抗风缆对悬索桥扭转刚度的影响因数分析

吴强强刘丰洲

吴强强刘丰洲

浙江交工集团股份有限公司浙江省杭州市310000

摘要：通过对某人行索桥建立ANSYS模型，进行数值分析表明增加抗风缆直径的措施对提高悬索桥抗扭刚度效果最好，增加抗风缆横向间距对悬索桥抗扭刚度的提升有一定效果，但抗扭刚度的提升与其他措施相比较小。

关键词：人行悬索桥；抗风缆；抗风缆直径；抗风缆索力；抗扭刚度

1引言

悬索桥作为柔性大跨度桥梁，具有独特的美感，有较强的景观性，因此，度假风景区中大跨度人行桥梁，往往采用悬索桥结构形式。与公路悬索桥相比，景区中的人行悬索桥主梁较为轻柔[1]，整体结构抗扭刚度不足，在风荷载作用下，易发生扭转颤振失稳[2]，因而需要额外的措施增强其刚度。其中，采用空间缆、施加抗风缆是使用较广，也较为有效的措施[3][4]。由于公路悬索桥基本不需要抗风缆来提供额外刚度，因此，抗风缆对结构刚度尤其是抗扭刚度的影响研究还较少[5][6]，对其进行研究，具有工程实用价值。

2、数值分析

2.1项目背景

本文对某景区人行悬索桥进行分析。该悬索桥主跨710m，主缆矢跨比为1/10。

主梁采用钢制纵、横梁结构形式。主梁变宽，从跨中到桥头范围内桥面宽度由9.0m按抛物线规律变化至18m。

抗风缆横向布置两根，抗风缆按空间索面布置。

2.2计算模型

计算采用ANSYS建立有限元模型，主缆、抗风缆及吊杆等缆索采用link10单元，主梁及桥塔采用beam4单元。全桥共有节点1226个，link10单元706个，beam4单元512个。

2.3抗风缆单位长度质量对抗扭刚度的影响

通过改变抗风缆直径的方法，分析抗风缆单位长度质量对悬索桥整体抗扭刚度的影响。数值计算过程中，始终保持抗风缆力为3000kN，计算抗风缆直径为5cm~90cm等工况下的悬索桥扭转基频，进而分析抗风缆单位长度质量对抗扭刚度的影响，计算分析结果见图1。

由图1可知，当抗风缆直径小于25cm时，随着抗风缆单位长度质量的增加，结构扭转基频下降。分析其原因，抗风缆直径的增加，在一定程度上可以等效为作用于加劲梁上均布荷载的增加，进而导致主缆上的水平力有所提高，但其增长的趋势小于因抗风缆直径增加而导致的结构质量增长快，故整体结构的抗扭刚度有所下降。当抗风缆直径大于25cm时，随着抗风缆直径的增加，结构扭转基频提高。分析其原因，当抗风缆直径较大时，抗风缆质量增加导致的主缆水平分力的增大速度大于结构质量的增加速度，表现为结构整体抗扭刚度的提高。

图2为以抗风缆直径5cm的主缆水平力为基准，对不同抗风缆直径下主缆水平力的增量进行分析。通过分析可知，当风缆直径小于25cm时，主缆水平力增量曲线斜率较小，主缆水平力随着抗风缆直径的增加而产生的增量较小；当风缆直径大于25cm时，主缆水平力增量曲线斜率较大，主缆水平力随着抗风缆直径的增加而产生的增量较大。

2.4抗风缆横向间距对抗扭刚度的影响

保持抗风缆垂点与桥面之间的距离不变，改变抗风缆吊杆在加劲梁上的锚固点横向间距。

下面通过改变抗风缆吊杆锚固点在加劲梁上横向间距的方法，来分析抗风缆横向间距对悬索桥整体抗扭刚度的影响。数值计算过程中，始终保持抗风缆缆力为3000kN，抗风缆垂点与桥面的间距不变，分析计算抗风缆吊杆在加劲梁上的锚固点横向间距8m、12m、16m、20m、24m及28m等工况下的扭转基频，进而分析保持抗风缆垂点与桥面距离不变的情况下，抗风缆吊杆在加劲梁上锚固点横向间距对抗扭刚度的影响，计算分析结果见图。

由图3可知，在抗风缆垂点与桥面距离不变的情况下，随着加劲梁上抗风缆吊杆锚固点横向间距的增加，结构扭转基频有所增长，但增加的幅度不大。表明采用加大加劲梁上抗风缆吊杆锚固点横向间距的措施来增加抗风缆横向间距，结构扭转刚度会提高，但效果不明显。

2.5抗风缆索力对抗扭刚度的影响

保持抗风缆直径以及抗风缆横向间距不变的条件下，改变抗风缆的张拉索力以分析抗风缆张拉索力对结构扭转刚度的影响。数值计算过程中，始终保持抗风缆直径为20cm，抗风缆吊杆锚固点在加劲梁上位置不变，抗风缆垂点间距桥面距离为5m等条件，计算分析抗风缆张拉索力为3000kN、4000kN、5000kN、6000kN、7000kN、8000kN以及9000kN等工况下的扭转基频，进而分析抗风缆张拉索力对抗扭刚度的影响，计算分析结果见图。

由图4可知，提高抗风缆张拉索力，结构扭转基频增长较快。分析其原因，增加抗风缆张拉索力，导致抗风缆作用于加劲梁上的竖向分力相应提高，因此主缆水平分力迅速增加，同时，抗风缆本身的水平分力也因张拉索力的提高而增加，拉索系统几何刚度的提高。

3、结论

1）增加抗风缆的直径、增加加劲梁上抗风缆锚固点横向间距、提高抗风缆张拉索力等措施均可以提高悬索桥的抗扭刚度；

2）增加抗风缆直径的措施对提高悬索桥抗扭刚度效果最好，其次是提高抗风缆张拉索力；

3）增加抗风缆横向间距对悬索桥抗扭刚度的提升有一定效果，但抗扭刚度的提升与其他措施相比较小。

参考文献：

[1]朱军颖.人行悬索桥加劲梁选型相关研究[D].西南交通大学，2015.

[2]陈政清.人行桥的振动与动力设计[M].人民交通出版社，2009.

[3]张新军.空间缆索体系悬索桥的抗风稳定性研究[J].土木工程学报，2011，44（6）：80-86.