三塔四跨地锚式悬索桥纵向约束体系研究

CHINASCIENCEPAPER

中国科技论文

Vol. 11No. 7Apr. 2016

三塔四跨地锚式悬索桥纵向约束体系研究

12，黄群君3，余立1，刘涛1

(1.福州大学土木工程学院，福州350108; 2. 土木工程防震减灾信息化国家地方联合工程研究中心，福州350108;

3.福建省永正工程质量检测有限公司，福州350012)

张

超

摘要:为了得到三塔四跨地锚式悬索桥中最优的纵向连接方式，以某座三塔四跨悬索桥为工程背景，建立三维空间有限元模 型，考虑各种不同荷载作用对结构响应的影响规律，探讨最优的纵向约束体系。研究结果表明：边塔内力和桩基础内力受地震 作用控制，而中塔内力则受汽车荷载控制，伸缩缝变形主要受温度作用控制；在多种荷载作用下，刚性约束体系优于漂浮体系和 阻尼约束体系，可以较好地改善各种荷载作用下的响应。通过对约束装置进行位置和参数优化，提出‘‘中塔和桥台处设置纵向 固定支座”的刚性优化约束方案。关键词：桥梁工程；三塔四跨悬索桥;纵向约束体系；刚性约束体系中图分类号:U443. 2 文献标志码：A 文章编号= 2095 - 2783(2016)07 - 0733 - 06

Optimized analysis on longitudinal constraint system of three-tower

four-span earth-anchored suspension bridge

ZHANGCW’2, HUANGQunjun3, YULi1, LIUTao1

(1. College of Civil Kngineering, Fuzhou University , Fuzhou 350108, China ；2. National United Inf ormationalized Engineering Center of EarthquakeDisaster Mitigation，Fuzhou 350108,

China； 3. Fujian Yongzheng Construction Quality Inspection Co. , Ltd, Fuzhou 350012, China)

Abstract： The objective of this paper is to obtain the optimal longitudinal restraint system obridge. Athree-tower four-spansuspensionbridge (TFSB) inchinawasusedasacasestudyexample. All possible loadeffects were considered in the optimal finite element analysis. The research results showed that the internal forces of side towers and piles were controlled by the earthquake while internal forces of middle towers were controlled by vehicle loads. In addition, the relative deformation of expansion joints was seriously affected by temperature effect. Considering response of rigidity restraint system was superior to floating system and damping constraint system Based on optimized analysis of locations and parameters, the optimal rigidity restraint system was recommended, which is the longitudinal fixed supports set at middle tower.Keywords： bridge engineering； three-tower four-span earth-anchored suspension bridge； longitudinal restraint system； rigidity re­straint system

与传统双塔悬索桥相比，多塔悬索桥具有2个 显著的优点1: 一是其跨越能力非常大，可以达到双 塔悬索桥的数倍，用它来跨越宽度和水深都较大的 海峡是非常合适的;二是其经济性良好。目前，泰州 长江大桥、马鞍山长江大桥及鹦鹉洲长江大桥为我 国近年建造的三塔悬索桥。

由于中间桥塔缺少边缆的有效约束，多塔悬索 桥结构受力性能较传统双塔悬索桥有较大的区 别23，国内外桥梁专家对此新型的受力性能进行了 细致的研究。万田保等4对三塔悬索桥的中塔结构 形式的选取进行了系统研究，指出三塔两跨悬索桥 的2个重要技术指标为主缆与中主鞍座间抗滑移摩 擦系数和主梁挠跨比。同时，主梁与桥塔的约束方 式也会对多塔悬索桥的变形特征和荷载传递产生很

大的影响，进而影响结构的静动力性能。唐贺强 等5对马鞍山长江公路大桥左汊主桥的不同结构体 系(塔梁固结、支座约束、半飘浮与全飘浮）进行比 选，分析结果表明，塔梁固结结构体系抗滑安全系数 最高，结构刚度最大，中塔钢结构段应力在容许范围 内，抗风与抗震性能优于飘浮体系。梁鹏6对三塔 两跨悬索桥的主梁纵向连接方式进行了探讨，研究 结果表明，在中塔设置弹性索和边塔阻尼体系可以 得到较好的受力和变形响应。朱本谨7对多塔悬索 桥中加劲梁的铰结体系和连续体系的研究表明，荷 载作用下铰接体系中的桥塔处主梁弯矩接近于0。 而连续梁体系虽然可以减小伸缩缝数量，但会增大 伸缩缝变形需求。

目前，已有的研究多针对三塔两跨悬索桥，对三

收稿日期

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（福建省自然科学基金资助项目（

助项目（

第一作者：张超），男，副研究员，主要研究方向为大跨度桥梁防震减灾研究，

=2016-03-06

E51508102)(1985 —

20133514120006);

2013J05072);国家自然科学基金资

zhangchao1985@fzu.edu.cn

734

中国科技论文第11卷

塔四跨悬索桥而言，主梁纵向约束具有更多种的组 合方式。而且，有关多塔悬索桥约束体系的成果多 是针对某一静力或动力作用下的优选结果[8]。由于 各种荷载对结构的作用途径不同，特别是静力荷载 作用与地震等动力荷载的作用规律相关较大，对于 约束体系的要求可能会有所差别甚至冲突，因此，需 要综合考虑各种荷载作用，确定控制荷载工况，才能 综合比选出较优的约束体系。

本文以首座二塔四跨悬索桥为工程背景，考虑 各种不同荷载作用，对纵向约束体系进行比选。基 于2000建立三维空间有限元模型，在分析各

1工程背景及数值分析模型

1.1工程背景

主桥设计为三塔四跨悬索桥方案，主梁跨度布

置为 200 +2850 +200 =2 100 ，四跨主梁 均为简支体系，主梁采用整幅桥面布置，双向8车 道。主缆跨度布置为：25+2850 +225 = 2 150 ，主缆矢跨比为1/9,横向中心距为36 ，吊 点间距15 。主梁断面为钢-混凝土结合梁，梁高3 ，标准节段长15 。中塔为钢-混叠合塔，叠合面

mXmmm

m

mXm

SAPN

mQ

m

m

m

m

种荷载作用对结构各关键截面响应的影响规律的基 础上，对纵向约束体系进行位置和参数优化分析，得 到最优的纵向约束体系。

在桥面以下，边主塔采用混凝土结构。钢梁采用 370钢，桥面板采用60混凝土。锚碇为重力式

qdC

结构。结构布置如图1所示。

1.2数值模型

本文采用 2000建立了三维有限元模型，

全桥共2 797个单元。主缆和吊索采用梁单元模拟， 但忽略其弯曲刚度，考虑缆索及吊索的柔性，同时设 置拉压限值，模拟只受拉不受压的特性。主缆按吊 索的吊点进行离散，考虑几何非线性及垂度的影响， 对其弹性模量进行修正。桥塔在计算模型中用空间 梁单元模拟，单元节点取截面形心的连接线。钢主 梁采用空间梁单元进行模拟，由实际梁计算的实际 截面特性输人进行计算，主梁在模拟中用脊梁模式 进行模拟，质量包括所有桥面系的质量，并考虑扭转 质量惯矩的影响。采用弹性嵌固法考虑粧-土-结构 相互作用。塔底以及辅助墩承台重作为附加集中质 量到粧顶节点上，粧与墩采用主从连接。全桥三维 有限元如图2所示。2

结构基本受力特性分析

SAPN

工况的结果;（温度作用:考虑温度作用，分别考虑体 系升温和降温作用，包括升温十30 °，降温取一 40 ; 4)静风作用：桥址处设计基本风速10为25. 6 /，按类地表计算，静阵风系数1.2;5)汽车制动 力:按照《城市桥梁设计规范 166—2011)取汽 车总重力的10%; 6)地震作用:按桥梁抗震细则，背 景桥属于类桥梁进行抗震设防，但考虑到本桥梁 的重要性，分析时适当提高桥梁设防目标。1和2

°Cms

C

B

V

（CJJ

A

EE

水准地震响应分析分别采用《场地安评报告》中的 100 年超越概率 10%(=1.063 /2)和 100 年 超越概率2%(=1. 916 /2)的地震波作为

PGA

PGA

ms

ms

输人。

合理的桥梁约束体系必须能同时满足可能遇到

的各种荷载作用。因此，基于《城市桥梁设计规范

166—2011)》和《公路桥涵设计通用规范60—2004)》，在探讨合理的纵向约束体系时考虑以 下几种荷载：)恒载作用:结合桥一期恒载为283. 8 /，二期恒载为59.02 /;2)汽车荷载：按双 向8车道计算，荷载为公路级车道荷载，考虑横向 偏载效应，偏心距为1. 075 ，计人横向折减系数 0.50及纵向折减系数0.94。3)根据最不利布载原 则，分析时进行13种车辆荷载布置方式，取最不利

图

2

三维有限元模型

(CJJD

（JTG

kNm

kNmIm

大跨度悬索桥较常采用的方式为纵向漂浮体 系，即主梁与主塔为纵向自由，可以有效地减少结构 的基频。为了解三塔四跨地锚式悬索桥的基本受力 特性，本文分析了各种荷载作用纵向漂浮体系的结 构响应。文献[9]指出：与常规两塔悬索桥相比，三 塔悬索桥主要有以下几个问题需要重点解决：1)中 塔顶鞍槽内主缆的抗滑稳定;2)全桥结构刚度;3)中 塔的强度。本文针对三塔四跨悬索桥的结构体系研

第7期 张超，等:三塔四跨地锚式悬索桥纵向约束体系研究

究也主要针对以上几个关键问题，画出了各种荷载

作用下的沿塔身高度的纵向变形和内力包络图，如 图3和图4所示。其他各关键截面响应如表1所示。其中，索鞍中主缆抗滑系数采用《公路悬索桥设计规范/丁 65-05—2015)“12. 2. 3”中的公式计算。

KrTGD

纵向变形/m ⑷纵向变形

剪力/MN ㈨截面剪力

弯矩/(MN.m)（c)截面弯矩

图

3

边塔纵桥向变形及内力包络图

o16ooo14oo12oo1082

叫

坦婢渾一TK-坦婢渾(海)坦婢K-

汽地制温静恒

车震动度风力载

S榧/婢

nu主缆抗滑系数

1T图

4

表

中塔纵桥向变形及内力包络图

1 3种结构体系的响应比较

截面弯矩/(MN • m)节点变形/cin

荷载工况

结构体系漂浮体系

刚性体系阻尼体系漂浮体系刚性体系阻尼体系漂浮体系刚性体系阻尼体系

粧基础 粧基础 中塔）边塔）

(

汽车荷载

地震作用

温度作用

121181214000

(

111776111

(1 9701 9481 9701 3201 4741 010101

塔底 中塔）

(边塔)182179182249273219114105114

塔底

(

塔顶 中塔）

9382931186000

(

伸缩缝 伸缩缝 跨中挠度 中塔）边塔主跨）边塔）

塔顶

16151676510910

(

1801830153053

(

55105519165274727

)(

247233247291717807880

(

索鞍 边塔

2．662．582．622．952．662．582．1611．762．0814．942．2214．152．82147．782．8144．862．82147．78

)

索鞍（中塔

)

由图3可以看出，各种荷载对于边塔响应的作

用效果相差较大。边塔的变形最大点发生在塔顶 处，对边塔纵向变形影响较大的是汽车荷载，使得塔 顶产生0. 16 的变形;其次为温度作用和地震作

m

用。不同荷载作用下，主塔的塔身剪力和弯矩分布 规律相差较较大，主要是静力和动力作用的途径不 同引起的。静力作用的传力途径一般由塔顶索鞍至 塔底，因此，塔身剪力相差不大，而塔身弯矩则随着 塔身高度的减小而接近线性增大;但在地震作用下， 则与质量分布和约束条件关系较大。但是，各种荷 载作用下，塔身内力最大处均在塔底截面，可以看

出，边塔底截面剪力和弯矩均是由地震作用所控制。

图4为中塔的变形和内力包络图。其中，“钢塔 柱下段”处数值仅代表人字形结构单根分肢截面的 内力包络值。由塔身变形分布可以看出，由于中塔 下部分为刚度较大的混凝土结构，结构刚度较大，变 形较小；而上部为人字形钢结构，刚度相对较小，产 生较大的纵桥向变形。对变形影响最大的仍然是汽 车荷载，其作用下塔顶变形为0.93 (图4())。由

ma

剪力和弯矩分布图可以看出，对于上部钢主塔而言， 弯矩最大值并未出现在钢桥塔的最底端，而是在人 字形分叉处。这说明采用纵向人字形主塔设计可以

736

中国科技论文第11卷

显著地减小人字形主塔下部截面弯矩，但是，截面轴 力和剪力则相应增大图4()、图4()。对中塔剪力

bc

分布而言，地震作用下中塔下部砼塔柱产生较大的 剪力，起控制作用。而对塔身弯矩而言，则是汽车荷 载起控制作用，其使得塔底弯矩为1. 970 • 。

GNm

3基本纵向约束体系比较

由上节分析可以看出，漂浮体系在各种荷载作 用下，中塔受力较大，同时中塔和主梁的变形均较 大，索鞍抗滑安全系数较低。因此，本文考虑通过增 加纵向约束装置来改善结构体系的受力和变形。

但是由于黏滞阻尼器为速度相关型装置，无法改善

汽车、温度等慢速作用下的响应，如中塔内力响应 (由汽车荷载控制作用）。

综上所述，由于背景桥的中塔和边塔内力响应， 受汽车荷载和地震作用分别控制，刚性约束体系不 仅可以减小地震作用下的响应，还可以减少各种静 力荷载(包括汽车荷载)作用下的响应，因此，推荐采 用刚性约束方案。4

刚性约束体系的布置优化

本文的研究对象为首座三塔四跨地锚式悬索 从原理上来说，纵向约束装置可分为刚性约束 或阻尼约束2种方式，本文分别称为“刚性体系”和 “阻尼体系”。刚性约束主要有钢绞线及大型橡胶支 座等形式;阻尼约束主要有黏滞阻尼器、铅挤压阻尼 器、钢阻尼器、摩擦阻尼器等。其中，在大跨度桥梁 中较为成熟应用的是黏滞阻尼器。因此，本文根据 纵向约束方式不同，分别比较漂浮体系、刚性约束体 系及阻尼约束体系的结构响应。其中刚性约束体 系，有限元模型中采用弹簧单元模拟，刚度取为无穷 大；且尼约束体系，damper

则选用黏滞阻尼器，模型中采用 带非线性特性的单元模拟。分析中考虑结

构的几何非线性和非线性单元的材料非线性。表1 为3种约束体系在各种荷载作用下的结构响应。由 于篇幅有限，表1仅列出汽车荷载、地震作用及温度 作用下结构的关键响应。

由表1可以看出：1) 对于不同的结构体系，不同的荷载的影响规 律大致相同。汽车荷载对中塔受力、中边塔变形、跨 挠度起控制作用;地震作用则对中边塔粧基础受力、 边塔内力起控制作用；温度作用主要对伸缩缝变形 量起控制作用。具体表现为:各主塔粧基础内力均 受地震作用的影响，最大弯矩为18 MN • m

;边塔采

用自重较大的全混凝土结构形式，MN其底部截面内力 在地震作用的最大弯矩为273 • m

;而中塔的上

部结构采用轻质高强的钢结构，大大减小了地震作 用下的内力，GN因此，底部截面在地震作用下的弯矩为 1.474 G •N m

m

，小于最不利汽车作用下的塔底弯矩 (1.970 ，)。对索鞍抗滑安全系数而言，地震

作用对边塔的索鞍抗滑起控制作用，汽车荷载对中 塔的索鞍抗滑起控制作用。

2) 不同纵向约束体系的响应规律不尽相同，要表现在:米用刚性约束体系后，在起控制的汽车何 载作用下，中塔基础受力减小约2%，中塔纵向变形 减小约12%，汽车制动力引起的主塔伸缩缝变形减 小约82%，中塔索鞍的抗滑安全系数提高约14%;但 是，也引起边塔底截面最大弯矩（由地震作用起控制 作用)增大10%，边塔索鞍抗滑安全系数（由汽车荷 载起控制作用）减小2%。采用阻尼约束体系，对地 震作用下中塔粧基础内力、边塔内力有较好的改善。

桥，基本结构简图如图5所示。悬索桥的单个梁段， 一般采用简支梁的约束形式。因此，主桥共由4跨 简支梁组成。根据对称性原则，根据纵向约束支座 可能的布置位置，确定出4种可能的布置方案，如图 5所示。图6为4种纵向约束方式的关键截面响应 比较图，图中所列出的响应为对应的控制荷载作用 下的响应。

图

5

三塔四跨悬索桥约束方案

图

6 4种不同位置方案的结构响应图

对边跨而言，一般把纵向固定支座设置于桥台

主 第7期张超，等:三塔四跨地锚式悬索桥纵向约束体系研究

737

时，中塔底粧基础内力变化不大；当& = 1000 侧，使纵向力直接传递给桥台以减少结构本身受力。

/时，中塔底粧基础截面随着刚度值的增大，由 因此，本文重点比较主跨固定支座的位置，即位置方

17. 541 • 减小至 12. 982 • ，减幅约 案与位置方案2的比选。由图6可以看出：

25%; &>1/时，中塔底粧基础内力也变化不 1) 对于内力而言:与位置方案2相比较，位置方

l

mMNm

MNmGNm

MNm

案1边塔粧基础内力并无明显区别，但是其中塔桩 大。由于约束刚度仅设置在中塔横梁处，因此，刚度 基础内力显著减小，减幅约30%。位置方案1中边 值的变化对边塔塔身和粧基础截面内力影响甚微。 塔截面弯矩小于位置方案2;但是，中塔底弯矩则较 综上所述，为了减小中塔粧基础的内力，建议中塔连

接装置的刚度值々应大于1/。从经济性考虑， 位置方案2略大。

2) 对于变形比较结果可以看出，主梁纵向约束 建议采用固定支座的形式。的设置位置对于主塔的纵向变形影响并不大;但是，

6结语

对于支承点伸缩缝变形量影响较大，在温度作用下， GNm

位置方案1在边塔处会产生47 cm

的变形量，中塔处 则变形量为0;然cm而，位置方案2cm

的边塔伸缩缝变形 量为9 ，但中塔处会产生79 的变形量。综上所述，为了改善主塔粧基础受力和减小伸

缩缝变形需求，推荐使用位置方案1。

5刚性约束体系的刚度值优化

根据位置方案1的布置思路，即在主梁的桥台

和中塔支承处设置纵向刚性约束装置。为了得到纵

向约束装置的最优刚度值々，本节主要探讨前文的位

置方案1中的纵向约束刚度值对三塔四跨悬索桥响

应的影响。在本节的参数分析中，kN/m

取约束刚度值左=

0，10，102,…，109,〇〇 (单位:)，共 11 组参数。 其中，当々=0时，相当于纵向漂浮体系，；当

时，相当于纵向固定支座约束体系。

随着刚度&的变化，各结构响应如图7所示。

Is

騰

.Ma/垵铷

fo)/垵，

A/(xlO™ kN-m-1)(c)塔顶纵向变形

图

7

不同纵向约束刚度下结构响应的变化图

由图7可以看出，对中塔连接刚度值变化较显

著的是中塔底粧基础的截面内力。当&/

通过对三塔四跨地锚式悬索桥纵向约束体系的 研究，主要得出以下结论：1) 各种结构受力分析表明：边塔内力受地震

用控制，而中塔内力则受汽车荷载控制;各主塔基础 受力均受地震作用控制；申缩缝变形主要受温度荷 载控制。

2) 基于各构件受不同荷载作用控制的受点，刚性约束体系优于漂浮体系和阻尼约束体系，可 以较好地改善各种荷载作用下的响应。3) 通过对刚性约束方案的约束位置和刚度值行优化分析，结果表明:在桥台和中塔处支座设置刚 性约束装置，可以较好地改善荷载综合作用下的主 塔基础受力及减小伸缩缝变形需求。约束刚度的优

化分析结果表明：约束刚度值取大值对结构整体受 力和变形较为有利。4) 针对背景桥的结构特点，建议采用“中塔和台处设置纵向固定支座”的刚性约束方案。

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