1、猎德大桥索塔传力机理研究摘 要：猎德大桥索塔为双柱曲杆-拱形横梁门架式结构，由于索塔结构新颖、独特，存在着与传统结构不同的复杂之处，特别是索塔顶部横梁，直接承受主鞍传递的集中荷载，其受力性质超出了常规横梁提供横向刚度的作用，成为结构的传力构件。本文以猎德大桥为工程背景，对猎德大桥索塔传力机理进行研究。 关键词：猎德大桥；索塔；传力机理 中图分类号： S773.4 文献标识码：A 1、猎德大桥工程概况 猎德大桥位于广州大桥与华南大桥之间，北岸与猎德路相接，南岸与新港东路立交相接，主桥（K1+224.064K1+704.064）采用独塔两跨自锚式悬索桥，主孔根据主河槽宽度 220m 和珠江通航孔跨
2、 180m 的要求采用 167m+219m 的跨径组合；加劲梁为 47m+167m+219m+47m 四跨连续梁，全长 480m，双向六车道。主跨采用单箱钢箱梁，拟采用顶推法施工。主缆为空间索面，全桥共有 2 根，其结构为预制平行丝股（PWS） ，每根缆索由 33 股 127 丝 5.3mm 的镀锌高强钢丝组成；主鞍座在塔顶间距 4m；全桥共有 56 根钢丝绳吊索，吊索钢丝绳公称直径为 60mm 和 48mm 两种，吊索间距为 12 米。 本桥主塔结构外形新颖独特，在世界各国桥梁桥塔中具有独创意义，也是该桥梁方案最具创新意义，最能够吸引公众注意力的独特建筑。索塔塔高 128m，主体结构高 10
3、3 米，顶部装饰高 25m；塔身外观为两个贝壳状弧形壳体相扣，外形新颖独特，施工难度大。其内外轮廓分别为椭圆组合而成，顶部开孔。索塔结构见图 2.1 所示。 2、猎德大桥索塔理论计算公式推导 2.1 猎德大桥索塔分析模式 猎德大桥索塔为双柱曲杆-拱形横梁门架式结构，其横梁直接承受主鞍传递的荷载，其受力性质超出了常规横梁提供横向刚度的作用，成为结构的传力构件，横梁的构造见图 2.2。横梁的纵桥方向长度相对其他两个方向较小，主要承受由主梁传递的竖向荷载，其几何、受力特征都符合弹性力学的平面问题，因此将其简化为平面问题模型进行分析，分析模型见图 2.3。 图 2.1 索塔结构简图 图 2.2 猎德大
4、桥索塔横梁构造图（单位：mm） 图 2.3 猎德大桥索塔横梁分析模型（单位：mm） 2.2 索塔横梁理论计算公式推导 对于图 2.3 所示的分析模型，边界条件为： (2-1) 其中， 、为已知函数。为了选择满足双调和方程的艾里应力函数，可取函数： （2-2） 则有： （2-3） 由可得： ， 代入（2-2） ，不妨设，则有： （2-4） 由 可得 （2-5） 利用上下两边的边界限条件,可得， ，和所满足的代数方程组： 根据已知的、便可求得， ，和，因此可得到该问题的应力函数。 再将式（2-5）代入物理方程式便可求得应变函数为： 将式（2-7）的第一式和第二式代入几何方程式，可得 （2-8） 其
5、中，均为任意函数。式（2-8）的第一式对求导，第二式对求导，再利用位移的边界条件：和可求， 。至此，可以求得该问题的应力、应变和位移。 3、猎德大桥索塔有限元分析 3.1 猎德大桥索塔有限元计算模型 采用 ANSYS 软件中的 SOLID65 单元，模拟混凝土建立实桥索塔模型。考虑到该索塔结构复杂，所以在划分网格时尽量把网格划分得细点，尤其是横梁位置。模型中共划分单元 338311 个，节点 73895 个。 坐标系的设置：以横桥向为模型的 X 方向，以顺桥向为模型的 Z 方向，以竖向为模型的 Y 方向。具体见以下模型示意图 2.4。 3.2 计算参数： 实桥索塔横梁及塔柱混凝土：C50 混凝
6、土，弹性模量，泊松比。实桥索塔承台混凝土：C30 混凝土，弹性模量，泊松比。 图 2.4 实桥索塔结构单元划分图 4 计算结果与分析 实桥索塔不考虑自重，只在受到相同的荷载所产生的效应。计算结果见图 2.5图 2.6 和表 2.1表 2.3。 从图 2.5图 2.6 可以看出，采用本文公式计算得出的应力、挠度分布基本与采用 ANSYS 模型计算的应力、挠度分布规律一致；从表 2.1表2.2 可以看出两种不同的方法计算的结果基本一致；从表 2.3 可以看出，两种方法计算的应力与挠度结果误差均小于 10%，这说明本文计算公式的计算结果与 ANSYS 模型的计算结果吻合性良好，采用本文的处理方法是可
7、行的，而且可以保持一定的精度，在精度要求不是很高的情况用，用本文方法分析将可以节约大量的时间和资本。 图 2.5 横梁跨中应力-沿高度变化曲线图 图 2.6 横梁底挠度变化曲线图 表 2.1 横梁跨中应力计算结果表 注：应力负号表示受压，正号表示受拉。 表 2.2 横梁底挠度计算结果表 注：计算结果是相对于点 1 的挠度，挠度负号表示变形沿着 y 轴的负方向。 表 2.3 计算结果对照表 4 结论 本章基于弹性力学的基本理论，推导了用平面应力法分析猎德大桥索塔横梁的计算公式，通过本文计算公式的计算结果与通用软件 ANSYS的计算结果比对可以得知本文的计算公式的计算结果与 ANSYS 模型的计算结果吻合性良好，采用本文的分析方法是可行的，而且可以保持一定的精度。采用本文的分析方法分析猎德大桥索塔的受力，简单直观，计算工作量少，计算结果可以满足工程的要求。 参考文献 1 吴家龙.弹性力学.北京.高等教育出版社,2001. 2 王正林,龚纯,何倩.精通 MATLAB 科学计算.北京:电子工业出版社,2007.7. 3 王新敏.ANSYA 工程结构数值分析.北京.人民交通出版社，2007.10. 4 陈喜龙.猎德大桥索塔传力机理及极限承载力初探.华南理工大学硕士论文,2009. 5 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析M.北京:清华大学出版社，2003.
