地锚式独塔悬索桥非对称主缆合理设计参数计算方法研究.pdf
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1、为快速拟定地锚式独塔悬索桥非对称主缆的合理设计参数,并估算主缆、锚碇、桥塔等 工程量,提出非对称主缆合理设计参数计算方法。该方法基于传统抛物线理论,推导主缆的线形以 及拉力近似解,通过比选得到满足工程实际控制因素的设计参数合理取值区间,确定主缆垂跨比与 高跨比,估算主缆设计截面面积。以济新高速黄河三峡大桥单跨510 m地锚式独塔回转缆钢 桁梁悬索桥为背景,采用该方法计算主缆的合理设计参数,最终选择垂跨比为0.067 5,高跨比为 0.20,主缆截面面积为339 024.2 mm?,与节线法、分段悬链线法进行对比验证,结果表明:该计算 方法路径明确,效率高,精度满足拟定方案与初步估算需要,可用于
2、同类型桥梁的设计。关键词:地锚式独塔悬索桥;非对称主缆;传统抛物线理论;设计参数;垂跨比;高跨比 中图分类号:U44&25;U442.5 文献标志码:AMethod to Calculate Rational Parameters of Asymmetric Main Cables of Earth-Anchored Single Tower Suspension BridgeLIN Yang,ZHU Yu(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:In t h is
3、p ap er,a met h o d t o q uic kl y c al c ul at e t h e rat io nal desig n p aramet ers o f asy mmet ric main c abl es o f t h e eart h-anc h o red sing l e t o wer susp ensio n bridg e and p redic t t h e eng ineering q uant it ies o f main c abl es,anc h o rag es and t o wer are p ro p o sed Devel
4、 o p ed fro m t h e c o nvent io nal p arabo l a t h eo ry,t h e p ro p o sed met h o d is abl e t o derive t h e g eo met ry o f t h e main c abl es and ap p ro x imat e so l ut io ns o f main c abl e fo rc es,based o n wh ic h t h e rat io nal rang es o f desig n p aramet ers t h at meet t h e ac
5、t ual c o nt ro l fac t o rs o f t h e eng ineering were o bt ained.As a resul t,t h e sag-t o-sp an rat io o f t h e main c abl es c an be det ermined,and t h e desig n c ro ss-sec t io nal area o f t h e main c abl es c an be est imat ed.Th e Yel l o w River Th ree Go rg es Bridg e o f Jiy uan-Xin
6、/an Ex p ressway,an eart h-anc h o red sing l e t o wer susp ensio n bridg e wit h a main sp an o f 510 m(wh ere t h e h ang er c abl es are arrang ed o nl y in t h e main sp an and t h e main c abl es are anc h o red wit h deviat io n saddl es),was used as a c ase.By using t h e p ro p o sed met h
7、o d,t h e sag-t o-sp an rat io,st iffening g irder dep t h t o sp an rat io and c ro ss-sec t io nal area o f main c abl e were det ermined t o be 0 067 5,0.20 and 339 024.2 mm2,resp ec t ivel y Th e resul t s were c o mp ared wit h c al c ul at io ns c arried o ut by t h e no de-l ine met h o d and
8、 seg ment al c at enary met h o d.Th e verific at io n demo nst rat es t h at t h e p ro p o sed met h o d c an sat isfy t h e so l ut io n sel ec t io n and init ial est imat io n ac c urac y req uirement s,wit h c l ear p at h s and h ig h effic ienc y,wh ic h is an o p t io n fo r t h e desig n o
9、 f simil ar t y p e o f bridg es.Key words:eart h-anc h o red sing l e t o wer susp ensio n bridg e;asy mmet ric main c abl e;c o nvent io nal p arabo l a t h eo ry;desig n p aramet er;sag-t o-sp an rat io;st iffening g irder dep t h t o sp an rat io收稿日期收稿日期=2022-08-01基金项目:中交集团创新平台专项项目(2022-ZJKJ-PTJ
10、S15)Inno vat io n Pl at fo rm Sp ec ial Pro j ec t o f Ch ina Co mmunic at io ns Co nst ruc t io n Co mp any Limit ed(2O22-ZJKJ-PTJS15)作者简介:林 阳,工程师,E-mail:l iny ang l227q q.c o mD研究方向:大跨度桥梁结构设计。地锚式独塔悬索桥非对称主缆合理设计参数计算方迭研究 林阳,朱玉551引言悬索桥在结构形式、跨越能力、施工方法等 方面有诸多优点,被广泛应用于跨越江、海、峡谷 等大、中跨径的桥梁建设。随着我国交通基础设 施进一步发
11、展,常规形式的悬索桥难以适应更加 复杂、特殊的地形、地质、施工条件。在此背景 下,诸如独塔非对称悬索桥、不同垂度四主缆悬 索桥等新的悬索桥结构形式3、桥梁材料及施 工方法应运而生商。目前国内外已建成比较典型的独塔非对称悬 索桥包括:广东佛山平胜大桥(主跨350 m自锚式 悬索桥,2006年建成)、美国旧金山新海湾大桥(New San Franc isc o-Oakl and Bay Bridg e,主跨 565 m自锚式悬索桥,2013年建成)冈、西藏通麦 大桥(主跨256 m地锚式悬索桥,2015年建成)等。国内外学者对独塔悬索桥的设计参数进行了 相关研究:杨勇等讷采用索的线形理论求解独塔
12、悬索桥主缆线形;蒋望等采用挠度理论及等代 梁法得出该类桥型主缆理论合理垂跨比为0.04 0.08,高跨比为0.20.4;Grig o rj eva等口幻采用数 值分析法探究了对称与非对称荷载及不同架设方 法下,非对称地锚式悬索桥索、梁刚度间的关系;兰奕轩】、杨国俊等研究了非对称悬索桥的设 计参数对结构静、动力特性的影响;赵煜等间研究 了某地锚式独塔悬索桥的主缆垂跨比、边缆锚固 角度等的影响。然而,国内外已建成的独塔悬索桥大多属于 自锚式结构,且跨径主要集中在300 m左右,远未 达到经济跨径。地锚式独塔悬索桥的非对称主缆 承受吊索传递的竖向力,并将索力分别传至两侧 锚碇以及桥塔,而主缆水平力则
13、分别由中、边跨的 锚碇平衡。相较于常规的对称主缆,非对称主缆 在跨中处的拉力并非水平,且锚碇与桥塔分担的 竖向力随着主缆不对称程度改变而改变,大大增 加了拟定方案与初步估算的难度。同时由于已建 成的地锚式独塔悬索桥较少,目前关于该类桥型 的设计参数研究多在理论阶段,对于工程实际设 计与施工还缺乏指导性。鉴于此,本文提出一种 基于传统抛物线理论求解非对称主缆合理设计参 数的近似计算方法,以目前在建的一座地锚式回 转缆悬索桥(全桥设1根主缆,绕锚碇回转锚 固)一济新高速黄河三峡大桥为背景匸“,采用该 方法分析地锚式独塔悬索桥的受力变化规律,求 解非对称主缆的合理设计参数。2基于传统抛物线理论的主缆
14、线形近似计算方法悬索桥主缆线形理论主要包括传统抛物线法、节线法和分段悬链线法山-遡。节线法配合牛顿迭代 法是数值迭代近似计算法,分段悬链线法是精确的 主缆线形算法,两者精度较高,但计算流程较为复 杂。传统抛物线法存在一定偏差,但广泛应用于主 缆材料估算以及小跨径悬索桥的主缆内力计算,更 适合非对称主缆的合理设计参数研究。因此本文提 出一种计算方法,采用传统抛物线理论求解主缆线 形及拉力近似解,可得到满足工程实际控制因素的 参数合理区间,并估算出主缆设计截面面积。2.1主缆线形及拉力近似解以中跨锚点处的锚固点作为坐标系原点,非对 称单跨简支悬索桥力学简图见图1。图1非对称单跨悬索桥力学简图Fig
15、.1 Mechanical Diagram of Asymmetric Suspension Bridge with Hangers Only Arranged in Main Span在满足传统抛物线理论的假定下,参照文献 10和17,主缆在成桥状态的线形方程为g=h/l rc+4/Z2 ,推导出主缆索长以及拉力近似解分别为:s Vl2+h2+8/2/(3Z2)(1)H=g Z2/(8/)+PZ/(4/)(2)56桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)No=:g Z7(8/)+FZ/(4/).G 4/)/2(3)Nb=:g Z7(8y)+PZ/(4
16、/).(屁 一4人)仏(4)N=:g Z7(8/)+PZ/(4/).:(/1+4/)/+(Ab+4/l j)/Zt)(5)T=Eg Z7(8/)+PZ/(4/).Vch+/y/i2+i(6)Tb=:g Z7(8/5+PZ/(4/).M(屁+4九)2/+l(7)式中,s为中跨主缆有应力索长;l、f、h分别为中跨主 缆的跨径、垂度、高差仏、九、屁分别为边跨主缆的跨 径、垂度、高差,其中fb=gcs 焉/(g c s+g g%/;g h g c S/Z+g g+g x g g c g g g q分别为缆梁恒载、主 缆恒载、加劲梁恒载以及活载均布力;P为活载集中 力;H为主缆水平力;N。、N“N分别为
17、主缆在中跨 锚碇、边跨锚碇与塔顶处的竖向力;丁、兀分别为中 跨、边跨主缆的最大拉力。通过分析上述近似解公式可得到以下结论:(1)由式(2)可知主缆的水平力与非对称参数 高跨比h/l无关,仅与荷载、跨径、垂度有关,垂跨比 772越大,主缆的水平力H越小。由式(6)、式(7)可知主缆的最大拉力丁随垂跨比的增大而减小,而 高跨比的增大则会导致拉力增大,但垂跨比相较于 高跨比对拉力的影响更大。(2)由式(3)可知当中跨主缆高跨比W4倍 垂跨比时,N。为负,主缆对中跨锚碇提供向下的 压力;当高跨比4倍垂跨比时,N。为正,主缆上 拉锚碇,锚碇的抗滑稳定性系数减小。主缆参数 与中跨锚碇的稳定性关系见图2。而
18、一般边跨锚 碇处的高跨比4倍垂跨比,主缆对锚碇提供向 上拉力Nb,当控制锚碇位置不变时,中跨高跨比 人的提高会同步导致边跨高跨比Ab/Zb的提高,此时边跨主缆对锚碇的竖向拉力也会增大,锚碇 稳定性降低。(3)垂跨比增加有利于桥塔轴力减小,而 高跨比的增加会导致桥塔轴力增大,同时也会使 得塔高提升,二阶效应增大,稳定性与经济性均 降低。2.2主缆设计参数合理区间根据上节结论,垂跨比越大,髙跨比越小,则 主缆的拉力越小,同时桥塔越矮,锚碇竖向拉力越 小,造价更为经济。但对于实际工程,非对称悬索 桥往往受桥塔高度、景观造型、边跨锚固点位置、I純巴工(b)中跨丫如A询仙)中晡1:翘WiWlfd图2主缆
19、参数与中跨锚碇稳定性关系Fig.2 Relationship between Main Cable Parameters andMidspan Anchor绍e Stability吊索的最小索长要求等多种控制因素制约,因此 非对称主缆合理设计参数求解相对于对称悬索桥 更为复杂。假设加劲梁成桥线形为直线方程g(=kx+“人分别为坡度、截距。由于主缆与加劲梁任意 位置的竖向距离需不小于吊索最小设计长度z週”,即应满足判别式=/&)&)一馬M0,其中 当 z=:(4/-WZ+2/(8/),判别式达到 最小。综上,需根据实际情况综合比较主缆、锚碇、桥 塔的受力与经济性,初步选出1组主缆
20、设计参数区 间,再验证该组参数是否满足判别式AM0的条件,若满足则为主缆的合理设计参数。2.3主缆设计截面面积估算根据现行规范公路悬索桥设计规范,估算 主缆满足承载能力极限状态的最小截面面积:(1)假定主缆截面面积为A,通过式(6)、式(7)求得恒载下中缆与边缆的最大拉力丁G。(2)按照文献口4的方法近似计算非对称悬索 桥的竖弯基频,从而估算冲击系数,再考虑活载折减 系数后求出活载下主缆的最大拉力TQo(3)考虑结构重要性系数,恒、活载组合系数 7g,7q,以及组合经验放大系数九!(根据桥址温度效 应、风荷载等相对大小取1.1-1.2),得到主缆拉力 基本组合设计值丁应,已知主缆钢丝的强度设计
21、值 为九,则主缆截面面积A需满足丁.JA=7o (7GTG+yQTQ)yUd/A/a(4)若A不满足上述条件,则需要反算截面面 积重复上述步骤;若满足,判断是否有必要进行优 化,宜至得到合理截面面积,至此主缆的合理垂跨 比、高跨比以及截面面积等设计参数求解结束。上述2.1-2.3节的近似计算方法,总结归纳后 技术路线见图3。地锚式独塔悬索桥非对称主缆合理设计参数计算方法研究 林阳,朱玉57用基于传统抛物线理论的主缆线形近似计算方法求 解非对称主缆的合理垂度/、高差h及截面面积A。3.2主缆垂跨比与高跨比比选按式(6)、式(7)分别计算主缆中跨垂跨比f/l 从0.01至0.15,高跨比h/l从0
22、.04至0.32范围内 的中、边缆的最大拉力,结果见图5。3军蹲比I授拦力的妙响图3非对称主缆合理设计参数求解技术路线 Fig.3 Technical Route for Solving Reasonable Design Parameters of Asymmetric Main Cable3工程应用3.1工程概况济新高速黄河三峡大桥为单跨510 m的独 塔地锚式回转缆钢桁梁悬索桥(图4)。大桥主缆 跨径布置为(540+185)m,主缆中心距为 37.4 m,吊索纵向间距为15 mo钢桁梁立面位 于2.2%单向纵坡上,两片主桁中心距34.2 m,采用带竖杆的华伦式桁架结构,桁高7.5 ni,
23、标 准节段长15 moI飾仙跨:g ix.l j(枣晚廻常卿图4济新高速黄河三峡大桥立面布置Fig.4 Elevation View of Yellow River Three Gorges Bridge of Jiyuan-Xinan Expressway黄河三峡大桥主缆跨径以及济源岸的转索鞍、新安岸的散索鞍理论锚固点位置已知,加劲梁一、二 期恒载为313 kN/m,主缆恒载初拟为60 kN/m,采脚谕bE轴主範投力的肱响图5主缆参数与拉力关系Fig.5 Relationship between Main Cable Parameters and Tension Forces由图5可知:(1
24、)主缆拉力随垂跨比的增大而减小,减小幅 度逐渐减小;主缆拉力随高跨比的增大而增大,增大 幅度逐渐增大;拉力对于垂跨比的变化更为敏感,当 垂跨比0.03后,拉力减小幅度基本平缓。(2)由于中跨高差人增加导致边跨高差加同 时增加,髙跨比变化对边跨拉力的影响相较于中跨 更大,在高跨比较小时,边跨拉力比中跨拉力小,而 后随着高跨比的增大边跨拉力逐渐超过中跨拉力,且随着垂跨比的增加,两曲线相交的位置逐渐延后。(3)主缆垂跨比为0.03-0.10时,拉力总体较 小,垂跨比进一步增大时拉力减小程度不明显,且垂 度过大也会影响吊索的锚固;高跨比为0.12-0.22 时,主缆的中、边跨拉力大小较为接近,继续增大
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- 关 键 词:
- 锚式独塔 悬索桥 对称 合理 设计 参数 计算方法 研究
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