极限承载力 [空间扭背索斜拉桥极限承载力分析]

　　中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2012）12-0170-01　　摘要：针对空间扭背索斜拉桥所产生的非线性影响、主跨在偏载作用下的失稳特征，对斜拉桥极限承载能力的分析方法进行了综述。研究发现在考虑斜拉索垂度影响的情况下，由塑性铰法计算所得的活荷载系数偏小，且最小活荷载系数出现在主塔最大位移工况，即该荷载工况为极限承载力的最不利工况。
　　关键字：组合梁斜拉桥 空间扭背索 极限承载能力 几何非线性 塑性铰法
　　0、前言
　　随着我国经济的发展和人们对城市景观需求的提高，近年来在一些城市已经出现空间扭背索组合梁斜拉桥。空间扭背索组合梁斜拉桥能够完成与常规斜拉桥相当的社会公用，并且这种桥型造型美观，适合成为城市的标志性建筑，因此逐渐受到重视，并在大型工程中得以应用。然而，目前国内外对空间扭背索所产生的非线性影响、主跨在偏载作用下的失稳特征等问题的分析结果不多，对于其极限承载力的计算，可供参考的文献较少，仍需进一步研究。
　　1、依托工程简介
　　本文以山东境内某桥为依托工程进行计算分析。该桥主桥上构为独柱斜塔空间扭面背索斜拉桥，墩、塔、梁固结，其跨径组成为96m+220m=316m。其中边跨主梁为预应力混凝土边箱梁，桥塔采用独柱斜塔，主塔全高133.147m（包括装饰性塔冠16 m），桥面以上塔高118m。塔身顺桥向偏离铅垂面8°，倾向岸侧。主塔采用空心断面，因塔、梁固结，在固结区设7.5m厚的实心段。预应力混凝土箱梁伸过桥塔10.5m，通过1.5m钢混结合段与钢箱梁连接。全桥共设56根斜拉索，根据索力的不同分别采用PES7系列的109～211丝不同规格。
　　2、有限元模型建立
　　本文采用ANSYS大型空间计算软件进行建模计算，模型所示使用单元为：主梁、桥塔及横梁采用beam44单元；拉索采用link10单元。边跨混凝土梁采用梁格法，主跨采用单主梁模型，斜塔采用空间梁单元模拟，拉索采用索单元模拟。结构离散图见图1。
　　模型中斜拉索因受到垂度影响，其受力性能会发生改变，本文按照Ernst公式对斜拉索的弹性模量进行修正。依据对模型桥线弹性分析结果并结合该桥的结构特点，采用以下2种最不利工况按照中载和偏载分别加载，计算分析其极限承载力，并考虑斜拉索垂度影响的几何非线性考虑形式进行分析：工况1：主跨弯矩最不利截面加载；工况1：塔顶截面最大水平位移加载。
　　在以上工况中，中载按照双向六车道折减后加载，偏载按照三车道折减后加载。
　　3、承载力分析
　　3.1 主跨跨中最不利加载作用
　　该工况ANSYS计算施加了六个荷载步，当活荷载系数达到9.45时，主塔锚固区下部C1索-C2索段达到极限承载力，结构出现第三个塑性铰，此时将塑性铰加在主梁向上56m的主塔截面上（10号节点），同时在塑性铰节点位置施加和此截面屈服弯矩相等的力矩，大小为4.99×108 kN·m。此时第二个塑性铰位置发生转动，节点顺桥向位移达到124.664m，结构已转变为几何可变体系，按照塑性铰法理论，认为此阶段结构破坏，计算结束，出现第三个塑性铰时的外荷载即为此种工况下斜拉桥的极限承载力。偏载和中载计算结果见表1。
　　3.2 塔顶最大位移加载作用
　　该工况ANSYS计算施加八个荷载步，当活荷载系数达到9.25时，主塔锚固区下部C1索-C2索段达到极限承载力，结构出现第三个塑性铰，此时将塑性铰加在主梁向上56m的主塔截面上（10号节点），同时在塑性铰节点位置施加和此截面屈服弯矩相等的力矩，大小为4.99×108 kN·m。此时第二个塑性铰位置发生转动，节点顺桥向位移达到124.664m，结构已转变为几何可变体系，按照塑性铰法理论，认为此阶段结构破坏，计算结束，出现第三个塑性铰时的外荷载即为此种工况下斜拉桥的极限承载力。中载和偏载计算结果见表2。
　　4、结论
　　本文共采用两种最不利的加载方式，同时考虑斜拉索垂度效应的非线性影响，对依托工程进行极限承载力分析，并对比其结果。结果表明：（1）本文选取的两种工况即主跨跨中最不利加载形式和塔顶最大位移加载形式是安全储备比较低的加载形式；（2）中载加载下工况1即主跨跨中最不利加载形式的安全储备较低，偏载加载下工况2即塔顶最大位移加载形式的安全储备较低。
　　参考文献：
　　[1]林元培.斜拉桥.人民交通出版社，1998年
　　[2]贺拴海，高等桥梁结构理论与计算方法，人民交通出版社，2003年8月
　　[3]项海帆等.高等桥梁结构理论.北京.人民交通出版社.2001
　　[4]华孝良，徐光辉.《桥梁结构非线性分析》 .人民交通出版社.1997

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