葛 娟
双链悬索桥的吊杆长度计算方法分析
葛 娟
结合工程实例,对节线法进行计算原理分析,并且利用软件 MIDAS作为计算平台,对双链悬索桥的吊杆长度进行了计算,得出计算结果与设计及实际成桥状态下的吊杆长度一致的结论。
双链悬索桥,节线法,初始平衡状态,吊杆长度
0 引言
随着我国基础设施建设的飞速发展,桥梁建设的变化也是日新月异,尤其是随着高强度钢丝材料的广泛应用,作为大跨度的桥梁结构形式,悬索桥的数量与跨度均显示出逐年增长的趋势。目前,地锚式单链悬索桥的结构研究已经趋于成熟,而在一个吊杆平面内具有两根主缆的双链悬索桥因其复杂的结构形式,研究文献相对较少。本文主要对节线法进行计算原理分析,并且利用大型软件MIDAS作为计算平台,对双链悬索桥的吊杆长度进行计算,计算结果与设计及实际成桥状态下的吊杆长度一致。
1 悬索桥
悬索桥的承重结构主要为主缆、塔桥及锚碇构成的大缆系统,其次为加劲梁,吊索用来连接主缆和加劲梁,主缆为几何可变体系,主要靠其自重及恒载产生的初始拉力及改变几何形状来获得结构刚度,以抵抗荷载产生的变形,缆索受力呈明显的几何非线性性质。
2 双链悬索桥
2.1 双链悬索桥特征
双链悬索桥又名双索悬索桥,是在一个吊杆平面内设有两根主缆的悬索桥,上下主缆在全跨范围内均匀布置有吊索吊拉桥面加劲梁,相比单链悬索桥具有较大的刚度,对非对称荷载的适应性较强。因为存在上下双链吊杆,突破了悬索桥单链的传统模式,因此双链悬索桥常作为景观桥建造。
2.2 工程背景
某双链单跨悬索桥主索跨度 210m,边跨跨度 65m;桥面系采用钢桁架梁,桥面横梁采用Ⅰ45a型钢(Q 235),纵梁采用[25b型钢(Q 235),桥面板采用10mm厚Q 345钢板;人行道板采用6mm厚花纹Q235钢板;塔架采用C 30钢筋混凝土结构,塔架柱截面尺寸为1.5m(横桥)×1.8m(顺桥)。双链悬索桥示意图如图1所示。
3 M IDAS有限元分析
3.1 理论分析
悬索桥与一般中小跨径桥梁的区别就是悬索桥的自重和大部分施工荷载主要由主缆来承担。特别是成桥后在恒载作用下主缆和吊杆的张力、桥形应与设计目标一致。悬索桥的主缆是变形性很大的承重构件,施工过程中主缆和加劲梁的几何形状变化非常大,所以进行悬索桥设计时,要做逆施工阶段分析(倒拆分析),为了做考虑几何非线性的倒拆分析还需要做自重荷载下的初始平衡状态分析。
悬索桥在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态,在满足设计要求的垂度和跨径条件下,计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件,所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。
3.2 节线法
节线法采用了日本Ohtsuki博士使用的计算索平衡状态方程式,是利用桥梁自重和主缆张力的平衡方程计算主缆坐标和主缆张力的方法,本文利用主缆坐标进而得到各根吊杆的长度。悬索桥的初始平衡状态分析阶段是以悬索桥的基本假定为基础,利用节线法来计算空缆线形的过程,节线法基本假定如下：
1)吊杆仅在横桥向倾斜,垂直于顺桥向。2)主缆张力沿顺桥向分量在全跨相同。3)假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状,而非抛物线形状。4)主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒荷载等为已知量。
3.3 建立模型
利用MIDAS软件里的悬索桥建模助手建立双链悬索桥模型。因为此双链悬索桥为景观桥,主缆上链只承受活载作用,因此在建立模型时,采用半跨加节点荷载的形式来模拟双链悬索桥的受力状态,生成初步的双链悬索桥平衡体系,继续利用悬索桥分析控制功能进行精确的初始平衡状态分析,通过位移形状和加劲梁的弯矩分布判断结构是否处于初始平衡状态,为了使加劲梁的弯矩分布更加均匀,可以通过调整吊杆张力和施工预拱度的方法来进行模型的调整,最终建立的双链悬索桥计算模型如图 2所示,吊杆分布如图 3所示。
3.4 计算结果
经过迭代计算,建立的双链悬索桥计算模型达到平衡状态,得到收敛后的主缆坐标,而吊杆与主缆相交点的坐标和吊杆与加劲梁相交点的坐标之差即是吊杆的长度,吊杆坐标计算结果如表1所示(以半跨为例)。
表1 吊杆坐标 m
计算结果与桥梁设计目标一致,与施工完成后成桥阶段的吊索长度相符,表明本文计算结果正确可信。
4 结语
双链悬索桥相对于传统的单链悬索桥来说,结构复杂,缆索受力不清晰,初始平衡状态较难得到。本文通过对节线法计算原理的分析,借助软件计算平台,迭代计算得到某双链悬索桥的初始平衡状态,进而求出桥梁成桥状态需要的吊索长度,通过与设计目标及施工完成后的成桥状态进行对比,计算结果正确。通过上述计算,可得出以下结论：1)节线法的计算结果接近结构实际成桥状态,计算结果精确度较高。2)节线法计算结果的精准依赖于初始平衡状态与实际成桥状态的叠合程度,但是对于复杂的悬链结构,调整到一个与实际成桥状态完全叠合的初始平衡状态并不容易,需要经过很多次的迭代,这将严重影响工作进度,因此节线法的完全应用还需要借助于具有强大迭代功能的大型计算软件,从而节省工作时间,提高效率。
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Analysis on suspender length calculationmethods of double-chain suspension bridge
GE Juan
Based on project case,itanalyzes the calculationmethods of section linemethod,usesMIDASas calculating platform,calculates the suspender length of doub le-chain suspension bridge,and finds out that the calculation resu lt is in accordance with actual suspender length under bridge forming condition.
double-chain suspension bridge,section linemethod,initial equilibrium state,suspender length
U 448.25
A
1009-6825(2011)09-0191-02
2010-12-05
葛 娟(1981-),女,助理工程师,中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,陕西西安 710065
