自锚式悬索桥主塔稳定计算方法及影响因素分析

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1、2013年7月第7期城市道桥与防洪桥梁结构73自锚式悬索桥主塔稳定计算方法及影响因素分析宋凯(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)摘要：自锚式悬索桥力学特性与传统地锚式悬索桥有所区别。该文分析了稳定计算原理，并以西宁市海湖新区文汇路跨湟水河大桥为例，将主塔稳定计算放在全桥总体模型中进行，考虑了全桥其他构件对主塔刚度的影响，分别针对不同边界条件计算主塔稳定临界力。结果表明：主梁纵向约束条件对自锚式悬索桥的主塔稳定计算影响较大，当塔梁之间设置纵向约束时，主塔稳定临界力相比纵向滑动体系提高较多。塔梁之间的转动约束对主塔稳定影响相对较小。关键词：自锚式悬索桥；主

2、塔；稳定计算；桥梁设计中图分类号：u441文献标识码：A文章编号：lOO9—7716(2o13)07—0073—031概述甘随着悬索桥跨径的不断增大，主塔高度的增：l’：II加，主塔稳定分析成为控制悬索桥设计的控制因{1素之一。在悬索桥设计计算分析中，主塔在主缆约系梁望一束下的稳定计算公式在规范中并未提及。对于传V：：统的地锚式悬索桥，国内外学者已针对这个问题∞／275、开展了许多研究f1】。自锚式悬索桥取消了传统悬索F一I1桥中所必须的巨大的锚锭，将主缆直接锚固在加0擅口盆叠口nl劲梁上，使主梁直接承受主缆传来的水平力。全桥一—L一]10J／}2．S。．。82．结构体系的改变

3、，对主塔稳定分析产生了巨大的．25__影响。本文以西宁市海湖新区文汇路跨湟水河大：1II桥为例，研究了自锚式悬索桥主塔稳定分析的计算方法，并对影响因素做出一定探讨。西宁市文汇路跨湟水河大桥为两塔五跨混凝土图2主塔立面和侧面图(单位：m)自锚式悬索桥，跨径布置为(24+65+158+65+24)m，2主塔稳定计算方法全桥长度336m，主跨及边跨为悬吊结构。主塔采用门式塔框架结构，总高51m。全桥两根主缆，双结构失稳是指在外力作用下结构的平衡状态缆面均为垂直索面，主缆水平距离19m，吊索纵向开始丧失稳定性，稍有扰动则变形迅速增大，最后间距为6m。梁采用单箱三室混凝土鱼腹梁，梁高使结

4、构遭到破坏。稳定问题分为两类。第一类为平2．2m，顶宽27-3m。锚固墩和边墩处设置竖向支衡分支稳定，结构达到临界荷载时，除结构原来的座，桥塔处设置竖向支座和横向抗风支座。图1为平衡状态理论上仍然可能外，出现第二个平衡状全桥总体布置图，图2为主塔构造示意图。态。第二类是结构保持一个平衡状态，随着荷载的增加在应力比较大的区域出现塑性变形，结构变形也很快增大，当荷载达到一定数值时，即使不再增加，结构变形也自行迅速增大而使结构破坏。实际工程中的结构稳定都属于第二类，但是第一类稳定问题力学模型单纯明确，其临界荷载又近似地代表相应的第二类稳定的上限，因此在理论分图1总体布置图(单位：m)

5、析中占有重要地位f21。对于两端铰支的受压杆件，其挠曲线微分方程：收稿日期：2013—05—14作者简介：宋凯(1981一)，男，湖北仙桃人，硕士，工程师，从事P=n==道路桥梁工程设计工作。E174桥梁结构城市道桥与防洪2013年7月第7期式中，P为曲率半径；E为弹性模量；，为截面惯性矩。令：=，计算得到微分方程通解为：v=C1sinaz+C2cosa．z根据边界条件z=0，v=O；z=l，v=0，可得到杆件的临界力为：早压杆稳定问题中，边界约束条件对临界力的大小有很大影响，不同支承情况下压杆的临界力与其计算长度的平方成反比，即：=器，对于一端固接、一端自由的压杆，计算长度B

6、L=2L【2。。图4裸塔模型一阶纵向失稳模态图示对于一般构件，线性稳定问题可用直接积分法计算，对于较复杂的结构，则采用有限单元法更个整体，分析结构整体稳定，找到主塔失稳的第一适宜。计算时可先用直接刚度法将各单元的刚度阶振型，才能反应主塔稳定的真实状态。矩阵(含几何刚度矩阵)集合成结构刚度矩阵，并在全桥整体模型中，在塔顶施加单位力，计算建立结构的平衡方程进行求解，即在整体结构模得到主塔顺桥向稳定临界力为3501MN。杆件计型中考虑局部杆件的稳定问题。算长度BL=I．54L。图5、图6分别为主塔一阶纵向失稳模态的透3工程计算实例视图和立面图。西宁市文汇路跨湟水河大桥为两塔五跨混凝土

7、自锚式悬索桥，全桥采用半漂浮体系，在主塔牛腿处设置纵向滑动支座，主梁与桥塔之问设置横向抗风支座，在边墩和锚墩处设置纵向活动支座及横向抗震挡块。针对该工程，建立有限元模型如图3所示。图5主塔一阶纵问失稳模态(透视图】翟I—l图6主塔一阶纵向失稳模态(立面图)计算显示，对于主塔顺桥向稳定临界力，是否考虑结构总体刚度的因素，对结果影响比较大，杆图3全桥结构有限兀模型件计算长度从2L变为1．54L，说明主缆对主塔的去掉主梁和主缆等结构，仅保留主塔，在塔身约束作用较为明显。施加轴力以考虑结构中几何刚度