1、河海大学 江苏南京 210098;2、中交第二公路勘察设计研究院有限公司 湖北武汉 430058
摘要：西溪主桥跨越福建省九龙江，为顺桥倾斜单塔超宽混合梁扭背索斜拉桥，边跨混凝土箱梁宽51m，中跨钢箱梁宽47m，两项宽度均位居同类型桥梁世界第一。以本项目为背景，建立不同布索方式的Midas有限元模型，研究背索不同布索方式对桥梁内力的影响。通过对边跨扭索布索方式和主跨常规布索方式中拉索的修正弹性模量值及索力、索应力进行对比分析，其结果表明采用空间扭背索布索方式可以有效减小由于拉索垂度所造成的非线性作用，但对比常规布索方式其索力分布不均匀，索应力峰值产生的规律不同，且桥塔同一钢锚箱处的边跨与主跨斜拉索索力差值较大，大于700KN的占70%以上，在设计中应予以精细考虑。
关键词：扭背索斜拉桥；不同布索方式；内力影响
1.1研究必要性
鉴于斜拉桥的主要受力基本由斜拉索承担，因而其采用何种布索方式会对斜拉桥整体的结构性能以及视觉方面的效果形成相当大的影响[1,2]。独柱斜塔双索面空间扭背索混合梁斜拉桥因其自成一格的布索方式，精美的外观以及出色的视效，日益在桥梁建设领域深受青睐，尤其是在景观斜拉桥建设中。采用传统布索方式的斜拉桥分析计算的研究成果业已渐趋完善，相对而言，上述这种异型桥梁依然处于刚刚开始阶段，受力性能与稳定度受不同布索方式的影响必然产生一定程度的区别。
现阶段，国内关于斜拉桥采取扭索与传统两种布索方式下，在桥梁的施工和运营过程当中受力性能与稳定性的差异研究还比较匮乏，两种布索方式下的利弊尚不得知，因而对布索方式的选取对斜拉桥受力性能与稳定性造成的影响领域的研究及分析具有一定的必要性。
1.2扭背索设计概况
全桥设置了斜拉索56根，依据不同的索力值选用相应的PESC7系列的139、187、211、223、241、265及283丝规格。斜拉索所采用的减震方案是阻尼器与气动措施相结合。边跨自支点至主塔斜拉索编号为S01-S14，主跨自主塔至支点斜拉索编号为M01-M14，其斜拉索布置图如下：
图1-1 斜拉索总体布置图
气动措施选用压花型抗风雨振拉索技术。在保证斜拉索在设计风速下的风阻系数Cd≤0.8的前提下，利用在斜拉索PE外护层表层设定压花的方式来减少风雨激振产生的频率。斜拉索因直径的不等需要选用相应的凹坑几何尺寸与覆盖率，根据本桥选定的拉索规格，斜拉索招标生产商必须提供压花型抗风雨振技术试验数据证明其产品有效性。
阻尼器位于梁端与塔端时分别选用外置式（共56套）和内置式（共56套）；外置式阻尼器（体外减振器）需采购定型产品，比如油阻尼器(包括MR阻尼器)、摩擦型阻尼器等，安装外置式阻尼后，要求拉索的阻尼对数衰减率δ大于等于0.03[5]，并使斜拉索振幅限制在其索长的1/1000内。承包商应在制造厂和成桥上进行测量，以证实其产品能够达到上述目标。一定程度的强度与抗疲劳性能是阻尼器必备的特性，且能够更换、易于检修，耐用性至少为20年。
内置式阻尼器是把一个粘弹性高阻尼合成的橡胶减振胶圈安装在斜拉索索导管的入口位置，其损耗因子≥1.3，橡胶的硬度是50±5HA，拉伸强度≥8MPa。内置式阻尼器（橡胶减振胶圈）和梁塔上斜拉索防护系统（导管内发泡材料、防雨罩等）均由供货的斜拉索锚具厂配套组装供应。
1.3空间扭背索静力分析
在垂度作用下的斜拉索受力性能会产生一定程度的变化。经过Ernst公式修正弹性模量后，得到合理成桥索力值。
忽略活载作用，在恒载与斜拉索共同作用下进行成桥分析，其中恒载包含桥梁自身的重力、二期铺装与预应力，下图1-2至1-6依次对应其位移图、弯矩图、应力图以及轴力图：
图1-6 一次落架成桥轴力图
由图1-2至图1-6可知，在恒载(包括自重、二期铺装和预应力)和索力作用下，全桥主梁弯矩除边跨塔底附近及主跨3/4L附近外，其余各处弯矩较小，且变化比较均匀。支点处最大负弯矩为307771.12 KN·m。主跨跨中位置最大正弯矩发生在主跨距主塔159m处，其值为109906.53 KN·m。其余位置弯矩分布比较均匀。全桥主梁变形最大挠度为55.2cm(向下)，发生在主跨3/4L处附近。在组合应力作用下，边跨上、下缘均受压，且压应力符合规范要求。主塔最大正弯矩140867.23KN·m，位于拉索锚固区下部。全桥斜拉索最小拉应力为465.5MPa，最大拉应力为579.1 MPa，σmax = 579.1<0.4Rby =744，有一定的安全储备。
1.4主边跨拉索比较
1.4.1主边跨弹性模量修正值对比
本桥的主边跨弹性模量修正值对比图如下：
图1-9 同一钢锚箱主边跨索力值对比图
由以上对比可知，边跨扭索索应力最大值为5791 kpa，最小值为4655 kpa，主跨拉索索应力最大值为5703 kpa，最小值为4677 kpa。空间扭背索布索方式使得主桥索力分布不均匀，索力起伏较大，主边跨锚固在同一钢锚箱的拉索索力相差较大，最大值为2465.4 kN，最小值为315.1 kN，其中差值在700 kN以上的占71.43％。在边跨位置：边跨扭索在主塔拉索锚固区上部和中部产生索力峰值，上部最大索力值为6370.47 kN,中部大索力值为5914.71 kN。而下部索力较小，最小索力值为3350.22 kN；而主跨则在主塔拉索锚固区中下部产生索力峰值，最大索力值为4940.74 kN，最小索力值产生在主塔拉索锚固区下部，为2920.30 kN。可见两种布索方式的索力及索应力的变化规律差别较大，对主塔受力产生了不同的影响。
1.5结论
本章介绍了依托工程的斜拉索设计概况，并对边跨扭索布索方式和主跨常规布索方式中拉索的修正弹性模量值及索力、索应力进行了对比分析，现小结如下：
1.边跨斜拉索选用扭索的布索方式时，其拉索经Ernst公式修正之后的弹性模量的变动幅度要小于传统布索方式的主跨的弹性模量变动幅度，显而易见，采用空间扭背索布索方式可以有效减小由于拉索垂度所造成的非线性作用。
2. 从全桥来看采用空间扭背索布索方式的斜拉桥其斜拉索索力分布不均匀，变化起伏较大；
3. 采用扭索布索方式的边跨斜拉索与常规布索方式的主跨斜拉索其索力与索应力峰值产生的规律不同，扭索索力最大值产生在主塔拉索锚固区上部和中部，最小值产生在下部，而主跨拉索索力最大值产生在主塔拉索锚固区中下部；
4. 桥塔同一钢锚箱处的边跨与主跨斜拉索索力差值较大，大于700KN的占70%以上。
参考文献:
[1]AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Section 4:Structural Analysis and Evaluation[S]. Washington, DC: AASHTO, 2005
[2]范立础. 桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社, 2002
[3]周亚刚，斜拉索—辅助索系统动力特性和减振研究，同济大学，2007
[4]喻梅，多塔斜拉桥结构特性分析, 西南交通大学，2003
论文作者:朱诚1,2,刘夏临2
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/8/30
标签：拉索论文; 方式论文; 斜拉桥论文; 弯矩论文; 弹性模量论文; 应力论文; 值为论文; 《防护工程》2019年12期论文;