孙宏莉

三塔斜拉—悬索协作体系桥梁是三塔斜拉桥和三塔悬索桥相结合而产生的一种新型桥梁体系。该体系很好地发挥了三塔斜拉桥和三塔悬索桥各自的优势，解决了三塔斜拉桥随跨径增大塔根轴力过大和三塔悬索桥锚碇过大和竖向刚度过低的问题[1]。但是，目前三塔斜拉—悬索协作体系桥梁尚未受到工程界的重视，相关的研究还处于空白阶段。端吊索疲劳问题是限制三塔斜拉—悬索协作体系桥梁实际应用的重要因素之一。本文通过在斜拉部分和悬吊部分的交界区设置交叉吊索，以研究其对端吊索应力幅的影响。通过交叉吊索数的参数分析，本文找到了一种降低端吊索应力幅的有效措施，实现端吊索的疲劳控制。

1 三塔斜拉—悬索协作体系的端吊索疲劳问题

毋庸置疑，任何桥梁在活载作用下，构件都会出现应力幅的变化，当交变应力幅大于材料的耐久极限，就会出现疲劳问题。对于三塔斜拉—悬索协作体系桥梁，由于斜拉与悬吊结合部刚度变化大，导致在运营阶段，端吊索(最外侧的那根吊索)在活载作用下会产生比较大的交变轴力[2]。因此，若处理不当会导致该根吊索的交变应力超过容许值，从而导致疲劳破坏。降低三塔斜拉—悬索协作体系桥梁端吊索交变应力幅的方法很多，包括增加交叉吊索数、增大吊索面积、增大主梁刚度、设置中央扣等。其中，增加交叉吊索数，可以增大斜拉部分和悬吊部分的衔接范围，以减缓两部分的刚度突变。同时更多的交叉吊索可以分担更多的交变力，是最有效且最经济的方法。

2 基本模型的建立

试拟跨径布置为(304+1 024+1 024+304)m的三塔斜拉—悬索协作体系桥梁方案，如图1所示。边跨设置两个辅助墩，辅助墩间距离96 m。1 024 m主跨由两侧各304 m的斜拉索部分和中间416 m的悬吊部分组成，吊跨比为0.406。斜拉部分和悬索部分两体系连接处，设置1根与斜拉索交叉的吊索。

主塔为预应力钢筋混凝土塔，混凝土材料为C55。主塔全高为222 m，其中桥面以上高162 m，高跨比为0.152，锚索区高度为38 m(2×19 m)。加劲梁采用封闭式流线形扁平钢箱梁，钢箱梁采用Q345qD材料。在中心线处梁高4 m，全桥宽41 m。

全桥缆索系统由主缆、斜拉索和吊索组成。协作体系各构件的截面参数见表1。

用ANSYS建立有限元计算模型[3]。加劲梁采用Beam44空间梁单元，可以自定义单元形心位置，方便地提取单元内力、应力等计算结果。主塔由于外形基本为规则矩形，采用形心对中的Beam44空间梁单元。主缆、斜拉索和吊索均采用Link8杆单元模拟。

表1 构件截面参数表

3 交叉吊索数对端吊索应力幅影响的分析

原模型设置了1根与斜拉索交叉的吊索。在此基础上，改变交叉吊索数，使其在0～5之间变化，考察交叉吊索数对交界区域吊索和斜拉索应力幅的影响。在交界区，吊索和斜拉索的编号如图2所示。斜拉索从左至右为1号～5号，吊索在交叉区域从左至右为1号～5号，在悬吊区为6号～8号。

对不同的交叉吊索数的模型，用ANSYS通用有限元软件进行计算分析，得到交叉吊索数对交界区吊索和斜拉索的应力幅的影响如图3，图4所示。

分析图3，得出如下结论:1)在各索中端吊索的应力幅最大，其他各索应力幅相近。端吊索的应力幅值约为其他各索的3倍;2)从不设置交叉吊索，到设置5根交叉吊索，端吊索的应力幅呈线性规律递减，从267 MPa减小到147 MPa，减幅达45%，其余吊索的应力幅减幅不大;3)当交叉吊索数大于两根时，在交叉区域，交叉吊索的应力幅向跨中方向递减。除端吊索外，交叉区域内的其余吊索应力幅值很小，甚至低于非交叉区的吊索;4)交叉吊索数量对非交叉区的吊索应力幅基本上没有影响。

分析图4，得出如下结论:1)在不设置交叉吊索时，端斜拉索的应力幅值较大，其值达到237 MPa。斜拉索的应力幅向边跨主塔方向呈线性规律递减;2)设置交叉吊索后，随交叉吊索数增大，各端吊索靠外侧相邻的斜拉索的应力幅呈线性规律递减。该斜拉索都比端吊索处的斜拉索应力幅值大;3)除设置1根交叉吊索的情况外，其余情况下5号斜拉索的应力幅值最大。从设置交叉吊索后，该斜拉索的应力幅值减小了约18%。但交叉吊索数的增大，对端斜拉索的应力幅没有影响，交叉吊索数从 1增加到5，端斜拉索的应力幅只减小了约3%。

综上所述，设置交叉吊索对减小吊索的交变应力幅非常有效，对解决端吊索的疲劳问题很有帮助，设置交叉吊索数对减小斜拉索的交变应力幅效果有限。

因此，三塔斜拉—悬索协作体系桥梁的端吊索疲劳问题并不是一个可怕和不能解决的问题。通过设置合理的交叉吊索数，可以很好地解决端吊索的疲劳问题。所以这个问题不会成为推广应用三塔斜拉—悬索协作体系桥梁的障碍。

[1] NielsJ.Gimsing.缆索支承桥梁——概念与设计[M].金增洪，译.北京:人民交通出版社，2002:178-180.

[2] 孙淑红，蒙 云.吊拉组合桥交接区域吊杆的疲劳问题研究[J].重庆交通学院学报，1999(16):53-55.

[3] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.