关于大跨径悬索桥主缆安全系数的研究doc

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1、关于大跨径悬索桥主缆安全系数的研究徐军1王晓冬1唐茂林2宋晖1（1.中交公路规划设计院有限公司北京市1000882.西南交通大学成都市610031）摘要：主缆是悬索桥的主要承重结构之一，其安全系数的取值对大跨径悬索桥的造价影响较大。本文以西堠门大桥为基础，就大跨径主缆安全系数进行了深入的研究，分别按照各国的荷载标准进行计算和组合，比对主缆相应的安全度；并对主缆的二次应力在实桥测试研究的基础上进行了计算，确保计入二次应力后主缆的安全度满足要求，在此基础上给出了大跨径悬索桥主缆设计容许应力安全系数的建议值

2、。关键词：悬索桥；主缆；安全系数；二次应力；荷载标准目前国内悬索桥主缆设计采用容许应力法，安全系数一般取2.5[1]。在悬索桥方面，我国一直没有正式颁布的规范，目前主要参考2002年中交公路规划设计院编制的《公路悬索桥设计规范》（报批稿）和日本本州四国连络桥《上部结构设计标准·及解说》进行设计。随着国内主缆钢丝材料性能的提高、施工工艺的改进、结构分析手段的完善，以及大跨度悬索桥可变作用产生的主缆缆力效应所占比例减少，因此对主缆安全系数的合理确定进行研究是必要的。本文以西堠门大桥为基础建立计算模型，分别

3、按照各国的荷载标准进行计算和组合，分别得出主缆的安全系数进行比较。本文主要按以下荷载标准及组合系数进行计算：中国规范[2]；欧洲规范EUROPEANSTANDARD[3]；大带东桥[4]；美国规范AASHTOLRFD2007[5]；Chacao桥的荷载标准[6]；日本规范[7]。西堠门大桥是舟山大陆连岛工程中的第四座大桥，桥型为主跨1650m的悬索桥，是国内最大、世界第二的大跨悬索桥结构。全桥结构布置图见图1。图1舟山西堠门大桥桥型布置图1荷载标准比较为便于比较，将各国加到各车道的荷载简化为沿顺桥向的

4、均布荷载加集中荷载组的形式。8各国荷载标准的均布荷载和集中荷载值如表1。在以欧洲规范为蓝本的East桥设计时，其荷载取值远远低于欧洲规范荷载；以美国规范为标准的Chacao桥设计时，其荷载取值也低于美国规范荷载。这是因为两种规范的荷载都只适用于200m以下的桥梁。对于特大和超大跨度桥梁，国外均会以国家规范为蓝本，制定该桥专用的设计规范或者指南，并用于指导实桥的设计和施工。表1各国荷载标准取值规范标准均布荷载（kN/m）集中荷载(kN)中国荷载32.231104.84欧洲荷载89.001200.00大带

5、东桥桥荷载(两种加载取最不利值)500m长度上分布荷载为2.5kN/m250.001200.00整个影响长度上分布1.0kN/m220.001200.00美国荷载36.270.00Chacao桥荷载30.720.00日本荷载33.391582.44注：表中均布荷载和集中荷载为根据相应荷载标准考虑了车道数、折减系数或调整系数后的数值。2计算方法和模型（1）本文采用空间几何非线性有限元法对不同体系进行研究，考虑了结构的所有几何非线性的影响[8][9][10]：（2）分析模型建立空间杆系模型。由于加劲梁为分

6、离式钢箱梁，用双主梁模型进行离散；双主梁之间的联系根据实际的横梁进行模拟，横梁梁端到主梁形心用刚臂进行模拟，吊索在下吊点通过刚臂与加劲梁连接。3计算结果比较按照不同国家规范计算时，典型位置的主缆应力（恒载+活载）比较见表2。表2主缆应力最大值（恒载+活载）荷载标准主缆应力组合最大值（MPa）容许值（MPa）安全系数或材料抗力系数富余度=1—组合／抗力或者容许值中国规范693.87082.52%欧洲规范871.89831.811.3%美国规范906.310620.614.7%日本规范694.37082.

7、52%大带东桥681.28852.023.3%8Chacao桥946.410620.610.9%由于各个规范组合系数不同，各国规范组合内力大小顺序为：Chacao桥(美规蓝本)＞美国规范＞欧洲规范＞日本规范＞中国规范＞East桥(欧规蓝本)。定义强度富余度计算如下：富余度=(1.0—组合值/抗力或者容许值)×100%，从表2可以看出，各国规范强度富余度顺序为：East桥(欧规蓝本)＞美国规范＞欧洲规范＞Chacao桥(美规蓝本)＞中国规范〉日本规范。因此，以容许应力法设计的中国规范和日本规范，当以欧洲

8、或者美国规范（极限状态法）来评价主缆结构强度时，其安全系数取值是偏大的。以大带东桥为标准，则中国规范的安全系数可以降低21.3%，安全系数降为1.97，即：减少西堠门大桥的主缆用量至安全系数1.97（中国规范），主缆仍能满足East桥规定的安全度，下同；以美国规范为标准，则中国规范的安全系数可以降低12.7%，安全系数降为2.18；以欧洲规范为标准，则中国规范的安全系数可以降低9.3%，安全系数降为2.27；以Chacao桥为标准，则中国规范的安全系数可