杨灿1 田丝雨2
1.湖北省交通规划设计院股份有限公司 湖北武汉 430051；
2.中交第二公路工程局有限公司 陕西西安 710065
摘要：为获得独塔混凝土自锚式悬索桥的合理成桥状态，以国内某跨径布置为（81+81）m的混凝土自锚式悬索桥为背景，结合刚性支承连续梁法，运用有限元软件MIDAS对其在结构自重、混凝土收缩徐变效应以及预应力效应等作用下的成桥状态进行分析，得到的合理线形和受力状态。分析结果表明：所得成桥状态主缆线形合理、吊索索力及主梁的受力合理，对该类桥型结构的设计、分析有一定借鉴意义。
关键词：混凝土自锚式悬索桥；吊索索力；收缩徐变；主梁应力
独塔混凝土自锚式悬索桥为由主缆、吊索、加劲梁、桥塔等构件组成的组合体系，常为对称结构。该种桥型在加劲梁两端采用主缆直接锚固，不需要单独修建体积较大的混凝土锚碇，极大的降低了对地基承载力的要求；该类悬索桥造型美观、具有良好的视觉效果以及外部曲线，在市政景观桥型中具有较大的竞争优势，近年来得到了广大桥梁工程技术人员的青睐。目前国内外已建成多座混凝土自锚式悬索桥，具有代表性的有大连金石滩金湾桥（主跨60 m）、抚顺万新大桥（主跨160 m）、吉林兰旗松花江大桥（主跨240 m）等[1]。
1悬索桥合理成桥状态
自锚式悬索桥的合理成桥状态是指从架梁开始到成桥各阶段悬索桥的构形和受力状态。其涉及的主要问题是：加劲梁的搭建方式及主缆、吊索的无应力索长。主缆是结构体系的主要承重构件，主要承受拉力，通过其几何形状的改变来影响体系平衡，表现出大位移非线性的力学特征。精确计算其线形是合理成桥状态的保障。一般主缆的计算有两种方法。第一种是抛物线法，假设恒载沿跨径均匀分布；第二种是悬链线法，假设恒载沿弧长均布。抛物线法比较粗糙；悬链线法假定主缆是理想柔性的，其材料符合虎克定律。在悬索桥的成桥状态，对于主缆而言，所受荷载为沿弧长均布的主缆自重和通过吊索传递的局部荷载，后一部分可近似作为集中荷载处理[2-3]。
2 刚性支承连续梁法
刚性支承连续梁法是指成桥时加劲梁的恒载弯曲内力和刚性支承连续梁的内力一致。刚性支承连续梁法的原理是将自锚式悬索桥简化成平面结构分析，以恒载作用下主梁内的最小弯曲应变能总和为目标。其求求解索力的基本结构如图1所示。
不难看出式（3）的物理意义为：加劲梁吊点处在吊索张力、主缆水平分力及恒载的共同作用下竖向位移为0。若将加劲梁单独考虑，吊点位置处设以刚性支承，计算其在恒载及主缆水平分力作用下的各支点反力，即得满足全桥弯曲应变能总和为最小的吊索张力[2-4]。
3 工程案例
3.1工程概况
四新中路朝元门桥采用跨径布置为（81+81）m，为独塔双索面自锚式悬索桥。桥梁全长177.5m，桥梁宽度34.5m，桥面以上主塔高35.5m。桥台采用一字式桥台。主梁采用C60混凝土。主梁标准节段长5m，横隔板厚度0.4m。主梁标准断面宽21m，为单箱四室截面，桥梁中心线处梁高1.8m。主塔由混凝土结构竖直塔柱部分与钢结构装饰塔柱部分组成。混凝土竖直塔柱高39.0m。塔底实心段高6.0m，塔柱空心段高30m，塔顶实心段高3.0m。全桥共设两根主缆，主缆的垂跨比为1/10，主缆中心距22m。主缆采用预制平行钢丝索股，每股由127 根直径为5.0mm镀锌或镀锌铝高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度不小于1670MPa。吊索间距5.0m，每跨由桥台往桥塔方向设置D1-D14共28根吊索。
图3 桥梁有限元分析模型
3.3成桥主缆分析结果
成桥状态下主缆最大轴力出现在塔顶锚固区，达41725.0kN。主缆中心索股有应力长度与无应力长度为：锚固端有应力长度和无应力长度分别为8.871m和8.842m；主跨有应力长度和无应力长度分别为85.105m和85.066m。
3.4 成桥吊索分析结果
优化后的吊索索力比较均匀如图4所示，吊索索力在1600kN左右，仅在边跨锚固端由于自重加大，2根短吊索索力较大，最大值为2400kN。
3.5 成桥加劲梁分析结果
加劲梁在恒载作用下，以轴向受压为主，在活载作用下，以压弯为主，呈梁柱构件特征。成桥状态主梁最大正弯矩31057 kN·m，出现在散索鞍附近；最大负弯矩-10104.6 kN·m，出现于桥塔处横梁位置；加劲梁轴力分布均匀，最大轴力为139686.7kN。主梁上缘最大压应力9.5MPa，下缘最大压应力10.1MPa。各项指标均满足C60混凝土的强度设计要求。
4结语
针对独塔混凝土自锚式悬索桥的结构特点，考虑结构自重、混凝土收缩徐变效应以及预应力效应等作用，结合有限元分析建模助手精确找形的刚性支承连续梁法求得的成桥状态索力分布均匀，达到了预期合理线形和受力状态的目标，可以为吊索张拉施工提供最终的索力目标，对此类桥型合理成桥状态的设计分析具有借鉴意义。
参考文献：
[1]柯亮亮，戴杰 . 混凝土自锚式悬索桥的恒载平衡状态分析[J] . 山东交通学院学报，2016，24（2）38-43
[2]谭冬莲 . 大跨径自锚式悬索桥合理成桥状态的确定方法[J] ．中国公路学报，2005，18（2）：51-55
[3]李小年，张小月，马如进，陈艾荣 . 自锚式悬索桥合理成桥状态的实用计算方法[J] ．公路交通科技，2013，30（6）：82-87
[4]孙全胜，仇天天.自锚式人行悬索桥合理成桥状态的确定[J] ．低温建筑技术，2016，1：52-56
作者简介：
杨 灿（1985-），男，湖南益阳人，硕士研究生，桥梁工程师，主要从事桥梁设计工作。
田丝雨（1984-），女，陕西西安人，本科，工程师，主要从事桥梁、公路、铁路、城市轨道交通施工管理工作。
论文作者:杨灿1,田丝雨2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/6
标签：悬索桥论文; 吊索论文; 状态论文; 混凝土论文; 应力论文; 刚性论文; 桥梁论文; 《防护工程》2018年第25期论文;