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沈銳利等西南交大橋梁 2022-04-02 08:01

0.引言

根據(jù)搜集的資料，本文按“纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)體系”、“索塔梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算理論”、“核心受力構(gòu)件精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)方法”及“高強(qiáng)索體抗火分析方法”為分項(xiàng)主題進(jìn)行報(bào)道。論文結(jié)合綜述結(jié)果，提出后續(xù)研究的建議。

1.概述

實(shí)際纜索承重橋梁的設(shè)計(jì)無(wú)一例外地牽涉結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、整體靜動(dòng)力分析、整體與局部設(shè)計(jì)與分析、概念與精細(xì)設(shè)計(jì)等多層次多階段的工作內(nèi)容。纜索承重橋梁計(jì)算理論的發(fā)展創(chuàng)新包括纜索承重橋梁靜力計(jì)算方法的更新、計(jì)算模型精細(xì)度的提升及面向橋梁方案設(shè)計(jì)的高效概念分析方法的提出。本文從這些點(diǎn)出發(fā)來(lái)整理2021年的相關(guān)研究報(bào)道，劃歸的主題包括：“纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)體系”、“索塔梁靜力計(jì)算理論”、“連接核心受力構(gòu)件精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)方法”、“高強(qiáng)索體抗火分析方法”四個(gè)方面陳述，由于筆者能力與水平的限制，難免整理遺漏與評(píng)述不當(dāng)，敬請(qǐng)同行指正。

2.纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)體系

2021年，以實(shí)際橋梁的建成與方案的提出為背景，纜索承重橋梁體系獲得了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

2.1 斜拉橋

方志等[1]研究了基于高性能材料的超大跨混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)性能。以設(shè)計(jì)主跨1600m的雙塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)體系為目標(biāo)，通過(guò)拉索、主梁及橋塔材料使用的不同組合情況，設(shè)計(jì)了鋼拉索＋鋼主梁＋普通混凝土橋塔（SSN）、CFRP拉索＋RPC主梁＋RPC橋塔（CRR）、CFRP拉索＋鋼－RPC混合主梁＋RPC橋塔（CHR）3種橋梁結(jié)構(gòu)方案。從靜力及抗震性能的對(duì)比說(shuō)明了CHR方案結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)整體屈曲穩(wěn)定系數(shù)確定了CHR方案混合主梁鋼－RPC結(jié)合面的合理位置。

圖1 主纜1600m的混合梁斜拉橋

針對(duì)波形鋼腹板部分斜拉橋，袁帥華等[2]建立全橋空間桿系和實(shí)體有限元模型，對(duì)3個(gè)單箱多室組合箱梁斷面在懸臂施工過(guò)程中的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了分析。

蔡俊鐿[3]報(bào)道了淡江大橋的設(shè)計(jì)。該橋?yàn)閱嗡粚?duì)稱(chēng)半飄浮體系斜拉橋，跨徑布置為（2×75＋450＋175＋75＋70）ｍ，采用倒Y形橋塔，塔高200m。

以蕪湖長(zhǎng)江公路二橋?yàn)楣こ桃劳?，胡可等[4]提出了超大跨徑斜拉橋分肢菱形柱式塔及四索面分體弧底鋼箱梁新型結(jié)構(gòu)，研制了同向回轉(zhuǎn)拉索體系、飄浮體系斜拉橋二維阻尼約束體系，構(gòu)建了超大跨徑柱式塔斜拉橋成套技術(shù)。

潘子超等[5]研究了超高墩對(duì)山區(qū)三塔斜拉橋力學(xué)響應(yīng)的影響。背景橋梁為西南山區(qū)某橋梁，跨徑組合為249.5m+2×550m+249.5m。主梁采用鋼混疊合梁，主塔采用鉆石型混凝土塔。

圖2 單塔不對(duì)稱(chēng)半飄浮體系斜拉橋

楊鉆等[6]報(bào)道了汕頭牛田洋大橋的設(shè)計(jì)。該橋?yàn)楣墐捎冒腼h浮體系雙塔斜拉橋，跨徑布置為（77.5+166.1+468+166.1+77.5）m，如圖3所示。主梁采用帶副桁的板桁結(jié)合鋼桁梁，空間三角形桁式。

圖3 公鐵兩用斜拉橋

圖4 單塔不對(duì)稱(chēng)半飄浮體系斜拉橋

以國(guó)內(nèi)某高鐵拱承式獨(dú)塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，祝嘉翀等[7]采用全橋桿系有限元模型，研究了主梁容重、拉索初張力、材料彈性模量和溫度作用等力學(xué)參數(shù)對(duì)該橋成橋狀態(tài)下力學(xué)性能的影響。

圖5 高鐵拱承式獨(dú)塔斜拉橋

侯滿等[8]對(duì)三亞海棠灣人行景觀斜拉橋總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。該橋是連接海棠灣免稅購(gòu)物中心與河心島商業(yè)區(qū)的一座專(zhuān)用人行橋，全長(zhǎng)約230m。橋面彎曲，橋塔傾斜，并分衩地錨于地基，空間受力特性顯著。

Kazuhiro Miyachi等[9]對(duì)S形曲線梁的人行斜拉橋進(jìn)行了研究。該橋結(jié)構(gòu)構(gòu)形來(lái)源于人的行為形式，比如握手、握劍?！拔铡苯o人“牢靠、緊固”的感覺(jué)，將這種行為意識(shí)帶入橋梁設(shè)計(jì)中，于是生成了S形曲線梁斜拉人行橋。他們還對(duì)設(shè)計(jì)橋梁的靜動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證了擬建橋梁的安全性。

圖7 S形曲線梁的斜拉人行橋

黃茅海大橋?yàn)椋?00+280+2×720+280+100）m的超大跨獨(dú)柱塔雙索面三塔斜拉橋。鮮榮等[10]研究了該橋合理結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)計(jì)算分析了塔－梁約束體系、邊跨輔助墩數(shù)量、斜拉索布置形式等對(duì)大橋豎向剛度的影響，明確了大橋在活載作用下能夠滿足主梁最大撓度L/450的性能目標(biāo)。

圖8 超大跨獨(dú)柱塔雙索面三塔斜拉橋

熊治華等[11]研究了大跨徑槽橋合建的合理結(jié)構(gòu)體系。大跨徑的槽橋受水重、交通活載，針對(duì)主跨100~300m范圍內(nèi)的情況，探討了預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)、上承式拱結(jié)構(gòu)、斜拉索結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，揭示了各自的力學(xué)行為。研究結(jié)果表明，跨徑超過(guò)250m時(shí)，可采用斜拉槽橋結(jié)構(gòu)形式（圖9）。

圖9 斜拉管橋合建結(jié)構(gòu)橋型

孟杰等[12]等介紹了重慶土灣大橋的主橋方案。該橋?yàn)樾崩藻^式懸索協(xié)作體系橋梁，跨徑組合為（95+90+690+90+95）m，主梁為桁架結(jié)構(gòu)。

圖10 斜拉－自錨式懸索協(xié)作體系橋梁

柴生波等[13]采用全橋桿系有限元模型研究了交叉索布置方式對(duì)多塔斜拉橋力學(xué)性能的影響。索布置方式分為間隔布置和非對(duì)稱(chēng)布置兩種情況。

2.2 懸索橋

以某在建主跨1760m雙鏈?zhǔn)絾慰绾?jiǎn)支鋼箱梁懸索橋?yàn)楸尘?，王東緒等[14]為研究其合理的結(jié)構(gòu)體系，采用全橋有限元模型分析了不同恒載分配系數(shù)和矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性的影響。

圖11 主跨1760m雙鏈?zhǔn)絾慰绾?jiǎn)支鋼箱梁懸索橋

以益陽(yáng)青龍洲特大橋?yàn)楸尘?，賀耀北等[15]建立了全橋桿系模型及組合梁局部有限元模型，對(duì)鋼－UHPC組合梁的抗彎承載能力、UHPC橋面板的抗裂能力等進(jìn)行了計(jì)算分析，探究了鋼－UHPC組合梁自錨式懸索橋的受力性能及經(jīng)濟(jì)性。

圖12 鋼－UHPC組合梁自錨式懸索橋

袁吉漢[16]提出單葉雙曲面混合空間纜索懸索橋和雙曲拋物面混合空間纜索懸索橋兩種新橋型（圖13及圖14），并以瓊州海峽大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)靜動(dòng)力計(jì)算分析與討論，驗(yàn)證了混合空間纜索懸索橋的性能優(yōu)勢(shì)。

圖13 單葉雙曲面混合空間纜索懸索橋

圖14 雙曲拋物面混合空間纜索懸索橋

在提出部分自錨式懸索橋體系的基礎(chǔ)上（圖15），Zhuang等[18]對(duì)其受力、施工等問(wèn)題進(jìn)行了更深入的研究。

圖15 部分自錨式懸索橋錨碇設(shè)計(jì)

常付平等[17]報(bào)道了濟(jì)南鳳凰黃河大橋的設(shè)計(jì)。該橋?yàn)槎嗨M合梁自錨式懸索橋，跨徑布置為（70+168+428+428+168+70）m，如圖16所示。

圖16 多塔自錨式懸索橋

王秀蘭等[19],[20]采用全橋桿系有限元模型研究了雙纜多塔懸索橋的合理取值及塔梁受力特性。

王路等[21]采用全橋桿系有限元模型與纜鞍抗滑理論分析方法，從汽車(chē)荷載、溫度荷載、結(jié)構(gòu)振型基頻以及顫振臨界風(fēng)速等多方面，探究了三塔以上懸索橋在不同跨徑及橋塔數(shù)目時(shí)的力學(xué)行為和成立特征，研究橋梁的單跨跨徑范圍為500～1500m，橋塔數(shù)目為3～8，如圖17所示。

圖17 3~8塔多塔懸索橋

Son等[22]報(bào)道了于2019年建成通車(chē)的韓國(guó)第一座跨海多塔懸索橋—天使大橋（The Cheon-Sa Bridge），使用強(qiáng)度為1960MPa的鋼絲制成主纜，采用三角形鋼箱梁為加勁梁，采用梯形截面混凝土橋塔，跨徑組合為225+650+650+225m，如圖18所示。

圖18 韓國(guó)第一座跨海多塔懸索橋

2021年，高性能材料、曲線主梁或橋塔、傾斜橋塔、新型索面、多塔纜索承重橋梁及混合受載（公鐵兩用、漕運(yùn)橋）是纜索承重橋梁體系的工程實(shí)踐創(chuàng)新的主題。為實(shí)現(xiàn)更大的跨度、適應(yīng)新的荷載作用，設(shè)計(jì)了新的纜索承重橋梁，通過(guò)計(jì)算分析驗(yàn)證其可行性；或采用解析、數(shù)值方法對(duì)橋梁整體進(jìn)行參數(shù)分析，探尋新的跨度邊界范圍，是以上研究報(bào)道體現(xiàn)的方法論。

3.索塔梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算理論

纜索、橋用鋼構(gòu)件或混凝土橋塔計(jì)算分析是2021年關(guān)注的熱點(diǎn)。

3.1 纜索計(jì)算

圍繞傳統(tǒng)兩塔懸索橋及多塔懸索橋的整體計(jì)算，2021年開(kāi)展了較多的研究。

對(duì)傳統(tǒng)懸索橋主纜線形及其施工控制參數(shù)的代表性的研究包括：羅凌峰等[23]開(kāi)展了銷(xiāo)接式索夾懸索橋成橋線形的高精度計(jì)算方法研究，主纜線形仍按照分段懸鏈線法進(jìn)行計(jì)算，但在主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算中考慮了主纜與鞍槽之間的摩擦影響，在吊索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算中考慮了銷(xiāo)鉸式索夾幾何尺寸的影響；Qi等[24]提出一種新型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高窄型懸索橋的抗風(fēng)性能。索網(wǎng)系統(tǒng)中縱向纜之間通過(guò)有滑輪的拉索連接（圖19），整體計(jì)算由于滑輪的移動(dòng)變得十分復(fù)雜，為此，Qi等提出了一種可考慮滑輪移動(dòng)行為的多點(diǎn)索單元，并推導(dǎo)了相應(yīng)的剛度矩陣。研究表明該方法可以解決含滑輪組的索網(wǎng)懸索橋結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算問(wèn)題；Li等[25]指出在幾何非線性效應(yīng)顯著時(shí)，懸索橋的連續(xù)梁模型（撓度理論）的適用性可能降低。為此，他們提出了改進(jìn)的連續(xù)梁模型，用于大跨度懸索橋的施工過(guò)程計(jì)算。提出的計(jì)算方法經(jīng)過(guò)有限元方法的驗(yàn)證。除此之外，針對(duì)已建成運(yùn)營(yíng)的懸索橋，Zhou等[26]研究了溫度效應(yīng)下懸索橋主纜變形的解析方法。方法經(jīng)過(guò)青馬大橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到了驗(yàn)證。

多塔懸索橋的纜索計(jì)算仍是2021年的研究熱點(diǎn)之一。Zhang等[28]-[31]對(duì)多塔懸索橋簡(jiǎn)化計(jì)算模型、施工階段分析及振動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)的研究，提出的計(jì)算模型與有限元法進(jìn)行了對(duì)比，得到了驗(yàn)證。另外，對(duì)于中央設(shè)有環(huán)扣的三塔懸索橋，Cao等[32]采用簡(jiǎn)化模型其靜力特征進(jìn)行了研究。計(jì)算方法得到了有限元法的驗(yàn)證。

2021年，對(duì)功能性索、協(xié)作體系與多塔懸索橋主纜及混合纜索的計(jì)算研究比較集中，因而纜索計(jì)算理論因索應(yīng)用形式的創(chuàng)新及應(yīng)用范圍的拓寬而得到了持續(xù)的發(fā)展。

圖19 滑輪連接的索網(wǎng)系統(tǒng)

3.2 塔梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

橋用鋼結(jié)構(gòu)主要是焊接方式組拼制成，幾何尺寸較大，且多采用加勁肋增加剛度與強(qiáng)度，因而也可直接稱(chēng)其為“帶肋箱形截面構(gòu)件”或“加勁箱形截面構(gòu)件”，在大跨度纜索承重橋梁中應(yīng)用十分廣泛。大型橋用鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定性是2021年研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。Gui等[33]對(duì)帶有外伸翼緣的加勁鋼構(gòu)件（圖20）進(jìn)行了受壓穩(wěn)定性試驗(yàn)，采用能量原理推導(dǎo)了外伸翼緣中三邊支承加勁板的彈性屈曲系數(shù)，并采用板殼有限元法驗(yàn)證了理論結(jié)果的準(zhǔn)確性。以自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋梁—常洪大橋?yàn)楸尘?，Wang等[34]對(duì)1:4縮尺的大節(jié)段鋼箱梁模型進(jìn)行了受壓加載，通過(guò)鋼板測(cè)試點(diǎn)的荷載變形曲線及應(yīng)變沿梁長(zhǎng)方向的變化規(guī)律研究了鋼箱梁的穩(wěn)定性能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的安全性。同時(shí)，他們[35]對(duì)足尺U肋加勁板進(jìn)行了偏心受壓試驗(yàn)研究，探討了加勁肋數(shù)量對(duì)加勁板極限承載力的影響，采用DIC技術(shù)監(jiān)測(cè)了試驗(yàn)過(guò)程中加勁板的面外變形（圖21）。王飛等[36]采用能量法推導(dǎo)了帶有彈簧約束的加勁板母板彈性屈曲系數(shù)的計(jì)算公式，并通過(guò)板殼有限元模型結(jié)果得以驗(yàn)證。Bai等[37]提出了構(gòu)建考慮局部屈曲的梁柱理論高效計(jì)算模型的框架—遞進(jìn)模型法，按加勁板平均應(yīng)力應(yīng)變曲線傳遞局部屈曲效應(yīng)，以此簡(jiǎn)化大型鋼構(gòu)件的極限承載力分析，計(jì)算框架可延伸至結(jié)構(gòu)體系（圖22），并以已開(kāi)展的試驗(yàn)鋼箱梁為對(duì)象，進(jìn)一步研究了極限承載力，探討了幾何缺陷及殘余應(yīng)力的影響。趙秋等[38],[39]對(duì)受壓T肋加勁板中母板與加勁肋翼緣的穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析提出局部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)公式。張雅俊等[40]開(kāi)展了Q420鋼U肋加勁板軸壓承載性能試驗(yàn)研究，探究了板件柔度與破壞模式之間的關(guān)系。劉小林[41]對(duì)多塔懸索橋中間鋼橋塔的極限承載力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。孫立軍等[42]采用板殼有限元法分析了三塔自錨式懸索橋中間鋼橋塔的局部應(yīng)力。易岳林等[43]采用全橋桿系有限元模型研究了大跨度組合梁斜拉橋的極限承載力。

上述研究主要是針對(duì)平直板件加勁的情況。實(shí)際上，由于現(xiàn)代鋼橋制造技術(shù)的成熟，采用曲面加勁板制造橋梁鋼構(gòu)件已十分普遍，亦有一些研究報(bào)道可供參考。例如，蔡軍等[44]對(duì)曲面加勁板的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析；Filip等[45]對(duì)底板為曲面加勁板的鋼箱梁（圖23）進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，并對(duì)曲面加勁板進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析，揭示了參數(shù)影響機(jī)制，提出了相關(guān)的抗壓屈設(shè)計(jì)公式。Staen等[46]采用板殼有限元模型對(duì)曲線鋼腹板的彈性剪切穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

繼Q500qE高性能鋼在滬通長(zhǎng)江大橋成功應(yīng)用后，2021年建成通車(chē)的武漢漢江灣橋采用了新一代高強(qiáng)橋梁用鋼Q690qE[47]。可以預(yù)見(jiàn)，隨鋼材強(qiáng)度的提升，大型橋用鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性能將面臨新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為發(fā)展鋼橋設(shè)計(jì)方法或規(guī)范提供了新的機(jī)遇。

圖20 外伸翼緣的加勁箱形截面壓桿

圖21 DIC技術(shù)在加勁板面外變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

圖22 遞進(jìn)模型法分析框架

圖23 底板為曲面加勁板的鋼箱梁

常泰長(zhǎng)江大橋的橋塔采用高聳鋼－混混合結(jié)構(gòu)空間鉆石型結(jié)構(gòu)，塔高為340m，其上塔肢為鋼混組合截面，中、下塔肢采用混凝土箱形截面，活載作用下其偏壓穩(wěn)定性問(wèn)題突出。然而，目前對(duì)高聳復(fù)雜斷面形式的橋塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究較為缺乏。與其設(shè)計(jì)相關(guān)的重要參數(shù)—偏心距增大系數(shù)的研究較少。為此，黃僑等[48]采用規(guī)范對(duì)比、有限元分析進(jìn)行研究，定量地考證了現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的偏心距增大系數(shù)對(duì)復(fù)雜橋塔結(jié)構(gòu)的適用性，推薦采用桿系有限元法對(duì)橋塔進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，并強(qiáng)調(diào)了后期應(yīng)構(gòu)建更加精細(xì)的實(shí)體或板殼有限元模型進(jìn)行分析。苑仁安等[49]采用理論推導(dǎo)與數(shù)值分析對(duì)橋塔的偏心距放大系數(shù)進(jìn)行了研究，以含有缺陷的橋塔模型的計(jì)算結(jié)果得出了可供應(yīng)用的偏心距放大系數(shù)。鑒于非對(duì)稱(chēng)跨橋梁傾斜橋塔或曲線橋塔結(jié)構(gòu)行為難以把握，Aarne等[50]提出了一種解析算法用于橋梁概念設(shè)計(jì)階段的分析，該方法被用于具有豎琴形索面的獨(dú)塔斜拉橋的分析中。

由上述研究可知，大型混凝土橋塔的穩(wěn)定性問(wèn)題得到了持續(xù)的關(guān)注，近年來(lái)一系列混凝土橋塔的計(jì)算分析被頻繁報(bào)道，采用的方法主要是理論較為成熟的桿系有限元方法與實(shí)體有限元方法，計(jì)算內(nèi)容較為全面，包括彈性屈曲、彈塑性穩(wěn)定性的極限模式及荷載系數(shù)。有限元方法仍是分析以上問(wèn)題的主要方法，模型精度不斷提高，計(jì)算結(jié)果精確性提升，以通用實(shí)體有限元法對(duì)大型混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)還將繼續(xù)推廣應(yīng)用。但是，上述研究主要是以服務(wù)實(shí)際工程為目的，模型由于構(gòu)造細(xì)節(jié)繁多復(fù)雜，延伸性較差。對(duì)于具有相似同類(lèi)型構(gòu)造細(xì)節(jié)可引入目前快速發(fā)展的BIM技術(shù)，構(gòu)建大型混凝土構(gòu)件的參數(shù)化模塊，以方便地進(jìn)行構(gòu)件受力性能的參數(shù)化分析，從而高效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.連接核心受力構(gòu)件精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)方法

按石材、鑄鐵、混凝土及鋼材建橋材料的歷史演繹可知，輕柔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是纜索承重橋梁發(fā)展的重要方向。材料性能的提升為纜索承重橋梁構(gòu)件實(shí)現(xiàn)更大跨越帶來(lái)了無(wú)盡的想象力與實(shí)現(xiàn)的可能，然而構(gòu)件性能的高效發(fā)揮還必須有可靠的連接來(lái)支撐，這類(lèi)構(gòu)件可稱(chēng)為“核心受力構(gòu)件”。在懸索橋中，它們是索鞍、索夾及吊索。在斜拉橋中，則是拉索?！袄|索承重橋梁核心受力構(gòu)件的精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)”是近年來(lái)一系列工程創(chuàng)新的重要體現(xiàn)之一。在2021年，相關(guān)的研究報(bào)道主要包括鞍座及纜鞍系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、索夾抗滑分析方法及吊索斷裂效應(yīng)的理論研究。

4.1 鞍座及纜鞍系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)主纜與鞍槽之間側(cè)壓力的高效計(jì)算，Wang等[51]在前期以單根鋼絲傳力模式的基礎(chǔ)上，對(duì)規(guī)格為37絲、61絲、91絲及127絲的主纜索股分別構(gòu)建了索元計(jì)算模型（圖24），編制計(jì)算程序，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。采用該方法對(duì)泰州長(zhǎng)江大橋進(jìn)行了實(shí)例分析的展示，結(jié)果表明計(jì)算方法可直接應(yīng)用于主纜抗滑分析與設(shè)計(jì)。

以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘?，朱輝龍[52]對(duì)多塔懸索橋主纜力學(xué)行為及滑移特性進(jìn)行了研究。通過(guò)全橋模型的風(fēng)-車(chē)-橋耦合模型研究了主纜的受力行為；采用非線性接觸有限元模型研究了主纜索股與鞍座、鋼絲與鞍座的滑移行為，并開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究工作。圖25是索股滑移的試驗(yàn)裝置。

以龍?zhí)洞髽驗(yàn)楸尘埃琙hong等[53],[54]對(duì)主索鞍極限承載力及其影響因素進(jìn)行了研究（圖26）。空間大型索鞍有限元模型建模與分析聯(lián)合Autodesk Inventor與Abaqus有限元程序平臺(tái)完成。通過(guò)彈塑性全過(guò)程分析，研究了材料強(qiáng)度、橫向加勁肋厚度及數(shù)量、索鞍鞍槽向?qū)挾确较虺叽?、鞍槽厚度及加勁縱肋對(duì)索鞍極限承載力的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)索鞍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在承載力降低10%的情況下，設(shè)計(jì)出了耗鋼量減少20%的優(yōu)化方案。

圖24 索元方法求解纜鞍側(cè)向力

圖25 主纜與鞍座滑移試驗(yàn)裝置

圖26 鞍座極限狀態(tài)

圖27 懸索橋復(fù)合式索鞍

虎跳峽金沙江大橋?yàn)橹骺?66m的獨(dú)塔地錨式懸索橋。該橋在香格里拉側(cè)沒(méi)有設(shè)置橋塔，主纜通過(guò)一種新型復(fù)合式索鞍—同時(shí)具備主鞍座與散索鞍的功能錨固于巖體內(nèi)。劉斌等[55]詳細(xì)介紹了復(fù)合式索鞍組成部件的設(shè)計(jì)情況，包括鞍體、輥?zhàn)咏M和承板、格柵、擋塊、壓梁及鋼拉桿等，并展示了索鞍實(shí)體模型的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

4.2 索夾抗滑分析方法

索夾偏離原設(shè)計(jì)安裝的位置，對(duì)懸索橋的安全運(yùn)營(yíng)是不利的。多年運(yùn)營(yíng)的懸索橋已有索夾與主纜之間的相互滑移的情況發(fā)生。造成這一現(xiàn)象的原因在于以往規(guī)范采用的索夾抗滑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)索夾與主纜之間的相互作用機(jī)制難以準(zhǔn)確考慮。

Miao等[56]將索夾簡(jiǎn)化為平面模型，如圖28所示，基于索夾平面微元體的平衡條件，推導(dǎo)了主纜與索夾之間的接觸壓力顯式計(jì)算公式，再按抗滑極限狀態(tài)，根據(jù)庫(kù)倫摩擦定律直接給出極限抗滑力的計(jì)算公式。主纜與索夾相互擠壓而存在“犁溝效應(yīng)”，導(dǎo)致索夾平面微元體存在沿主纜徑向與軸向存在不同的摩擦行為。對(duì)此，推導(dǎo)過(guò)程中按兩個(gè)獨(dú)立的摩擦系數(shù)來(lái)計(jì)入這種方向依賴效應(yīng)。隨后，采用索夾實(shí)體有限元模型對(duì)推導(dǎo)公式進(jìn)行了較為全面地驗(yàn)證。

上述研究表明，采用極限狀態(tài)法確定索夾抗滑承載力，接觸壓力的確定至關(guān)重要。對(duì)于常使用的上下對(duì)合的銷(xiāo)鉸式索夾，螺桿串接后通過(guò)擰緊產(chǎn)生索夾與主纜之間的接觸壓力。索夾中的多排螺桿難以同步擰緊（圖29），存在相互之間緊固力的影響。優(yōu)化緊固力的目的之一就是使螺桿能夠均勻受載，從而索夾與主纜表面之間的壓力也能均勻分布。Miao等[57]為此開(kāi)展了索夾螺桿緊固相互作用效應(yīng)的研究，并提出了緊固優(yōu)化方法。緊固優(yōu)化方法以索夾實(shí)體有限元模型結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)緊固一次后螺桿力的分析再確定下一輪的螺桿緊固順序。實(shí)橋測(cè)試表明，該法在獲得均勻螺桿力的同時(shí)，能夠減少螺桿緊固次數(shù)，從而降低現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)量。

圖28 索夾壓力計(jì)算的平面模型

圖29 索夾多排螺桿布置

4.3 吊索斷裂效應(yīng)

纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)吊索損傷引發(fā)的突然斷裂時(shí)有發(fā)生，直接誘發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的局部破壞甚至毀滅性倒塌。近年來(lái)，世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生了因?yàn)榈跛鲾嗔讯鸬睦|索承重橋梁交通封閉或結(jié)構(gòu)破壞的事故。2021年，有相關(guān)的研究對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。

邱文亮等[58]系統(tǒng)總結(jié)了吊索斷裂的模擬方法，包括剛度退化法、瞬時(shí)加載法和等效卸載法。由于實(shí)際橋梁中吊索斷裂位置的不確定性，他們?cè)O(shè)置了索體上中下三個(gè)斷裂位置進(jìn)行對(duì)比討論。通過(guò)對(duì)某主跨跨徑為200m的混凝土自錨式懸索橋的斷索動(dòng)力效應(yīng)的分析，揭示了一些斷索影響機(jī)制。李文武等[59]以主跨160m的混凝土自錨式懸索橋?yàn)橐劳校捎脳U系有限元模型研究了吊索損傷對(duì)自錨式懸索橋吊索系統(tǒng)內(nèi)力的影響機(jī)制。并且指出，自錨式懸索橋的相鄰兩根吊索發(fā)生損傷導(dǎo)致的吊索內(nèi)力重分布與單根吊索逐根損傷后的疊加效果是幾乎一致的。王鵬等[60]對(duì)全跨800m的空間主纜懸索橋吊索斷裂的強(qiáng)健性進(jìn)行了研究。湖南赤石特大橋曾發(fā)生九根拉索受火斷裂，對(duì)此，張羽等[61]采用建立了全橋非線性動(dòng)力實(shí)體有限元分析模型，通過(guò)災(zāi)后監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性，隨后，利用計(jì)算模型研究了背景橋梁多根拉索斷裂情形中的動(dòng)力響應(yīng)。研究結(jié)果為火災(zāi)后斷索斜拉橋的動(dòng)力性能評(píng)估提供了參考。

5.高強(qiáng)索體抗火分析方法

當(dāng)前，區(qū)域之間聯(lián)系緊密，交通流持續(xù)增加，車(chē)輛導(dǎo)致的橋梁失火問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。高效快捷的路網(wǎng)系統(tǒng)不僅要求線路多、分布密，更重要的是保證晝夜的持續(xù)運(yùn)營(yíng)，因而現(xiàn)代橋梁中增設(shè)了大量的照明電氣，成為除交通火源外的另一誘火因子。這些火源對(duì)纜索結(jié)構(gòu)產(chǎn)生潛在的失火威脅，在事故發(fā)生時(shí)，輕則交通阻斷，重則影響結(jié)構(gòu)安全。纜索承重橋梁抗火是亟需關(guān)注的課題。2021年，國(guó)內(nèi)外連續(xù)報(bào)道了這一方面的研究。

圖30 斜拉橋受火多尺度模型

主纜高強(qiáng)鋼絲的高溫狀態(tài)下的力學(xué)性能對(duì)懸索橋抗火至關(guān)重要。既有研究已開(kāi)展過(guò)基于體系或主纜的受火計(jì)算分析，進(jìn)行了一些火災(zāi)場(chǎng)景的模擬，對(duì)主纜抗火極限狀態(tài)進(jìn)行了定性定量地評(píng)估。但是這些本質(zhì)上帶有探索性質(zhì)的研究距離建立科學(xué)合理的主纜抗火設(shè)計(jì)方法仍有較大距離。主要原因在于缺乏鋼絲、索股及主纜受火傳熱機(jī)理及高溫力學(xué)性能的基礎(chǔ)研究。為此，Jumari等[62]針對(duì)ASTM A586高強(qiáng)度鋼絲的高溫力學(xué)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，獲得了彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限應(yīng)變等物理參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，并給出了鋼絲溫度依賴的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型。Chen等[63]研究了在ISO 834火源模型下平行高強(qiáng)鋼絲斷面的溫度場(chǎng)。提出了溫度場(chǎng)計(jì)算的理論公式法，并建立了數(shù)值計(jì)算模型用于對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)勻質(zhì)圓鋼截面的數(shù)值方法并不能有效地對(duì)高強(qiáng)平行鋼絲斷面的溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，無(wú)法考慮鋼絲之間的空隙效應(yīng)，而經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的提出方法能夠?qū)ζ溆行ьA(yù)測(cè)。論文給出了升溫曲線、最大溫度梯度及最高溫度等有益信息。

Liu等[64]提出了暴露于火災(zāi)作用下橋梁的耦合計(jì)算CFD—FEM分析方法，分析方法首先通過(guò)一根鋼柱試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。隨后采用多尺度有限元模型（圖30）對(duì)一座斜拉橋鋼箱梁底板受火情形進(jìn)行了分析。

6.認(rèn)識(shí)與展望

2021年，纜索承重橋梁理論得到了持續(xù)的發(fā)展，對(duì)此的認(rèn)識(shí)及展望如下：

(1)高性能材料、曲線主梁或橋塔、傾斜橋塔、新型索面、多塔纜索承重橋梁及混合受載（公鐵兩用、漕運(yùn)橋）是纜索承重橋梁體系的工程實(shí)踐創(chuàng)新的途徑，體系創(chuàng)新的內(nèi)涵將持續(xù)得到發(fā)展；

(2)功能性索、不同線形的協(xié)作纜索的整體靜動(dòng)力計(jì)算是研究熱點(diǎn)，新型索的應(yīng)用將持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)這一方面的研究；

(3)由工程特異性及目前規(guī)范的局限性所決定，纜索承重橋梁中采用的大型鋼箱梁、鋼橋塔或混凝土橋塔的穩(wěn)定性或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還需進(jìn)一步研究。以滿足工程應(yīng)用為目的，大型構(gòu)件或局部的參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊是其中一個(gè)重要的研究方向；以形成指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)規(guī)范為目的，對(duì)異形大型鋼或混凝土構(gòu)件計(jì)算理論的基礎(chǔ)構(gòu)建亟需開(kāi)展，例如高強(qiáng)鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性能及設(shè)計(jì)方法的研究、大型混凝土構(gòu)件壓彎計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)及承載力計(jì)算公式等；

(4)纜索承重橋梁連接核心受力構(gòu)件設(shè)計(jì)的既有規(guī)范的一些條例是經(jīng)驗(yàn)性的，簡(jiǎn)單粗糙。2021年的相關(guān)研究初步體現(xiàn)了極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)思想，相關(guān)的非線性分析理論在一些工程案例中得到了應(yīng)用，但連接相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍有待深入挖掘，系統(tǒng)的理論方法有待進(jìn)一步發(fā)展；

(5)纜索承重橋梁抗火的研究已刻不容緩。2021年，在這一方面的研究，主要是從工程應(yīng)用的角度展開(kāi)的數(shù)值計(jì)算。對(duì)于基礎(chǔ)性研究工作，如高強(qiáng)鋼絲或主纜抗火性能等的研究十分匱乏，通過(guò)構(gòu)架系統(tǒng)的研究框架大力開(kāi)展相關(guān)科學(xué)工作已迫不及待。

橋梁結(jié)構(gòu)分析理論團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

團(tuán)隊(duì)人員介紹：

沈銳利教授

主要研究方向：大跨度橋梁非線性計(jì)算，施工方法和施工控制技術(shù)等。

主要研究成果：主持和參與國(guó)家科技支撐、省部級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目超過(guò)10項(xiàng)、各企事業(yè)單位委托橫向項(xiàng)目超過(guò)100項(xiàng)；提出懸索橋主纜成橋線形精確計(jì)算方法—即分段懸鏈線法，矮寨大橋加勁梁施工架設(shè)方法—軌索滑移法的主要發(fā)明人之一；主持編制的《橋梁結(jié)構(gòu)空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS》被全國(guó)近50家設(shè)計(jì)院引進(jìn)，成為懸索橋設(shè)計(jì)計(jì)算的主要軟件；主持的跨度超過(guò)1000m的懸索橋的施工監(jiān)控項(xiàng)目超過(guò)10項(xiàng)。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等及以上科技進(jìn)步及發(fā)明獎(jiǎng)8項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；發(fā)表及聯(lián)合發(fā)表論文100篇以上，獲得發(fā)明專(zhuān)利多項(xiàng)。

王路助理研究員

主要研究方向：多塔懸索橋體系受力性能及纜鞍系統(tǒng)精細(xì)化分析

主要研究成果：主持省部級(jí)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，主研省部級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)，研究成果直接應(yīng)用于溫州甌江北口大橋，解決了主纜與鞍座側(cè)向力分布及抗滑承載力等關(guān)鍵技術(shù)難題，為剛性中塔及抗滑鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，取得了顯著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。發(fā)表學(xué)術(shù)論文18篇，其中SCI/EI檢索12篇，獲得發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，軟件著作權(quán)1項(xiàng)。獲評(píng)中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，西南交通大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文。

白倫華助理研究員

主要研究方向：大型橋用鋼構(gòu)件及體系穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)

主要研究成果：主持省部級(jí)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，主研重大工程科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)，參與省部級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)，研究成果直接應(yīng)用于鵝公巖軌道專(zhuān)用橋，解決了大跨徑橋梁鋼箱梁極限承載力等關(guān)鍵技術(shù)難題。發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，其中SCI/EI檢索9篇，獲得發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。

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