加劲梁外伸跨对悬索桥静动力特性的影响

线性分析系统BNLAS,分别建立加劲梁单跨简支、三跨连续以及五跨连续的单跨悬吊体系有限元模型,对

结构进行静力、动力特性分析。结果表明：外伸跨加劲梁能够有效降低梁端最大纵向位移及转角，降低了

活载作用下加劲梁的挠度,而且有效提高了结构整体面外刚度;外伸跨加劲梁有效减弱了行车下梁端位移 的响应，降低了梁端支座的往复式位移总量;在动力特性方面，外伸跨加劲梁同样具有较多的优点.为提

高伸缩缝及支座的耐久性,单跨悬吊悬索桥推荐采用带外伸跨的连续加劲梁体系。【关键词】悬索桥加劲梁外伸跨结构体系静力动力Effect of Extended Span of StifTening Girder on Static and Dynamic Characteristics of Suspension BridgeHUANG Zhen(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co., Ltd WuHan 430063)[Abstract] In order to study the influence of stiffening girder outreach span on the static and dynamic charac­

teristics of suspension bridges, a medium-span suspension bridge is taken as an example, and the finite element models of single-span simple-supported, three-span continuous and five-span continuous single-span suspension

systems are established by using the bridge nonlinear analysis system BNLAS, respectively. The static and dynamic

characteristics of the structure are analyzed. The results show that the extended span stiffening beam can effectively

reduce the maximum longitudinal displacement and rotation angle at the end of the beam, reduce the deflection of the stiffening beam under live load, and effectively improve the overall out-of-plane stififtiess of the structure.Ex- tended span stiffening beam can effectively reduce the response of the lower beam end displacement and the total reciprocating displacement of the beam end supportin terms of dynamic characteristics, stiffened beams with ex­

tended spans also have many advantages.In order to improve the durability of expansion joints and supports, the continuous stiffening girder system with extension span is recommended for single-span suspension bridges.[Key words】 Suspension Bridge;Extended span of stiffening beam;structural system;Static characteristics; dynamic characteristics较分析了加劲梁单跨简支、三跨连续以及五跨连续 的单跨悬吊体系方案的结构静力、动力特性，对比了

1引言在国内的悬索桥建设中，从经济性出发，多釆 用单跨悬吊加劲梁的结构体系叫已有的计算资料

三种结构体系的差异，列出了三种体系的优缺点。和工程实践表明，这种结构体系将在加劲梁的梁端 产生较大的梁端转角和纵横向位移，可能影响伸缩

2工程背景图1所示为一主跨跨度600m的单跨悬吊钢箱

缝、端支座等结构的耐久性。为改善这种结构体系的静动力性能，特别是梁 端的转角和纵向位移，可考虑在桥塔处将加劲梁伸

加劲梁悬索桥，梁高3m =大桥主缆跨度为 176+600+140mo主缆矢跨比为1/9.09,主缆横向间

距为26.7m。索塔横向为门式塔，设上、下两道横梁 连接,纵向为单柱式，索塔横梁处设置加劲梁支座。 南岸索塔高101.957m,北岸索塔高96.877m,塔顶

出一跨或多跨，形成加劲梁三跨连续或多跨连续的 单跨悬吊体系叫本文以一中等跨度悬索桥为例，比

2019 No. 4加劲梁外伸跨对悬索桥静动力特性的影响黄振53主缆理论交点高程均为293.507m。为研究加劲梁结构体系对结构整体静动力性 能的影响，本文比较了三种结构体系方案：方案I :单跨梁端简支结构体系（600m主跨），

以下简称:单跨简支体系；方案II:带外伸跨3跨连续结构体系（50m外

伸跨+600m主跨+50m外伸跨），以下简称：3跨连

续体系；方^111：带夕M申跨5跨结构体系｛ （45m+50m）

外伸跨+600m主跨+（50m+45m）外伸跨｝,以下简

称：5跨连续体系；方案I见图1,方案II见图2,方案HI见图3。图1方案I桥型布置图（单位:m）176

50x12=600

140图3方案III桥型布置图（单位：m）3有限元模拟数值模拟采用空间几何非线性有限元分析方法

叫采用西南交通大学编制的桥梁非线性计算软件 BNLAS^建模。加劲梁、索塔、主索鞍、散索鞍采用

梁单元模拟;主缆采用索单元模拟;吊索采用膜单元 模拟。边界条件为:塔底固结;主缆理论锚固点作固

结;索塔横梁处加劲梁支座约束横桥向、竖向平动自 由度及lx扭转自由度。通过迭代计算得到了合理 成桥状态,运营荷载作用于合理成桥模型上。运营荷载包括：（1） 设计活载:城-A级，六车道；（2） 温度作用:最不利升温及最不利降温；（3） 横向风荷载:极限横风荷载。方案I、方案II、方案III的有限元模型图示分

别见图4、图5、图6。图6方案III有限元模型4结构静力分析4.1面内力学特性根据以上三个方案建立的有限元模型，得

到结构在设计活载作用下：加劲梁弯矩包络图 如图7所示，加劲梁竖向位移及梁端位移包络

值如表1所示。图7设计活载作用下加劲梁弯矩包络图从图7可以得出：设计活载作用下，在主跨范 围内,3个体系方案的加劲梁弯矩值接近;在索塔横

梁处,3跨连续体系与5跨连续体系出现了最大值, 为主跨内最大弯矩的2.3倍,设计中应加强索塔横

梁处加劲梁截面。54铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2019 (4)表1设计活载作用下加劲梁位移包络值体系纵向位移v/m竖向转角a/°跨中竖向 南端北端南端北端位移3/m单跨简支0.3200.3010.5560.8620.806-0.299-0.318-0.856-0.539-13573跨连绥0.2410.2280.1260.1050.590-0.227-0.240-0.108-0.128-1.1815跨连绥0.2380.2250.0270.0540.581-0.224-0.238-0.054-0.026-1.174在梁端整体纵向位移及梁端转角共同作用

下，伸缩缝的上、下缘将出现最不利的变形值。 伸缩缝的上、下缘纵向变形值分别为（h为梁

高）：v上绫=v〒 h • a/2 : Vt«=v± h • a/2。经计算 得到设计活载作用下伸缩缝上、下缘最不利变形

值如表2所示。表2设计活载作用下伸缩缝纵向变形包络值北侧伸缩缝体系

南侧伸缩缝v/mv/m•V上缘•V下缘V上缘v下缘单跨简支0.3050.3350.2780.324-0.277-0.321-0.304■0.3323跨连续0.2380.2440.2250.231-0.224-0.230-0.237-0.2435跨连续0.2370.2390.2240.226-0.223-0.225-0.237-0.239从表1及表2可以得出：设计活载作用下,对

于梁端纵向位移,单跨简支体系最大,5跨连续体系 最小;对于梁端竖向转角,单跨简支体系最大,5跨

连续体系最小，为单跨简支体系的5%左右;对于加 劲梁竖向位移，单跨简支体系最大,5跨连续体系最

小;对于伸缩缝最不利纵向变形值,5跨连续体系约

为单跨简支体系的70%。结果表明:外伸跨可以有 效降低活载下梁端最大纵向位移、最大转角以及加 劲梁最大竖向位移，对于行车平顺性要求严格的桥 梁可采用加劲梁多跨连续体系;外伸跨能够有效降

低伸缩缝上、下缘的不利变形值，有利于提高伸缩 缝的耐久性。4.2面外力学特性在极限横向风荷载作用下，加劲梁最大弯矩值

及加劲梁最大横向位移值如表3所示。表3极限横向风荷载作用下加劲梁内力及位移结构体系最大面外弯矩/kN・m横向 梁端 索塔处跨中处位移/m转角/°单跨简支0.0-118415.70.17040.051683跨连续80146.6-53855.10.05400.005335跨连续79847.7-53989.60.05420.00544从表3可以得出:在极限横向风荷载下,3跨连

续体系与5跨连续体系降低了跨中最大面外弯矩, 约为单跨简支结构体系的46%0表明外伸跨能使 风载下加劲梁受力趋于均匀;对于横向变形,3跨连

续体系与5跨连续体系的横向变形量相当,约为单

跨简支结构体系的10%,表明外伸跨能有效提高结 构面外刚度。5移动重车的影响分析为了更加清楚地反映出各结构体系在移动荷载 下的变形行为，以设计的重车为移动荷载，让重车从

桥梁的一端匀速移动到另一端，得到了移动荷载通 过桥梁时结构变形的时程曲线。设计重车采用：汽 车一超20级荷载中的550kN重车,并排取3辆。移动重车作用下，3种结构体系的加劲梁南侧

梁端纵向位移的时程曲线如图8所示;加劲梁南侧

梁端竖向转角的时程曲线如图9所示。（注：1、图 中时间-位移关系等效转化成位置-位移关系；2、位

置0点设置在跨中点。）图8梁端纵向位移时程曲线1.5E-11.OE-15.OE-2.，-400 ♦ -350*^-300 -250 -200 -150 -100x -50-5.OE-2 <1

50 100 150 200 250 300 350 400行车位置/mXX。 -1.OE-1 T-5跨连续X* 芯-1.5E-1T-3跨连续*单跨简支盞-2.OE-1-2.5E-1图9梁端竖向转角时程曲线从图8可以得出：对于梁端纵向位移，时程 曲线呈现反对称形式，梁端出现周期往复性运

动；3跨连续体系和5跨连续体系对移动重车荷

2019 No. 4加劲梁外伸跨对悬索桥静动力特性的影响黄振55载的响应接近，为较小者，单跨简支体系的响应

为较大者；重车作用于外伸跨产生的响应为小 量。表明外伸跨能够降低移动荷载下梁端纵向 位移的响应，随机车流作用下，能降低梁端纵向

往复式位移总量。从图9可以得出:对于梁端竖向转角,时程曲线

呈 影响的趋势，距离梁端远处时转角位移响应 不大;5跨连续体系的响应最小，单跨简支体系响应

最大;重车作用于外伸跨产生较小的响应。表明外伸 跨能够明显降低移动荷载下梁端竖向转角的响应。6结构动力分析结构的自振特性是反映结构动力性能的重要

参数，是研究结构抗风、抗震的必要资料，也是进行 结构性能研究所必须考查的项目⑷叫本计算采用

空间有限元方法切，使用BNLAS建立空间有限元模 型计算了两种方案在恒载下的前20阶自振特性。 按照振型特性分类，竖向振动与纵飘频率结果见表 4,加劲梁与主缆横向振动频率结果见表5,扭转振

动频率结果见表6=表4竖向振动与纵飘频率振型特征/HZ单跨3跨5跨一阶反对称竖弯+纵飘0.13470.13670.1305一阶反对称竖弯0.19660.20310.2016一阶正对称竖弯0.23390.23960.2397二阶正对称竖弯0.31820.34030.3417二阶反对称竖弯0.41960.46210.4646三阶正对称竖弯0.60350.65570.6592表5加劲梁及主缆横向振动频率振型特征/HZ单跨3跨5跨一阶对称全桥横向振动0.16320.29890.2994两缆反向，一阶正对称0.47190.47170.4720两缆同向，一阶反对称0.47440.47980.4802表6扭转振动振型特征频率/HZ单跨3跨5跨一阶扭转正对称振动0.53480.53520.5352一阶扭转反对称振动0.75830.75860.7590从表4可以得出:对于低阶竖弯振动,3种结构 体系的振动频率较接近;对于二阶及以上的竖弯振

动，3跨连续体系和5跨连续体系振动频率高于单 跨简支体系，且5跨连续体系振动频率最高，表明

外伸跨提高了结构整体竖弯刚度冋。从表5可以得出:对于横向振动,3跨连续体系 和5跨连续体系振动频率接近，且明显大于单跨简

支体系，表明外伸跨提高了结构整体面外刚度化从表6可以得出：3种结构体系扭转振动频率 接近;一阶扭转振动频率与_阶竖弯振动频率比值: 单跨简支体系等于3.970,3跨连续体系等于3.915, 5跨连续体系等于4.101。表明外伸跨加劲梁对气

动稳定性影响不大冋。7结论(1) 设置了外伸跨加劲梁的单跨悬吊悬索桥,

能够有效减低单跨简支悬索桥梁端支座的最大纵

向位移以及最大梁端竖向转角,有利于支座受力以

及获得更好的行车平顺性，能提高伸缩缝的耐久性, 并能降低设计活载下加劲梁竖向挠度；(2) 设置了外伸跨加劲梁的单跨悬吊悬索桥,

可以有效提高悬索桥面外刚度，能够降低横向风荷

载下中跨横向位移、梁端横向转角，并且能够降低

横向风荷载下跨中加劲梁最大面外弯矩，使加劲梁

受力均匀；(3) 设置了外伸跨加劲梁的单跨悬吊悬索桥,

能够降低移动荷载下梁端纵向位移及转角的响应, 考虑随机车流量下，可以降低梁端支座及伸缩缝的

位移总量,可提高伸缩缝、端支座等结构的耐久性;(4) 带外伸跨连续结构体系与梁端简支结构体

系基频接近;外伸跨加劲梁提高了结构整体竖弯刚

度，并且明显提高了横向振动频率，表现出更高的

面外刚度;外伸跨加劲梁对气动稳定性影响不大；(5) 带外伸跨连续结构体系设计加劲梁时须加

强索塔横梁附近截面，或采用弹性支座以抵抗或降

低设计活载及温度荷载下该处梁截面弯矩的不利

作用；(6) 通过静、动力对比，可以发现带外伸跨连续

结构体系在受力及变形上优于单跨简支形式。加 劲梁三跨连续体系能满足较高的梁端位移要求，对

于梁端位移有严格要求的悬索桥，可采用加劲梁多

56铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2019(4)跨连续体系;为提高悬索桥梁段伸缩缝和支座的耐

久性，推荐采用连续加劲梁的结构体系来设计单跨

悬吊的悬索桥。参考文献[1] 孟凡超.悬索桥[M].北京:人民交通出版社,2011.[2] 沈锐利,廖海黎.悬索桥静动力空间非线性计算有限 元模型及其应用.92全国桥梁结构学术大会论文集.同济大 学出版社,1992.[3] 唐茂林.大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件 开发[D].成都：西南交通大学,2003.[4] 《公路桥梁抗风设计指南》编写组.公路桥梁抗风设 计指南[M].北京:人民交通出版社,1996.[5] 范殳础，胡世德，叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[M].北 京:人民交通出版社,2001.[6] 廖海黎，沈锐利.悬索桥三维自振特性分析[A].全国 索结构学术交流会论文集[CJ.1991.[7] 徐良，江见鲸，过静躍.广州虎门悬索桥的模态分析 [J]. 土木工程学报,2002.m范立础，袁万城，张启伟.悬索桥结构基于敏感性分 析的动力有限元模型修正[J]. 土木工程学报,2000.[9]唐冕.大跨度自锚式悬索桥的静动力性能研究与参 数敏感性分析[D].中南大学,2007.收稿日期：2019-2-21(上接第24页)上跨厦深铁路隧道方案线路长度 既有线安全运营的影响。(3) 本段线路各方案对于油田水库一级水源保

18.458km,投资23.43亿元,较上跨厦深铁路桥梁方

案增加0.18亿元。但是，上跨厦深铁路桥梁方案有 护区、海丰鸟类自然保护区均无较大影响。但在实

长约407m处于松散坡积体与崩积体的不良地质范 围内，不良地质工程处理费用高，工程实施难度大。际的铁路选线中，应尽量绕避各类环境敏感点，无 法绕避的应尽量以桥、隧形式通过，从而减少工程

4结论⑴不限速方案以及限速方案中的上跨厦深铁 路桥梁方案均因地质条件较差，导致施工运营安全

占地和对生态环境的影响(4) 通过综合考虑运营安全、环境保护以及桥

梁、路基、隧道工程等的设置条件，并结合主要工程

投资，因而推荐施工运营安全、地质条件较好、工程 投资较省的上跨既有厦深铁路隧道方案叫风险大而予以放弃。因此，对于地质条件较为复杂 的区域，工程地质条件是决定线路走向和具体位置

的重要依据，对铁路建筑物的稳定性和经济合理性 有决定性的影响叫应注重地质选线。参考文献[1] TB10621-2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁 道出版社,2014[2] 易思蓉.铁路选线设计(第四版)[M].成都：西南交通 大学出版社,2017.2⑶新建铁路汕头至汕尾铁路可行性报告回.武汉:中铁 第四勘察设计院集团有限公司,2017(2)上跨厦深铁路桥梁方案因需采用(70+125 +70)m大跨度连续梁结构跨越既有厦深铁路，对既

有线的运营造成较大影响从而劣势明显。因此，应

正确处理新建铁路与既有铁路的关系，尽量减少对

收稿日期：2019-2-27