三塔悬索桥中塔结构选型分析

三塔悬索桥作为一种新型的桥梁体系,结构受力特征与两塔悬索桥显然不同.三塔悬索桥整体刚度低、主梁挠跨比大,中塔选择对整个结构的受力有非常显著的影响.本文以泰州桥的三塔双主跨悬索桥为研究背景,分析讨论了三塔悬索桥主梁挠跨比、主缆抗滑移安全系数、主塔截面内力等设计限制下的中主塔刚度的恰当取值,采用有限元方法对中塔纵向采用A型钢塔、A型混凝土塔、I型混凝土塔等不同的结构型式进行了分析.研究发现,中塔纵向刚度是中塔结构选型的关键,在一定的结构体系下,三塔悬索桥中塔的纵向刚度应当在一定范围之内才能满足各种设计条件.分析结果表明,泰州大桥中塔结构的纵向刚度宜在23～28MN／m之间,采用人字形钢中主塔是适宜的.     

三塔悬索桥的结构体系及抗震性能研究

与通常采用的双塔悬索桥相比,三塔悬索桥因中间桥塔缺乏有效的纵向约束而导致结构整体刚度的下降,在地震作用下结构的动力反应问题可能会更加突出.以已建成的1 080m主跨的三塔双跨悬索桥-泰州长江公路大桥为工程背景,利用MIDAS/CIVIL有限元软件对其抗震性能进行分析,揭示了三塔悬索桥抗震性能的特点,在此基础上进行了主缆矢跨比、中塔刚度以及主梁约束方式等主要结构设计参数对大跨度三塔悬索桥地震反应的影响分析,并从抗震性能角度提出大跨度三塔悬索桥适宜的结构体系.研究结果表明:大跨度三塔悬索桥横桥向地震反应非常显著,尤其是边塔,因此应重视结构的横桥向和边塔的抗震性能.采用较大的矢跨比、柔性的中塔、中塔与主梁之间设置弹性索都可以有效地提高大跨度三塔悬索桥的抗震性能.     

三塔悬索桥中塔适宜刚度

为了明确三塔悬索桥的中塔刚度取值范围,以主缆与中塔鞍座的抗滑安全系数和加劲梁挠跨比为控制指标,推导了三塔悬索桥中塔刚度上、下限值解析公式,建立有限元模型验证了公式的有效性,最后分析了垂跨比、恒活载比值、跨径等主要设计参数对中塔刚度取值的影响.结果表明:理论值与有限元值符合良好,可在初步设计阶段指导多塔悬索桥的中塔选型;恒活载比值对中塔刚度取值的影响较大,当恒活载比值约大于6. 5时,才存在合适的中塔刚度使三塔悬索桥同时满足结构变形和主缆抗滑的要求;主缆垂跨比主要影响中塔刚度上限值,且对上限值的影响与恒活载比值有关;中塔刚度取值范围随着主跨跨径增大而增大.     

弹性索参数对三塔悬索桥抗震性能影响研究

以一座三塔悬索桥为分析对象,采用有限元仿真分析法,研究了中塔、主梁间设置弹性索对该桥抗震性能的影响。针对不同弹性索参数,比较了结构主要构件和部位的内力及位移的地震响应结果。分析结果表明,选用合适的弹性索刚度时,可以显著减小主梁位移、主塔位移和中塔与主梁间的相对位移,减小边塔底内力,而中塔底内力增加很小。弹性索不是耗能装置,只能改变惯性力的传递途径,使结构体系惯性力分配更加合理。     

三塔悬索桥的缆索体系及其抗风稳定性

以在建1 080 m主跨的三塔双跨悬索桥-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体系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,并探讨了具有良好抗风稳定性的三塔悬索桥的合理缆索体系.结果表明:三塔悬索桥采用平面双缆体系尤其是空间缆索体系后,结构的刚度明显增强,具有良好的结构动力特性,结构的抗风稳定性显著提高,相比而言采用空间缆索体系则更有利.     

三塔悬索桥主缆与中塔鞍座抗滑简化计算方法

为研究三塔悬索桥主缆与鞍座的抗滑特性,给出了三塔悬索桥主缆抗滑安全系数的简化计算方法.考虑活载作用下塔、缆变形以及加载跨与非加载跨主缆内力的平衡关系,推导鞍座处主缆抗滑安全系数的解析计算公式;建立有限元模型对公式进行验证;研究垂跨比、塔缆刚度比、恒活载比、跨径等主要设计参数对主缆抗滑安全系数的影响.研究表明:该公式可用于悬索桥初步设计阶段主缆抗滑安全系数的估算,能够为设计参数的合理取值提供理论依据.主缆抗滑安全系数随着塔缆刚度比增大而减小,当塔缆刚度比小于3时,增大塔缆刚度比,主缆抗滑安全系数迅速减小,当塔缆刚度比大于3时,塔缆刚度比对主缆抗滑安全系数影响较小;垂跨比对主缆抗滑安全系数的影响取决于桥塔刚度;主缆抗滑安全系数随着恒活载比值及跨径增大而增大.     

结构连接对三塔悬索桥性能的影响线分析

为研究不同结构连接形式对三塔悬索桥静力性能的影响,进行了三塔悬索桥静力影响线分析.以泰州长江公路大桥为原型,考虑了不同的塔梁连接和缆梁连接形式,采用线性化有限位移法对反映结构性能的三塔悬索桥关键参数影响线进行了计算,分析了不同缆梁连接和塔梁连接对三塔悬索桥结构影响线的变化情况.结果表明:无中央扣时,塔梁连接形式对主梁跨中挠度、桥塔塔顶水平位移、中间塔主缆力差等的影响线无显著影响;设置中央扣时,影响线跨内部分的幅值、邻跨部分的形状具有显著变化,应引起重视.综合不同缆梁连接、塔梁连接下的影响线变化情况,采用柔性中央扣+弹性索的结构连接形式,对三塔悬索桥主梁竖向变形、中间塔受力状态及中间塔鞍座抗滑移均有利.     

三塔悬索桥刚性中塔的鞍缆防滑技术研究

为了提高三塔悬索桥刚性中塔的鞍缆防滑安全度,研究了5个方案即在跨中设置中央扣、改变矢跨比、在塔根和主缆间设置扣索、在塔顶处设置钢结构构件、在索鞍两侧主缆上添加辅助拉索等的有效性。以泰州长江大桥为工程背景,结合有限元数值方法和解析法,证明了中央扣和扣索方案的效果甚微,而其余三个方案则十分有效,并给出相应的设计建议。     

三塔悬索桥刚性中塔的鞍缆防滑技术

为了解三塔悬索桥刚性中塔不同结构的鞍缆防滑效能,提出5个方案,即在跨中设置中央扣、改变矢跨比、在塔根和主缆间设置扣索、在塔顶处设置钢结构构件、在索鞍两侧主缆上添加辅助拉索.有限元法和解析法的结果显示,中央扣和扣索方案的效果甚微,其余3个方案则十分有效.据此给出相应设计建议.     

桥塔对多塔悬索桥力学行为的影响

多塔悬索桥作为一种新型的桥梁体系,它的很多力学性能还都有待研究.悬索桥体系的刚度满足与否,主要取决于中间塔的刚度.在荷载作用下,多塔悬索桥的中间塔由于没有边锚索固定,中间塔塔顶水平位移加大,导致整个结构变位过大,中间塔的刚性是设计的关键.以一座三塔悬索桥为工程背景,用BNLAS软件建立了三维有限元模型,主要讨论桥塔刚度对多塔悬索桥力学行为的影响.     

中央扣对大跨度三塔悬索桥抖振性能的影响

为探究中央扣对大跨度三塔悬索桥抖振的控制作用,本文以泰州大桥为研究对象,基于有限元时域分析方法,研究了不同刚度中央扣对大跨度三塔悬索桥抖振性能的影响。研究结果表明:相比跨中短吊杆,采用中央扣后主梁竖向抖振响应显著降低,且刚性中央扣对于主梁整体竖向位移的控制效果更优;中央扣对主梁侧弯模态频率的影响较小,因而主梁侧向的抖振位移减幅不大;增设中央扣会增大中塔附近的主梁扭转抖振响应值,但同时也能减小边塔附近的主梁扭转抖振响应。研究结果可为中央扣在多塔悬索桥中的应用提供参考。     

三塔自锚式悬索桥经济性能研究

在统计国内外部分已建成的自锚式悬索桥材料用量的基础上,基于银川滨河黄河大桥,研究三塔自锚式悬索桥的经济性能,建立各构件材料用量与结构参数、受力的关系,并以此为基础分析加劲梁材料、矢跨比和边中跨比等参数对造价的影响。研究得出:改变加劲梁的材料,对三塔自锚式悬索桥造价的影响较大;矢跨比的增加可以大幅减少主缆的造价;当桥梁总长一定时,边中跨比合理的范围内应选取较大值。     

考虑主塔刚度影响的非对称悬索桥竖弯频率估算公式

为方便计算双塔两跨连续体系非对称悬索桥的竖向自振频率,在考虑主塔刚度的影响下,应用Rayleigh法,推导其1阶竖弯振动频率近似表达式,并提出了主塔刚度影响系数的表达式,最后对此公式的可行性进行了算例验证。结果表明,主塔刚度对该结构体系的一阶对称竖弯频率有影响,而对一阶反对称竖弯频率没有影响;可通过主塔刚度影响系数进行计算主塔刚度对一阶对称竖向弯曲基频的影响程度;解与有限元解之间的误差范围在初步概念设计阶段所允许的要求之内;所推导的基频近似表达式可用于双塔两跨连续体系非对称悬索桥动力特性估算。     

计入主塔刚度影响的三跨连续体系悬索桥竖弯频率估算公式

为方便计算三跨连续体系悬索桥的竖向自振频率,基于双塔三跨连续体系悬索桥,在计入主塔刚度的影响下,应用Rayleigh法,推导了一阶对称和反对称竖弯振动频率公式,并提出了主塔刚度影响系数的表达式,最后,对此公式的可行性进行了算例验证,并对适用范围进行了讨论。研究结果表明：主塔刚度对三跨连续体系的一阶正对称竖弯频率影响较大,进行频率计算时应计入主塔刚度的影响;主塔对竖弯基频的影响程度可通过主塔刚度影响系数计算得到;给出的能量法得到的竖弯基频计算值与有限元值误差能满足概念设计阶段的要求;该公式可用于简支单跨及三跨连续体系悬索桥的竖弯基频计算中。     

悬索桥主塔纵向受力的估算方法

基于悬索桥的传力特点,提出主塔纵向受力简化分析模型,对中、边跨主缆的内力及线形进行分析,根据主缆无应力长度相等的原则推导出塔顶位移、塔底弯矩和轴力的计算公式.分别以主跨为1000米的单跨及三跨悬索桥为例,利用简化计算方法对主塔的纵向受力进行了计算,并与有限元计算结果进行对比分析.结果表明,简化公式具有良好的计算精度,且可同时适用于单跨及三跨悬索桥,满足了概念设计的要求.     

塔梁分离式悬索桥动力及抗震性能

针对塔梁分离式悬索桥具有塔底不等高及设置地锚索等特点,以矮寨桥为背景,基于9组空间有限元模型从主梁的支承条件、吊跨比以及地锚索的数量三个方面进行桥梁结构模态以及抗震性能分析.结果表明:在动力特性方面,塔梁分离对悬索桥振动模态影响十分微小,而吊跨比的增加会使悬索桥的整体刚度下降,加设地锚索能很大程度提高结构整体刚度;在抗震性能方面,塔梁分离提高了悬索桥横桥向的抗震性能,纵桥向基本无提升,随着吊跨比增大,主梁内力及位移响应减小幅度较大,而主缆和吊索内力几乎无变化,地锚索主要影响纵桥向地震响应,减小主塔位移与内力,降低了主缆与端部吊索的应力响应.     

超大跨径三塔悬索桥加劲梁吊装方案

为了寻找超大跨径三塔悬索桥建设中更为有利的加劲梁吊装方案,以主跨2 000 m三塔悬索桥为对象,运用参数分析结合有限元数值模拟的方法研究了主、边跨加劲梁不同吊装顺序对边塔鞍座偏移量、主缆线型、合龙位置、合龙段施工方法以及吊装过程中结构动力响应的影响.结果表明,超大跨径三塔悬索桥主跨加劲梁宜从跨中向索塔方向吊装,边跨加劲梁宜从锚碇向边塔方向吊装,该方案下主缆水平倾角小,扭转基频较大,颤振稳定性更好,且采用预偏合龙方法时所需要的牵引力小,因而按该方案吊装对桥梁建设更为有利.     

多塔悬索桥变形特性

为了探究多塔悬索桥初步设计阶段参数取值,将主缆等效为具有一定刚度的弹簧,建立多塔悬索桥静力力学分析模型;基于加载跨与非加载跨主缆水平力平衡以及塔顶位移、主缆伸长与主缆垂度变化的关系,推导了塔、缆变形解析公式,通过建立的有限元模型进行验证;分析了主要设计参数对结构变形的影响.结果表明:提出的公式可用于初步设计阶段多塔悬索桥的结构变形估算;桥塔刚度及恒活载比值对结构变形影响显著,通过增大桥塔刚度或恒活载比值均可有效减小结构变形;垂跨比对结构变形的影响与桥塔刚度有关,桥塔刚度较小时宜采用较小垂跨比,桥塔刚度较大时,宜采用较大主缆垂跨比;结构变形随跨径的增大迅速减小,当跨径增大到2 000 m时,变形不再控制多跨悬索桥设计;主跨跨数超过3跨时,继续增加主跨跨数对结构变形影响较小.     

大跨度碳纤维复合材料主缆悬索桥的抗风性能研究

为了探讨碳纤维复合材料缆索在大跨度悬索桥中应用的可能性，以主缆等轴向刚度为原则，拟定了一座主跨为1490m的碳纤维复合材料主缆悬索桥，并运用三维非线性计算理论进行了动力特性、静风和空气动力稳定性的分析．通过与同跨度钢主缆悬索桥的比较，讨论了不同主缆材料对大跨度悬索桥抗风性能的影响．分析结果表明大跨度悬索桥采用碳纤维复合材料主缆后：（1）结构的自振频率特别是扭转频率有显著的提高；（2）静风作用下结构变形增大，但其静风稳定性却与钢主缆悬索桥基本接近；（3）空气动力稳定性要比钢主缆悬索桥好．因此从抗风性能角度而言，大跨度悬索桥采用碳纤维复合材料主缆是可行的，但是主缆截面尺寸的确定应采用等轴向刚度为原则．     

特大跨径地锚式悬索桥静力稳定性分析

为了解悬索桥在不同简化模型下的静力稳定性,全面分析其整体失稳过程及最终失稳模态,基于地锚式悬索桥主塔失稳导致全桥失稳的受力特点,以在建的南京仙新路长江大桥为工程背景,采用大型有限元分析软件ABAQUS建立了全桥多尺度模型和独塔实体模型,分析对比了线性稳定系数、双重非线性荷载系数、线性失稳模态以及最终破坏形态.分析结果表明:双重非线性稳定安全系数相比于线性有较大降低,非线性稳定计算对于特大跨径地锚式悬索桥应成为必需;全桥多尺度模型的线性稳定系数略大于独塔模型,而全桥多尺度模型的非线性荷载系数则反之,简化的独塔模型仅能在一定程度上代表全桥结构计算结果;主塔发生非线性失稳时塔底附近的混凝土主压应力和钢筋应力均达到抗压强度标准值,材料发生屈服导致结构发生失稳;背风侧主塔下塔柱失稳破坏时呈现出典型的压弯破坏形态,迎风侧塔柱失稳破坏时呈现出混凝土压碎区交叉的压弯扭复合受力破坏形态,随着结构薄壁化趋势的发展,工程设计在满足强度要求的同时应更关注稳定性要求.研究结果可为未来特大跨径地锚式悬索桥的设计计算以及简化模型的选取提供参考.