塔梁弹性支座刚度对三跨连续悬索桥结构体系影响的研究_董晓兵.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 3收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 4第一作者:董晓兵(1 9 8 4-)男,高级工程师,硕士。塔梁弹性支座刚度对三跨连续悬索桥结构体系影响的研究董晓兵1,2(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 4 3 0 0 3 4;2.中铁大桥科学研究院有限公司 武汉 4 3 0 0 3 4)摘 要 为研究塔梁竖向弹性支座刚度对三跨连续弹性支承钢箱梁悬索桥结构静动力特性的影响,以主跨9 2 6m的浙江秀山大桥为依托,采用有限元通用软件m i d a sC i v i l 2 0 1 3建立4种方案模型,并对比4种方案结构静动力特性,提出合理的塔梁竖向弹性支座刚度控制因素。结果表明,随着塔梁弹性支座刚度增大,梁端和塔梁支座处钢箱梁转角、钢箱梁塔梁支座处和跨中位移也随之减小,但塔梁支座处钢箱梁的弯矩和应力会随之增大;成桥恒载状态下塔梁弹性支座反力也逐渐增大,其相邻的长吊索索力减小6 0%,但只有合适的塔梁弹性支座刚度,才可显著减小相邻长吊索的应力幅;钢箱梁底板应力和长吊索应力幅是塔梁弹性支座刚度取值的控制因素;结构基频有轻微减小,结构横向刚度有所降低。关键词 三跨连续钢箱梁悬索桥 塔梁弹性支座 有限元 转角 钢箱梁内力吊索应力幅中图分类号 U 4 4 1 三跨连续钢箱梁悬索桥具有边跨无辅助墩利于通航,桥梁伸缩缝少便于养护,结构横向变形小,塔区加劲梁线形平顺、行车舒适度高等优点,但鉴于边跨加劲梁为悬吊,结构体系复杂,散索鞍较高对锚碇基地受力不利,施工控制难度高,工程造价高等特点,国内外很少采用。目前该体系跨度最大的是主跨16 2 4m的丹麦大贝尔特海峡桥,为三跨连续漂浮体系钢箱梁悬索桥,相比国内桥梁其运营期荷载较小,国内第一个采用三跨连续漂浮体系钢箱梁悬索桥是主跨6 4 8m的厦门海沧大桥,但其漂浮体系结构刚度偏小,塔区长吊索疲劳问题突出,容易断裂,之后主跨14 1 8m的南京公路长江四桥采用了国内第一个三跨连续支承体系钢箱梁悬索桥,在塔区加劲梁设置竖向弹性支座,改善了结构受力,但竖向弹性支座刚度如何取值,以及对结构刚度和内力影响程度,研究较少。本文以主跨9 2 6m的浙江秀山大桥主桥为背景1-2,研究塔梁竖向弹性支座刚度取值对结构体系静力特性的影响,优化结构体系,为后续三跨连续支承体系钢箱梁悬索桥建设提供参考。1 工程概况秀山大桥位于浙江省舟山市岱山县,是连接岱山岛和舟山岛疏港公路的重要组成部分。主桥立面布置图见图1。图1 秀山大桥主桥立面布置(单位:c m)主桥为双塔三跨连续弹性支承体系悬索桥,其梁跨布置为2 6 4m+9 2 6m+3 5 7m,主缆中跨垂跨比为18.8 6 1,2根主缆中心距为2 5.6m,受地理条件限制,官山侧散索鞍I P点横桥向外移2m。加劲梁采用正交异性流线形扁平钢箱梁,顶板厚1 6mm,底板变厚1 02 0mm,标准梁尺寸为1 8m3 0m3m,最大梁段质量为2 4 7.1t。吊索标准间距为1 8m,采用销铰式,每侧吊点设2根直径为5.0mm的16 7 0MP a镀锌平行高强钢丝。支承体系为桥塔下横梁处设置横向抗风支座、竖向弹性拉压支座、纵向限位挡块及纵向阻尼装置,竖向弹性拉压支座示意见图2;锚碇横梁处设置竖向支座、横向抗风支座3-4。设计标准采用公路-I级,双向四车道,车速8 0k m/h。图2 塔梁竖向弹性拉压支座主桥钢箱梁采用缆载吊机法吊装,全桥共8 9个节段,分别从中跨跨中和边跨向主塔方向交替吊装施工标准梁段,无索区梁段通过搭设支架先安装索塔无索区梁段,后安装锚锭支墩无索区梁段,合龙段按照先中跨侧、后边跨侧顺序合龙,节段间采用临时螺杆铰接,全部吊装完后进行环缝焊接,三跨连续钢箱梁结构体系转换完成。2 有限元计算采用有限元软件m i d a sC i v i l 2 0 1 3建立主桥计算模型见图3,钢箱梁和塔柱采用梁单元模拟,主缆和吊索采用索单元模拟;钢箱梁支座约束按设计图纸设置。图3 主桥有限元模型塔梁弹性支座安装在主塔无索区梁段与主塔下横梁间,设置塔梁弹性支座会增大塔区钢箱梁弯矩,对钢箱梁受力不利,为了减小此不利影响,采用塔梁弹性支座在附属工程施工前安装的措施,可大幅减小恒载产生的弯矩值。根据塔梁弹性支座的刚度建立4种方案对比分析,研究支座刚度对三跨弹性支承连续体系悬索桥线形、内力及应力、动力特性等静动力特性的影响5-6。方案1。塔梁间不设置弹性支座。方案2。塔梁间弹性支座刚度取为1 00 0 0k N/m。方案3。塔梁间弹性支座刚度取为5 60 0 0k N/m。方案4。塔梁间采用刚性支座。3 主要计算结果与分析限于篇幅限制,计算结果仅列出官山侧一半结构计算结果。塔梁弹性支座刚度对结构静力特性的影响,主要从对钢箱梁线形、钢箱梁内力和应力、塔梁支座反力及相邻吊索索力、应力等几方面分析研究7。3.1 钢箱梁线形不同方案钢箱梁梁端转角和塔梁支座处钢箱梁转角见表1。表1 4种方案钢箱梁转角r a d工况位置方案1方案2方案3方案4成桥恒载状态梁端转角0.0 0 13 9 40.0 0 13 7 90.0 0 13 6 00.0 0 13 4 7塔梁支座处钢箱梁转角0.0 0 36 7 80.0 0 36 7 80.0 0 36 7 70.0 0 36 7 8活载M a x梁端转角0.0 2 05 6 60.0 2 03 4 00.0 2 01 3 30.0 2 00 8 0塔梁支座处钢箱梁转角0.0 1 72 6 30.0 1 71 7 80.0 1 70 3 40.0 1 70 1 3活载M i n梁端转角-0.0 1 64 9 0-0.0 1 63 2 9-0.0 1 62 4 0-0.0 1 63 1 3塔梁支座处钢箱梁转角-0.0 1 41 3 0-0.0 1 40 4 7-0.0 1 39 3 6-0.0 1 38 8 9 成 桥 恒 载 状 态 下 方 案1梁 端 转 角 为0.0 0 13 9 4r a d,从方案2至方案4,随着塔梁弹性支座刚度的增大,梁端转角逐渐减小;而塔梁支座处钢箱梁转角4种方案变化不明显,但整体呈减小趋势。而运营状态活载M a x及活载M i n 2种工况下,从方案1至方案4,随着塔梁弹性支座刚度的增大,梁端转角和塔梁支座处钢箱梁转角均逐渐减小。不同方案钢箱梁跨中和塔梁支座处竖向位移见表2和图4。26董晓兵:塔梁弹性支座刚度对三跨连续悬索桥结构体系影响的研究2 0 2 3年第1期表2 4种方案钢箱梁竖向位移m工况位置方案1方案2方案3方案4活载M a x 钢 箱 梁 塔 梁支座处 0.4 0 5 0.2 5 6 0.0 9 3 0.0 2 2钢箱梁跨中 1.6 1 3 1.5 6 6 1.4 5 1 1.3 9 9活载M i n 钢 箱 梁 塔 梁支座处-0.6 1 0-0.3 9 1-0.1 4 4-0.0 2 0钢箱梁跨中-3.9 2 9-3.9 2 2-3.8 4 5-3.8 2 2图4 4种方案竖向变形包络图由图4可知,4种方案结构变形在主桥大部分范围均比较接近,而塔梁支座处和跨中位移变化较为剧烈;在方案1至方案4活载M a x和活载M i n2种工况下(见表2),跨中竖向位移分别从1.6 1 3,-3.9 2 9m减小至1.3 9 9,-3.8 2 2m;塔梁支座处钢箱梁竖向位移分别从0.4 0 5,-0.6 1m降低至0.0 2 2,-0.0 2m,可见塔梁支座处和跨中位移的显著减小可以提高行车舒适度。综上所述,从钢箱梁线形方面,方案4为最优方案,增大塔梁弹性支座刚度可以减小梁端和塔梁支座处钢箱梁转角、钢箱梁跨中和塔梁支座处竖向位移,增大钢箱梁体系刚度,使运营状态下钢箱梁线形更加平顺,行车舒适度更高。3.2 钢箱梁弯矩和应力不同方 案 钢 箱 梁 弯 矩 和 应 力 分 别 见 表3、表4。表3 3种方案钢箱梁弯矩k Nm工况位置方案1方案2方案3方案4活载M a x活载M i n塔梁支座处钢箱梁9 63 1 6-1 0 37 1 61 0 82 7 8-1 3 77 0 01 3 12 2 4-1 8 13 0 91 5 13 9 0-2 1 09 4 7表4 4种方案钢箱梁应力MP a工况位置方案1方案2方案3方案4活载M a x活载M i n塔梁支座处钢箱梁顶板 5 16 89 01 0 5底板 9 51 0 71 2 91 4 9顶板-4 8-5 4-6 5-7 5底板-1 0 2-1 3 61 7 8-2 0 7 由表3、表4可见,活载作用下,从方案1至方案4随着塔梁弹性支座刚度的增大,塔梁支座处钢箱梁弯矩及顶板、底板应力均逐渐增大,正弯矩从9 63 1 6k Nm增大至1 5 13 9 0k Nm,其相应钢箱梁顶板应力由5 1 MP a增大至1 0 5 MP a,底板应力由9 5 MP a增大至1 4 9 MP a;负弯矩从-1 0 37 1 6k Nm增大至-2 1 09 4 7k Nm,其相应钢箱梁顶板应力由-4 8 MP a增大至-7 5MP a,底板应力由-1 0 2MP a增大至-2 0 7MP a;由此可见,从钢箱梁内力和应力方面,方案1为最优方案,塔梁弹性支座刚度的增加会增大塔梁弹性支座位置处钢箱梁的弯矩,其相应钢箱梁应力值也会增大,底板应力变化最大,成为塔梁弹性支座刚度取值的控制因素。3.3 塔梁弹性支座反力及相邻吊索力、应力不同方案塔梁弹性支座反力及相邻吊索力见表5。表5 4种方案塔梁弹性支座支反力及相邻吊索力k N工况位置方案1方案2方案3方案4增量 成桥恒载状态 塔梁支座反力-2 0 2-4 3 6-5 8 2-3 8 0边跨N 1索力32 7 732 3 731 8 931 6 0-1 1 7中跨M 1索力33 2 532 8 632 4 232 1 4-1 1 1 注:增量为方案4与方案2的差值。成桥恒载状态下,随着塔梁弹性支座刚度的增大,塔梁弹性支座反力从2 0 2k N增大至5 8 2k N,而相邻塔梁弹性支座的边跨N 1和中跨M 1吊索索力也逐渐减小,塔梁弹性支座反力增大3 8 0k N,相邻边跨N 1和中跨M 1吊索索力分别减小1 1 7,1 1 1k N,占比6 0%,说明增大塔梁弹性支座刚度可大幅减小相邻边跨N 1和中跨M 1吊索索力。不同方案塔梁弹性支座相邻吊索应力见表6。表6 4种方案相邻吊索应力幅MP a工况位置方案1方案2方案3方案4活载边跨N 1索3 7 92 0 61 1 91 6 0中跨M 1索3 7 32 0 91 0 81 4 0 活载作用下,不设置塔梁弹性支座的方案1,其相邻的边跨N 1和中跨M 1吊索应力分别为3 7 9,3 7 3MP a,远超过了规范规定的拉索疲劳应力幅2 0 0MP a;设置塔梁弹性支座后,塔梁弹性支座刚度最小的方案2其相邻的边跨N 1和中跨M 1吊索应力最大,分别为2 0 6,2 0 9MP a,塔梁弹362 0 2 3年第1期董晓兵:塔梁弹性支座刚度对三跨连续悬索桥结构体系影响的研究性支座刚度最大的方案4其相邻的边跨N 1和中跨M 1吊索应力并非是最小,而是选择合适塔梁弹性支座刚度的方案3其相邻的边跨N 1和中跨M 1吊索应力最小,分别为1 1 9,1 0 8 MP a。由此可见,从吊索应力方面,方案3为最优方案,需要根据主桥结构体系选择合适的塔梁弹性支座刚度,才能减小其相邻位置的吊索应力幅,防止吊索疲劳断裂。3.4 动力特性不同方案前2阶结构动力特性8见表7。表7 4种方案前2阶自振频率及振型工况阶次自振频率/H z方案1方案2方案3方案4振型特征成桥恒载状态10.0 51 8 20.0 51 7 70.0 51 7 40.0 51 7 2缆梁横向一阶对称振动 20.0 92 1 80.0 92 7 10.0 93 2 50.0 93 6 3缆梁竖向一阶反对称振动 随着塔梁弹性支座刚度的增大,第一阶横向对称振动频率有轻微减小,第二阶竖向反对称振动频率增大,表明塔梁弹性支座刚度的增大会提高结构竖向刚度,但结构基频减小,降低了结构横向刚度,因此弹性支座刚度选取应综合考虑结构静动力特性等多方面性能要求。4 结语三跨连续弹性支承钢箱梁悬索桥相对于其它体系悬索桥,具有结构受力更合理,行车舒适度高,伸缩缝少、易养护等优点,根据对塔梁弹性支座刚度的分析得出以下结论。1)综合钢箱梁线形、钢箱梁弯矩和应力、塔梁支座反力及相邻吊索索力、应力、动力特性等方面来看,本桥方案3为最优方案,均满足规范要求。2)结构变形在主桥大部分范围均比较接近,而塔梁支座处和跨中位移变化较为剧烈;增大塔梁弹性支座刚度,减小了钢箱梁的梁端转角和塔梁支座处钢箱梁转角,也显著减小了钢箱梁塔梁支座处和跨中位移,提高了结构体系刚度,增加了行车舒适度。3)增大塔梁弹性支座刚度,塔梁支座处钢箱梁的弯矩和应力会随之增大,而底板应力成为塔梁弹性支座刚度取值的控制因素之一。4)随着塔梁弹性支座刚度的增大,成桥恒载状态下塔梁弹性支座反力也逐渐增大,其相邻的长吊索索力减小6 0%;活载状态下选取合适的塔梁弹性支座刚度,可显著减小相邻长吊索的应力幅,但塔梁弹性支座刚度与相邻长吊索的应力幅并非反比关系,支座刚度过大也会增大相邻长吊索的应力幅,因此塔梁支座区相邻长吊索的应力幅也成为塔梁弹性支座刚度取值的控制因素。5)塔梁弹性支座刚度的增大提高了结构竖向刚度,但结构基频有轻微减小,结构横向刚度有所降低。参考文献1 刘源,李鸥,林吉明.复杂海域条件下大跨悬索桥钢箱梁安装关键技术J.世界桥梁,2 0 2 1(2):3 6-4 2.2 李鸥,黄向东,袁建新,等.秀山大桥主桥钢箱梁施工过程计算分析J.桥梁建设,2 0 1 9(1):1 0 7-1 1 2.3 张鑫敏,徐源庆,鲁立涛,等.虎门二桥坭洲水道桥纵向约束体系研究J.桥梁建设,2 0 1 9(2):7-1 2.4 谭立心,李传习.虎门二桥坭洲水道桥塔区无吊索钢箱梁临时支承体系设计J.世界桥梁,2 0 1 9(4):6-1 1.5 李万恒,王元丰,李鹏飞,等.三塔悬索桥桥塔适宜刚度体系研究J.土木工程学报,2 0 1 7(1):7 5-8 1.6 吉林,阮静,王陶.泰州大桥三塔两跨悬索桥关键技术J.公路交通科技,2 0 1 5(2):9 4-9 9.7 王路,侯康,沈锐利,等.三塔以上悬索桥关键力学行为及结构成立特征J 东南大学学报(自然科学版),2 0 2 1(3):3 9 1-3 9 7.8 刘家兵.大跨度公铁两用钢桁梁悬索桥整体静动力特性分析J.桥梁建设,2 0 2 0(4):2 3-2 8.R e s e a r c ho fT o w e r-g i r d e rE l a s t i cS u p p o r t S t i f f n e s so nT h r e e-s p a nC o n t i n u o u sS u s p e n t i o nB r i d g eS t r u c t u r eS y s t e mD ONGX i a o b i n(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rH e a l t ha n dS a f e t yo fB r i d g eS t r u c t u r e s,Wu h a n4 3 0 0 3 4,C h i n a;2.C h i n aR a i l w a yB r i d g eS c i e n c eR e s e a r c hI n s t i t u t e,L t d.,W u h a n4 3 0 0 3 4,C h i n a)46董晓兵:塔梁弹性支座刚度对三跨连续悬索桥结构体系影响的研究2 0 2 3年第1期A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h e i n f l u e n c eo f t o w e r-b e a mv e r t i c a l e l a s t i cs u p p o r t s t i f f n e s so nt h es t r u c-t u r a l s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f t h r e e s p a nc o n t i n u o u s e l a s t i c s u p p o r t e ds t e e l-b o xg i r d e r s u s-p e n s i o nb r i d g e,b a s e do nZ h e j i a n gX i u s h a nb r i d g ew i t hm a i ns p a no f9 2 6m,f o u rm o d e l sa r ee s t a b-l i s h e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tg e n e r a ls o f t w a r em i d a sC i v i l2 0 1 3,t h ec o n t r o lf a c t o r sa r ei n t r o-d u c e d,a n d t h e s t r u c t u r a l s t a t i c a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f t h e f o u r s c h e m e s a r e c o m p a r e d.T h e r e-s u l t ss h o wt h a t i n c r e a s i n g t h e s t i f f n e s so f t h e t o w e r-b e a me l a s t i c s u p p o r t c a nr e d u c e t h eb e a m-e n da n-g l e,t h es t e e l-b o xb e a ma n g l ea t t h et o w e r-b e a ms u p p o r ta n dt h em i d-s p a nd i s p l a c e m e n to f t h es t e e l-b o xb e a m,b u t t h em o m e n t a n ds t r e s so f t h es t e e l-b o xb e a ma t t h e t o w e rb e a ms u p p o r tw i l l i n c r e a s e.U n d e r t h ed e a d-l o a ds t a t eo f t h e c o m p l e t e db r i d g e,t h e r e a c t i o n f o r c ea n ds t r e s so f t h e s t e e l-b o xb e a ma t t h e t o w e r-b e a me l a s t i cs u p p o r ta l s og r a d u a l l yi n c r e a s e s,a n dt h ef o r c eo f t h ea d j a c e n t l o n gh a n g e rw i l lb er e d u c e db y6 0%.H o w e v e r,o n l yt h ea p p r o p r i a t es t i f f n e s so ft h et o w e r-b e a me l a s t i cs u p p o r tc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e t h e s t r e s s a m p l i t u d eo f t h ea d j a c e n t l o n gh a n g e r.I nc o n c l u s i o n,i t i sp r o p o s e dt h a t t h eb o t t o mp l a t e s t r e s so f t h e s t e e l b o xg i r d e r a n d t h e s t r e s s a m p l i t u d eo f t h e l o n gh a n g e r a r e t h ec o n t r o l f a c t o r s f o r t h e s t i f f n e s sv a l u eo f t h e t o w e r-b e a me l a s t i c s u p p o r t.T h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c yo ft h es t r u c t u r ew i l l d e c r e a s es l i g h t l y,a n dt h e t r a n s v e r s es t i f f n e s so f t h es t r u c t u r ew i l lb er e d u c e d.K e yw o r d s:t h r e e-s p a nc o n t i n u o u s s t e e l b o xg i r d e r s u s p e n s i o nb r i d g e;e l a s t i c s u p p o r to f t o w e r-g i r d e r;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d;r o t a t i o n;i n t e r n a l f o r c eo f s t e e lb o xg i r d e r;h a n g e rs t r e s sa m p l i t u d e(上接第5 4页)H e a l t ha n dS a f e t yA s s e s s m e n t o fC F S TA r c hB r i d g eB a s e do nM o n i t o r i n gD a t aL ANX i a n l i n,WANGD e m i n g,MAS h e n g t a o,CHENZ i y a n,ZHUC h e n g q i a n(G u i z h o uT r a n s p o r t a t i o nP l a n n i n gS u r v e ya n dD e s i g nA c a d e m eC o.L t d.,G u i y a n g5 5 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h eh e a l t hs t a t u so fC F S T(c o n c r e t ef i l l e ds t e e l t u b u l a r)a r c hb r i d g e i nt h eo p e r a t i o ns t a g e,f i r s t l y,t h eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e ma n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo faC F S Ta r c hb r i d g ea r ee s t a b l i s h e db yu s i n gB I Ma n dm i d a sC i v i lp l a t f o r m sr e s p e c t i v e l y.S e c o n d l y,t h ef i n i t ee l e-m e n tm o d e l o fC F S Ta r c hb r i d g e i sm o d i f i e d i nc o m b i n a t i o nw i t h t h em e a s u r e dd a t a.F i n a l l y,b a s e do nt h em o d i f i e df i n i t ee l e m e n tm o d e l,t h es a f e t ys t a t u so fC F S Ta r c hb r i d g ei se v a l u a t e df r o mt h ep e r-s p e c t i v eo f s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h em e a s u r e dd e f l e c t i o nv a l u e so f t h em a i nb e a ma t 1/4s e c t i o na n d3/4s e c t i o na r e2 5.1 0mma n d2 2.8 7mmr e s p e c t i v e l y.C o m b i n e dw i t ht h em o d i f i e db e n c h m a r kf i n i t ee l e m e n tm o d e l,t h es t r u c t u r a l s a f e t ys t a t u so fC F S Ta r c hb r i d g e i se v a l u a-t e d,a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t t h eC F S Ta r c hb r i d g es t r u c t u r e i s i nas a f es t a t e.K e yw o r d s:C F S Ta r c hb r i d g e;B I M m o d e l;h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m;b e n c h m a r k f i n i t e e l e m e n tm o d-e l;s a f e t ya s s e s s m e n t562 0 2 3年第1期董晓兵:塔梁弹性支座刚度对三跨连续悬索桥结构体系影响的研究