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摘要：人行悬索桥加劲梁形式较多，但是在选型方面尚未形成统一标准。本文探讨加劲梁刚度、梁重和跨径等参数对结构整体刚度和静风稳定性的影响，从静风稳定性方面给出不同跨径人行悬索桥加劲梁选型建议，为设计提供一定参考价值。
关键词：人行悬索桥；加劲梁；静风稳定性
目前人行悬索桥加劲梁形式比较多，其中应用较多的有纵横梁、钢桁梁、混凝土板式加劲梁和钢箱梁，但是在加劲梁在选型上尚未形成统一标准。部分国内已建人行悬索桥凭经验架设，设计理论明显滞后，已出现较严重的构件锈蚀损耗，如贵州务川楠木桥[1]，木桥面板破损严重，不能正常使用。鉴于此，本文通过对国内外人行悬索桥的统计和分析[2]，研究各加劲梁形式的刚度取值范围、梁重取值范围，基于此，研究各加劲梁形式在人行悬索桥上的适用特点。
1加劲梁刚度及荷载集度分布规律
对于一般箱梁或板梁，影响扭转中心的参数为截面形式以及尺寸，为其固有的几何特性，可通过计算公式或者有限元方法计算扭转中心的位置以及抗扭刚度。纵横梁和钢桁梁，由于组成截面的各杆件形心不在一平面上，使得其结构几何特性较难根据一般简化公式计算得到。本文分别采用等效抗扭刚度[3]和李国豪教授提出的换算梁法[4]，计算纵横梁和钢桁梁的各项刚度值。
本文通过分析纵横梁、钢桁梁、混凝土板式加劲梁和钢箱梁等形式的刚度分布规律，统计加劲梁恒载集度，汇总结果如如表1、图1。
图1中BOX为箱梁，SLAB为混凝土板式加劲梁，TRUSS为钢桁架梁，L&C为纵横梁。
图3 结构计算简图
2.1跨径
人行悬索桥跨径主要取决于地形条件，跨径主要分布在30m~400m。基于天蒙景区人行索桥，在矢跨比和边中跨比不变的情况下，通过调整桥塔高度和主跨的跨径，分别建立主跨为50m~420m有限元模型，研究加劲梁对不同跨径下人行悬索桥整体竖弯刚度、扭转刚度以及静风稳定性的影响。计算结果如图4、图5。
图4中，fb为竖弯基频，ft为扭转基频；图5中Vlb为横向屈曲临界风速，Vtb为静力扭转发散临界风速。
可以看出，跨径越大，加劲梁对结构整体竖弯刚度和抗扭刚度贡献越小。并且，加劲梁对结构整体抗扭刚度的贡献大于结构整体抗弯刚度，这与文献[5]中结论一致。随着跨径增大，结构静风稳定性急剧降低，并且Vtb较Vlb小，结构均存在更容易发生扭转发散的现象。
由以上分析可以得到，跨径改变时加劲梁对结构整体刚度的贡献存在较大差异。
2.2竖向刚度
根据各加劲梁形式的竖弯刚度分布，通过有限元模型计算各加劲梁形式在不同跨径下的竖弯基频，得到各加劲梁形式对不同跨径整体竖弯刚度的影响，计算结果见图6。
图6中横坐标为竖弯惯性矩，竖坐标为竖弯基频。
图6 竖弯基频变化图
可以看出，跨径在100m以下时，通过调整加劲梁的竖弯刚度可显著增加整体抵抗竖弯的能力，跨径超过100m时，影响非常小。通过计算得到，加劲梁竖弯刚度对静风临界风速的影响可忽略。
由此，加劲梁的竖弯刚度对小跨径人行悬索桥的竖弯刚度具有较大影响，对不同跨径的静风稳定性的影响可忽略。
2.3扭转刚度
对于不同跨径人行悬索桥，相同的加劲梁扭转刚度对整体抵抗扭转的效果不同。采取与竖弯刚度相同的分析方法，得到各加劲梁形式对不同跨径整体抗扭刚度和静风稳定性的影响，见图7、图8。图8中临界风速变化率为相对纵横梁最小扭转惯性矩对应临界风速的变化率
图7、图8中横坐标为扭转惯性矩，竖坐标分别为扭转基频、静风临界风速变化率。
可以看出，在一定范围内提高加劲梁的抗扭刚度可显著提高结构整体抗扭刚度和结构静风临界风速，并且跨径越小，效果越明显。
因此，对于各跨径人行悬索桥，纵横梁可通过改变构造参数来提高结构静风稳定性，但是力度较小；钢桁梁构造参数对结构静风稳定性影响较大，各跨径人行悬索桥应用钢桁梁时需通过桁高、桁宽以及杆件截面面积来满足抗风性能；混凝土板式加劲梁和钢箱梁由于自身构造特点具有相对较大的扭转惯性矩，因此较容易满足抗风性能。
通过以上分析可得，对各跨径人行悬索桥，加劲梁采用钢箱梁或混凝土板式加劲梁较容易满足抗风性能要求，其次为钢桁梁，再次为纵横梁。钢桁梁和纵横梁均可通过调整构造参数来提高静风稳定性，但是对不同跨径影响幅度不同，跨径越小影响越大。
图8 静风临界风速变化率
2.4恒载集度
对于人行悬索桥，主缆提供的重力刚度相对一般公路悬索桥主缆提供的重力刚度较小，此时加劲梁对结构重力刚度贡献较为显著。
梁重在1.00~5.50t/m范围内变化时对结构抗扭刚度和静风稳定性的影响见图9、图10。
图中横坐标为梁重，纵坐标分别为扭转基频变化率、静风临界风速变化率。
图10 静风临界风速改变图
可以看出，对各跨经人行悬索桥，增加梁重均可增强整体抵抗扭转的能力，并且可有效提高静风临界风速，并且跨径越大，效果越显著。
因此，增大加劲梁重量为有效提高结构静风稳定性的途径。
表2列出对不同跨径人行悬索桥，加劲梁重量变化引起静力扭转发散风速变化的斜率，即加劲梁重量每增加1t/m引起的静力扭转发散风速变化率，具有一定参考价值。
表2 静风临界风速变化率
3加劲梁选型分析及建议
从抗风性能上来讲，不同加劲梁形式在工程设计中适用范围有所区别，通过上面的计算分析，主要从静力方面给出不同加劲梁形式选型建议如下：
1.纵横梁
纵横梁式的适用范围较广，国内外采用该形式加劲梁的人行悬索桥的最大跨径为420m，但是需要根据跨径和所处地形特点调整结构采用的抗风措施：跨径在50m以下时可不采取抗风措施；跨径在50~150m范围内，可通过采用混凝土桥面板及增加其他配重措施来满足抗风要求；跨径在150~200m范围内，建议结合经济性要求，对结构布置斜拉索或抗风缆措施；跨径大于200m时，建议结构布置抗风缆，并且采用混凝土桥面板及增加其他配重措施。
2.混凝土板式加劲梁
采用混凝土板式加劲梁的人行悬索桥，其跨径多在250m以下。混凝土板式加劲梁的扭转刚度和自重均相对较大，可在不设置斜拉索或抗风缆等抗风措施时较好的满足结构抗风性能要求。因此，建议在综合考虑经济性要求后，大跨径人行悬索桥可采用混凝土板式加劲梁。
3.钢桁架加劲梁
采用钢桁架加劲梁的人行悬索桥，国内外采用该形式加劲梁的人行悬索桥的最大跨径为375m。钢桁架加劲梁自重较纵横梁大，结构可在不设置抗风措施的情况下满足抗风性能要求，基于这点，钢桁架要优于纵横梁，但其用钢量较大，经济性尚需探讨。因此，钢桁架梁在跨径适用范围上较广，结构不设置抗风措施时可满足抗风性能要求，而且结构形式相对简单，但是需要考虑其经济性是否合理。
4.箱梁
箱梁相对于其他几种形式可较好满足抗风性能要求，但是由于其构造复杂、用钢量大，对于人行悬索桥来说经济性并不理想，所以目前应用实例较少，且跨径均在150m以下。在人行悬索桥应用箱梁时，尤其是跨径较大的结构，除考量其在抗风性能的表现，还要着重考虑其经济性是否合理。
参考文献
[1]Bridges H. Socorridos Bridge.(sd)[J]. Obtido em, 23.
[2]朱军颖.人行悬索桥加劲梁选型相关研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2015.
[3]李明.分体式钢箱梁计算模型研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2009.
[4]李国豪.桁梁扭转理论—桁梁桥的扭转、稳定和振动[M].北京：人民交通出版社，1975.
[5]苏维映.大跨度悬索桥自振特性及列车过桥响应的研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2013.
作者简介
朱军颖，1989年，山东临沂，工程师，中交公路规划设计院有限公司从事桥梁检测维护工作。
论文作者:朱军颖,刘昭
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/1
标签：悬索桥论文; 刚度论文; 人行论文; 结构论文; 风速论文; 临界论文; 抗风论文; 《防护工程》2019年第6期论文;