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三塔悬索桥静动力特性与中塔选型

梁鹏 吴向男 李万恒 徐岳

梁鹏, 吴向男, 李万恒, 徐岳. 三塔悬索桥静动力特性与中塔选型[J]. 交通运输工程学报, 2011, 11(4): 29-35. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2011.04.005
引用本文: 梁鹏, 吴向男, 李万恒, 徐岳. 三塔悬索桥静动力特性与中塔选型[J]. 交通运输工程学报, 2011, 11(4): 29-35. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2011.04.005
LIANG Peng, WU Xiang-nan, LI Wan-heng, XU Yue. Static and dynamic properties of three-tower suspension bridge and structural type selection of mid-tower[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2011, 11(4): 29-35. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2011.04.005
Citation: LIANG Peng, WU Xiang-nan, LI Wan-heng, XU Yue. Static and dynamic properties of three-tower suspension bridge and structural type selection of mid-tower[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2011, 11(4): 29-35. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2011.04.005

三塔悬索桥静动力特性与中塔选型

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2011.04.005
基金项目: 

国家自然科学基金项目 50808019

“十一五”国家科技支撑计划项目 2009BAG15B01

中央高校基本科研业务费专项资金项目 CHD2009JC024

详细信息
    作者简介:

    梁鹏(1977-), 男, 江西高安人, 长安大学副教授, 工学博士, 从事桥梁结构理论研究

  • 中图分类号: U448.25

Static and dynamic properties of three-tower suspension bridge and structural type selection of mid-tower

More Information
    Author Bio:

    LIANG Peng(1977-), male, associate professor, PhD, +86-29-62001585, bridgedoctor@126.com

  • 摘要: 为探讨三塔悬索桥与两塔悬索桥静动力特性差异与中塔选型, 以泰州长江大桥为原型, 基于有限位移理论建立相应的两塔、三塔(混凝土中塔与钢中塔) 悬索桥的空间有限元模型, 分析了各种结构参数下的静力和地震效应。研究结果表明: 与两塔悬索桥相比, 由于中塔顶缺乏边缆的有效纵向约束, 三塔悬索桥整体刚度较小, 变形较大, 自振频率低; 汽车作用下主缆抗滑、桥塔受力、主梁挠跨比等在常规两塔悬索桥中很容易满足要求的指标, 但对三塔悬索桥却成为控制指标。三塔悬索桥的3个指标都与中塔抗推刚度密切相关, 但其对中塔抗推刚度的需求是矛盾的。“人”字形钢中塔三塔悬索桥的主缆抗滑安全系数为2.17, 汽车作用下桥塔最大应力为182 MPa, 最大挠跨比为1/210, 全部满足要求。可见, “人”字形钢中塔较好地兼顾了3个控制指标的需要, 做到了构件刚度和缆索体系刚度的优化, 是合理的中塔形式。

     

  • 图  1  研究对象

    Figure  1.  Research objects

    图  2  三塔悬索桥有限元模型

    Figure  2.  Finite element model for three-tower suspension bridge

    图  3  地震动加速度时程

    Figure  3.  Earthquake acceleration time-history

    图  4  汽车荷载作用下主梁竖向挠度包络

    Figure  4.  Vertical deflection envelopments of main girders under vehicle loads

    图  5  单跨活载作用下主缆与主梁的变形

    Figure  5.  Deformations of main girder and main cable under live load on single span

    图  6  挠跨比与主梁转角的关系

    Figure  6.  Relationships between deflection-to-span ratios and vertical angles of main girders

    图  7  两塔与三塔(钢中塔) 主要1阶振型

    Figure  7.  Main first order vibration modes of two-tower suspension bridge and three-tower suspension bridge with steel mid-tower

    表  1  汽车荷载作用下主梁位移

    Table  1.   Displacements of main girders under vehicle loads

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    上挠 下挠 上挠 下挠 上挠 下挠
    绝对数值 最大竖向位移/m 1.449 2.756 3.712 5.099 3.877 5.183
    梁端水平位移/m 0.562 1.071 1.228
    相对比值 最大竖向位移 1.00 1.00 2.56 1.85 2.68 1.88
    梁端水平位移 1.00 1.91 2.19
    注: 表中的相对比值均为三塔(混凝土中塔)、三塔(钢中塔) 计算值与两塔计算值的比值, 下同。
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    表  2  汽车荷载作用下主塔内力与位移

    Table  2.   Forces and displacements of towers under vehicle loads

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    桥塔 边塔 中塔 边塔 中塔
    绝对数值 塔顶位移/m 0.196 0.188 2.105 0.186 2.356
    塔底纵向弯矩/ (MN·m) 237 231 2 460 229 2 848
    相对比值 塔顶位移 1.00 0.96 10.74 0.95 12.02
    塔底纵向弯矩 1.00 0.97 10.38 0.97 12.02
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    表  3  汽车荷载作用下主缆抗滑安全系数

    Table  3.   Anti-slipping safety factors between main cables and saddles

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    桥塔 边塔 中塔 边塔 中塔
    抗滑安全系数 34.47 11.80 2.15 11.85 2.17
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    表  4  纵风作用下梁塔水平位移

    Table  4.   Displacements of girders and towers under longitudinal wind

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    边塔 中塔 边塔 中塔
    绝对数值 梁端水平位移/m 0.247 0.362 0.312
    塔顶位移/m 0.016 0.021 0.244 0.020 0.234
    相对比值 梁端水平位移 1.00 1.47 1.26
    塔顶位移 1.00 1.30 15.25 1.30 14.63
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    表  5  横风作用下主梁内力与位移

    Table  5.   Forces and displacements of main girders under lateral wind

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    绝对数值 跨中主梁横向位移/m 1.208 0.677 0.792
    跨中主梁横向弯矩/ (MN·m) 376 285 305
    中塔处主梁横向弯矩/ (MN·m) 541 593
    相对比值 跨中主梁横向位移 1.00 0.56 0.66
    跨中主梁横向弯矩 1.00 0.76 0.81
    中塔处主梁横向弯矩 1.44 1.58
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    表  6  横风作用下主塔内力与位移

    Table  6.   Forces and displacements of towers under lateral wind

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    桥塔 边塔 中塔 边塔 中塔
    绝对数值 塔顶横向位移/m 0.116 0.109 0.139 0.109 0.227
    塔底横向弯矩/ (MN·m) 131 126 205 126 231
    相对比值 塔顶横向位移 1.00 0.94 1.20 0.94 1.95
    塔底横向弯矩 1.00 0.96 1.56 0.96 1.76
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    表  7  结构自振特性

    Table  7.   Natural vibration characteristics of structures

    振型阶次 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    频率/Hz 振型描述 频率/Hz 振型描述 频率/Hz 振型描述
    1 0.071 1阶正对称侧弯 0.063 1阶反对称竖弯 0.067 1阶反对称竖弯
    2 0.079 1阶反对称竖弯 0.071 1阶反对称侧弯 0.070 1阶反对称侧弯
    3 0.118 2阶反对称竖弯 0.087 2阶反对称竖弯 0.092 1阶正对称侧弯
    4 0.148 1阶正对称竖弯 0.095 1阶正对称侧弯 0.095 2阶反对称竖弯
    5 0.200 2阶正对称竖弯 0.116 1阶正对称竖弯 0.117 1阶正对称竖弯
    6 0.226 1阶反对称侧弯 0.118 3阶反对称竖弯 0.136 3阶反对称竖弯
    0.382 1阶反对称扭转 0.319 1阶反对称扭转 0.286 1阶反对称扭转
    0.327 1阶正对称扭转 0.329 1阶正对称扭转 0.330 1阶正对称扭转
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    表  8  地震水平位移

    Table  8.   Horizontal displacements under earthquake

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    绝对数值 梁端/m 1.181 1.237 0.865
    边塔顶/m 0.074 0.091 0.135
    中塔顶/m 0.831 0.713
    相对比值 梁端 1.00 1.05 0.73
    边塔顶 1.00 1.23 1.82
    中塔顶 11.23 9.64
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    表  9  地震内力

    Table  9.   Forces under earthquake

    计算模型 两塔 三塔(砼中塔) 三塔(钢中塔)
    桥塔 边塔 中塔 边塔 中塔
    绝对数值 轴力/MN 50.8 52.0 46.1 65.3 25.1
    剪力/MN 10.5 10.2 13.0 14.5 8.6
    弯矩/ (MN·m) 472 435 1 240 580 1 052
    相对比值 轴力 1.00 1.02 0.91 1.29 0.49
    剪力 1.00 0.97 1.24 1.38 0.82
    弯矩 1.00 0.92 2.63 1.23 2.23
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  • 收稿日期:  2011-05-12
  • 刊出日期:  2011-08-25

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