淺談懸索橋的穩(wěn)定性
2018-03-05
懸索橋，又名吊橋（suspension bridge）指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。懸索橋由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。懸索橋的主要承重構(gòu)件是懸索，它主要承受拉力，一般用抗拉強(qiáng)度高的鋼材（鋼絲、鋼絞線、鋼纜等）制作。由于懸索橋可以充分利用材料的強(qiáng)度，并具有用料省、自重輕的特點(diǎn)，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達(dá)到1000m以上。懸索橋的主要缺點(diǎn)是剛度小，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的撓度和振動(dòng)，需注意采取相應(yīng)的措施。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。相對(duì)于其它橋梁結(jié)構(gòu)懸索橋可以使用比較少的物質(zhì)來跨越比較長(zhǎng)的距離。懸索橋可以造得比較高，容許船在下面通過，在造橋時(shí)沒有必要在橋中心建立暫時(shí)的橋墩，因此懸索橋可以在比較深的或比較急的水流上建造。懸索橋比較靈活，因此它適合大風(fēng)和地震區(qū)的需要，比較穩(wěn)定的橋在這些地區(qū)必須更加堅(jiān)固和沉重。
按照橋面系的剛度大小，懸索橋可分為柔性懸索橋和剛性懸索橋。柔性懸索橋的橋面系一般不設(shè)加勁梁，因而剛度較小，在車輛荷載作用下，橋面將隨懸索形狀的改變而產(chǎn)生S形的變形，對(duì)行車不利,但它的構(gòu)造簡(jiǎn)單，一般用作臨時(shí)性橋梁。剛性懸索橋的橋面用加勁梁加強(qiáng)，剛度較大。加勁梁能同橋梁整體結(jié)構(gòu)承受豎向荷載。除以上形式外，為增強(qiáng)懸索橋剛度，還可采用雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蚝托钡鯒U式懸索橋等形式，但構(gòu)造較復(fù)雜。
橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象可以分為以下幾類：1）個(gè)別構(gòu)件的失穩(wěn)，例如壓桿的失穩(wěn)和梁的側(cè)傾；2）部分結(jié)構(gòu)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；3)構(gòu)件的局部失穩(wěn)，而局部失穩(wěn)常常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的失穩(wěn)。
風(fēng)荷載作用下：懸索橋的加勁梁視為一個(gè)機(jī)翼，可用航空學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的有關(guān)研究和理論分析。懸索橋的結(jié)構(gòu)風(fēng)振有有限振動(dòng)和發(fā)散振動(dòng)。有限振動(dòng)包括渦激振和顫振。渦激振，是在風(fēng)速比較小的有限度的風(fēng)速范圍內(nèi)由卡曼渦流引起的振動(dòng)；而顫振是由風(fēng)的亂流引起的一種不規(guī)則振動(dòng)，它的振幅隨風(fēng)速增大而增大，這時(shí)結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生彎曲與扭轉(zhuǎn)耦合，可能產(chǎn)生災(zāi)害性的振幅。發(fā)散振動(dòng)是風(fēng)速超過某一數(shù)值后，振幅急劇增大的一種破壞振動(dòng)。它包括有：豎向彎曲振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎扭聯(lián)合振動(dòng)3種形式。
對(duì)大跨懸索橋的非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性研究考慮了以下3種效應(yīng)的影響：1）非線性位移相關(guān)風(fēng)載；2）幾何非線性；3）材料非線性。風(fēng)靜動(dòng)力系數(shù)為有效攻角的函數(shù)，而有效攻角隨主梁變形而變化，所以位移相關(guān)風(fēng)載是非線性的；通過采用幾何剛度矩陣可以考慮側(cè)向彎扭屈曲、扭轉(zhuǎn)發(fā)散及彎扭耦合失穩(wěn)；采用塑性鉸理論進(jìn)行材料非線性分析。使用有限元法建立風(fēng)致靜力失穩(wěn)的分析模型，建模過程中同時(shí)考慮了非線性位移相關(guān)風(fēng)載、幾何非線性及材料非線性。大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度主要來自于主纜，因此提高結(jié)構(gòu)整體剛度的著眼點(diǎn)應(yīng)放在主纜上。通過調(diào)整主纜同加勁梁的相對(duì)位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的目的。
各種模型的比較結(jié)果為：
1）節(jié)段模型試驗(yàn)在臨界風(fēng)速時(shí)，呈現(xiàn)出豎向與扭轉(zhuǎn)綜合振動(dòng)的失穩(wěn)；
2）在均勻氣流中，全橋模型試驗(yàn)僅在略高節(jié)段模型中的臨界風(fēng)速時(shí)，出現(xiàn)發(fā)散性的失穩(wěn)；
3）紊流中的全橋模型試驗(yàn)，觀察到不規(guī)則的豎向振動(dòng)，其振幅隨紊流的增大而加大，但并無失穩(wěn)或扭振。
綜上所訴懸索橋的堅(jiān)固性不強(qiáng)，在大風(fēng)情況下交通必須暫時(shí)被中斷。
活荷載（這主要指車輛荷載）：在橋梁上的活載較多，這里只考慮車輛行駛時(shí)對(duì)懸索橋的作用。懸索橋在車輛荷載作用下，主要為撓曲線振動(dòng)。車輛荷載高速通過橋梁時(shí)，其作用的位置和荷載的大小隨時(shí)間不停地發(fā)生變化，進(jìn)而引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。在做了各種原型與模型的相似模型試驗(yàn)后，可知加勁梁在車輛的作用下會(huì)產(chǎn)生拉力，需用鉸支座將其固定；懸索橋的主塔較高，塔身大多采用翻模法分段澆筑，在主塔連結(jié)板的部位要注意預(yù)留鋼筋及模板支撐預(yù)埋件。對(duì)于索鞍孔道頂部的混凝土要在主纜架設(shè)完成后澆筑，以方便索鞍及纜索的施工。
利用大跨度懸索橋的撓度理論，建立了自錨式懸索橋加勁梁在恒載、恒載與活載及活載下的變形與荷載的平衡方程。對(duì)所建立的方程進(jìn)行分析后,得到了如下結(jié)論：自錨式懸索橋加勁梁在恒載狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按受橫向荷載作用的壓彎梁驗(yàn)算面內(nèi)穩(wěn)定性，但是活載作用下不存在面內(nèi)穩(wěn)定問題。
通過對(duì)潤(rùn)揚(yáng)單跨雙鉸簡(jiǎn)支梁箱梁懸索橋模型的抽樣及試驗(yàn)，得出車輛對(duì)箱梁的受力特點(diǎn)如下：
1）由測(cè)試截面應(yīng)力值及其沿梁寬分布圖可知，從整體上看，鋼箱梁各部位在各種不利車輛荷載工況下的應(yīng)力水平都比較低，遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力；
2）受剪力滯效應(yīng)和橋面橫坡的影響，箱梁兩側(cè)和中央處的應(yīng)力（絕對(duì)值）較梁寬四分點(diǎn)處的應(yīng)力要略大一些，因此在車輛作用下的受力狀態(tài)更為不利；
3）對(duì)于大跨度纜索承重梁橋而言，車輛荷載的集中程度是導(dǎo)致頂板應(yīng)力增大的重要因素之一。因此必須對(duì)通過大橋的掛車、超重車等進(jìn)行限制與評(píng)估；
4）有車輛荷載作用位置的不同導(dǎo)致鋼箱梁各部位均出現(xiàn)不容程度的拉壓應(yīng)力交替現(xiàn)象，因此對(duì)于鋼箱梁這種焊接結(jié)構(gòu)而言，其疲勞破壞值也值得引起重視。
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