能角度进行了多塔悬索桥的理想缆索体系的研究,当中认为比较理想的缆索布置形式主要有空间缆索体系和平行双缆体系两种.采用空间缆索布置形式时,两根主缆的横向间距在跨中处最大,然后在向桥塔塔顶过渡的过程中逐渐减小,因而所有的吊杆都是倾斜的,而且倾斜角度均不相同,这样由间距变化的主缆和不同倾斜角的吊杆就组成了三维缆索体系.当两根塔柱的塔顶间距足够小时,其顶端可以合并,此时桥塔在横桥向呈A形,塔顶的两根主缆可以共用一个鞍座.这种缆索布置形式目前在一些跨度相对较小的自锚式悬索桥中有较多的运用,但在地锚式悬索桥中较为少见.所谓平行双缆体系则是指两侧的索面相互平行,每个索面均由两根垂度不同但都支承在桥塔顶上的主缆组成,两根主缆之间采用竖直吊杆联系,上缆除了能约束桥塔顶部纵向位移之外还通过竖直吊杆与下缆连接起来共同承担结构的恒载和交通荷载.研究表明:在一跨满布活载情况下,两根主缆的总水平力可以保持不变,塔顶不产生纵向位移,对相邻跨也不产生影响,因此该体系不要求中塔提供纵桥向的约束作用,可以采用常规悬索桥的桥塔型式.基于这一特性,带来了结构的经济效益,更由于在活载作用下不增加索的拉力,这就为修建多跨悬索桥提供了有利的条件. 与双塔悬索桥相比,结构刚度小,三塔悬索桥在风荷载作用下的结构稳定性将更加严峻.遗憾的是,迄今为止对三塔悬索桥抗风性能的研究非常少.为了探索理想的三塔悬索桥的缆索体系,以解决其刚度不足问题,笔者以在建主跨为1 080 m的三塔双跨悬索桥——泰州长江公路大桥为工程背景,分别试设计了具有空间缆索和平行双缆体系的两座方案桥,采用三维非线性空气静力和动力稳定性分析方法,分别对其动力特性、空气静力和动力稳定性进行了分析和比较,并提出了具有良好抗风稳定性的三塔悬索桥缆索体系. 1 单-桥分析 1.1 主跨三塔悬索桥 泰州长江公路大桥(以下简称实桥)位于长江的泰州至常州段,居于润扬长江公路大桥和江阴长江公路大桥之间,桥跨布置为(390+1 080+1 080+390) m的两主跨三塔悬索桥(图1).加劲梁采用扁平状流线型钢箱梁,梁宽39.1 m,桥面中心线处梁高3.5 m.索塔横桥向采用门式框架结构,两边塔为混凝土塔,中间塔为钢塔,两个边塔在纵桥向为单柱形结构,而中间桥塔则采用人字形结构.主缆矢跨比为1/9,主缆横向间距为35.8 m,吊杆间距为16 m.该桥的材料与截面特性参数见表1. 1.2 a型桥塔的结构 在实桥基础上,试设计了具有空间缆索体系的三塔悬索桥,结构设计方案概述如下:三个桥塔均为横桥向A型桥塔,桥塔的材料和截面特性均与实桥的混凝土边塔一致;主缆在立面上投影的矢跨比为1/9,在水平面上投影的矢跨比为17.9/1 080,投影曲线均为二次抛物线,吊杆间距与实桥一致;加劲梁、主缆和吊杆的材料、截面特性均与实桥相同,空间缆索体系方案桥的三维有限元模型如图2所示. 1.3 实桥结构和结构 平面双缆体系三塔悬索桥的方案设计如下:主跨为两根缆索,分为上缆和下缆,在边塔处,上下缆合二为一,边跨不设吊杆和加劲梁;上缆矢跨比为1/20,下缆矢跨比为3/20,下缆垂点高程与实桥一致即71.5 m,上下缆矢高差为108 m,成桥线形均为二次抛物线;三个桥塔的材料和截面特性与实桥的混凝土边塔一致;缆索截面确定时,取上缆的恒载分配系数为0.2,安全系数为2.7,下缆的恒载分配系数为0.8,安全系数为2.5,活载按公路-I级车道荷载考虑,单根钢丝抗拉强度为1 670 MPa,防护重量取主缆自重的5%.经计算,下缆的面积为0.180 35 m2,上缆的面积为0.177 6 m2,两者之和与实桥的主缆面积相比增大了25%,这与吉姆辛所说的增大20%基本相符.平面双缆体系方案桥的三维有限元模型如图3所示. 2 空间缆索体系的影响 采用基于子空间迭代法的动力特性有限元分析程序,分析了上述三座桥梁成桥状态的前20阶振型,当中桥面主梁的主要振型情况见