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关于双斜塔斜拉桥的塔高问题分析

发表时间：2021/4/30 来源：《基层建设》2021年第1期作者：沈晶晶

[导读] 摘要：双斜塔斜拉桥是斜拉桥的一种特殊形式，国内双斜塔斜拉桥的塔高问题分析的很少，但随着桥梁结构日新月异的飞跃发展，双斜塔斜拉桥也会普遍应用。

        中铁二十一局集团有限公司勘察设计院甘肃省 730030
        摘要：双斜塔斜拉桥是斜拉桥的一种特殊形式，国内双斜塔斜拉桥的塔高问题分析的很少，但随着桥梁结构日新月异的飞跃发展，双斜塔斜拉桥也会普遍应用。所以本文研究了双斜塔斜拉桥的塔高设计参数，探讨了塔高与全桥跨长的比例问题，通过ANSYS软件设计和有限元的结构分析并得出双斜塔斜拉桥塔高的最优高度范围，适于以后双斜塔斜拉桥的设计使用。
        关键词：双斜塔斜拉桥；塔高；ANSYS；有限元
        1 概述
        本文通过ANSYS软件模拟及有限元分析了一实体桥梁了塔高与全桥长的比例，得出双斜塔斜拉桥普遍使用的结果，来确保双斜塔斜拉桥达到以经济、美观、稳定于一体的要求。
        2 全桥背景描述
        此桥为双斜塔斜拉桥，总桥长696m，跨径组成为198ｍ＋300ｍ＋198ｍ。其中边跨布置一对索，主跨布置两对索，两塔对称。桥塔采用斜塔，塔柱倾斜角度为75°。全桥采用钢-砼结构，Φ120mm镀锌拉索。梁高1.6m，宽16m，采用单箱单室梁。两斜塔均向河岸倾斜，提升塔主体采用直径630的钢管，钢管板厚16mm，利用法兰盘进行连接，形成独立的管撑立柱，提升架每侧由三个管撑立柱形成等边三角形，利用75mm×75mm×6mm的角钢形成剪刀撑对立柱进行连接，间距2.5m设置一道剪刀撑。
        3 ANSYS模型建立
        斜拉桥由桥塔、桥面系、斜拉索、墩座等组成。在该桥建模中，根据各构件的形式及受力特点，分别对应在ANSYS软件中选用合适的单元类型[3]。
        采用的单元类型如下：计算模型中梁、塔、墩采用BEAM188单元模拟，单元有３个节点，每个节点有６个自由度，本单元可以考虑应力刚化效应及大变形非线性分析。斜拉索采用空间杆单元LINK180单元模拟。
        Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，当KEYOPT（1）=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横样截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和并非线性大应变问题。
        LINK180单元是有着广泛工程应用的杆单元，本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能。桥塔、混凝土、箱梁的弹性模量为35.1GPA，泊松比为0.17，斜拉索的弹性模量为210.0GPA，泊松比为0.3。x为顺桥向，y为竖向，z为横桥向。全桥空间有限元模型如图1所示

        图1    全桥模型模拟
        4 有限元结构分析
        根据弹性有限元原理，x为顺桥向，y为竖向，z为横桥向。
        5 动力分析的基本原理
        分别建立全桥的总质量矩阵、总刚度矩阵，并不考虑阻尼的影响，即可得自由振动的特征方程为：

        其中，ω为结构自振频率，Φ为对应的各阶固有振型，采用子空间迭代法计算该桥的动力特性，主要求其自振频率和振型。
        6 塔高与桥梁主跨长比例的动力特性分析
        分别对此范围内跨高比进行研究，分析普通双塔斜拉桥的高跨比是否适合双斜塔斜拉桥，并得出使得全桥稳定的双斜塔斜拉桥的高跨比的范围

        在此范围内建立模型研究塔高对全桥稳定的力学性能，得出最优分析结果。
        表二塔高频数及阶形变形图
        从表二可看出，在塔柱和跨长比例不同的条件下，基频均有提高。塔柱为69.6m是提高幅度最大，当塔柱为90.6m时，基频提高幅度比69.6m时明显下降，但从变形图可看出桥梁及塔柱整体稳定性较好。当塔柱为111.36m，180.96m时，基频也有提高，且从变形图可看出，全桥及塔柱稳定。但从180.96m到208.8m时，基频提高幅度明显下降，塔柱和全桥也发生较大变形，当塔柱高度分别为208.8m，243.6m时，基频提高幅度越来越小，且从变形图看出，全桥及塔柱越来越不稳定，主梁发生严重侧弯，塔柱发生极大扭转。
        7 结论
        （1）对斜拉桥的参数研究是基于数值分析的有限元法，通过分别改变所要研究的设计参数取值，建立结构模型，分析其对结构的受力影响。
        （2）从有限元及动力特性分析可看出，塔高和桥跨比例为0.1—0.26时，全桥及塔柱稳定性最高，主梁侧弯与塔柱扭转变形幅度最小，当高跨比达到0.3时主梁侧弯且塔柱的扭转幅度变大，得出0.26为稳定性的分界点。
        （3）对于两斜塔向河岸倾斜的双斜塔斜拉桥来说，全桥长度与两斜塔高度的最有比例为0.1—0.26。
        参考文献：
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        [2]Angcs Z.ConcePtual design of cable一stayed systems [A].Proeeedings on ConeePtual Design of Struetures[C].Stuttgart，Germany，1996.
        [3]H..WENZEL：Cable stayed Bridge，1998
        [4]费•莱昂哈特《TPaHcniop thoe cTpoHToJ，bcTao》.1979，7
        [5]《预应力混凝土斜张桥设计构思》.1989，6
        [6]吴梦雪，董世赋，朱佳琪，陈宁，李永乐，何畏，塔高对矮塔斜拉桥力学行为的影响.西南公路，2010，4
        [7]郑凯锋，唐继舜，王应良.钢桥全桥全壳模型的空间计算方法[J].铁工程学报，1997，4（8）
        [8]王勋成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社，2004.
        [9]美国ANSYS公司驻北京办事处.ANSYS结构分析指南［Ｍ］．北京：美国ANSYS公司驻北京办事处，1998．