摘 要： 为了解牵索塔式斜拉桥的力学性能，本文采用有限元软件ANSYS开展了一具体工程的受力分析，建立三维有限元模型，考察在自重、风载和地震作用下斜拉桥的性能，为其合理设计提供可靠的技术支撑。
关键词：斜拉桥 索塔式 ANSYS 有限元分析 抗震分析
中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）08-0302-01
一、引言
随着改革开放，我国的经济体系的飞速发展，我们中国已经成为继美国以后的第二大经济和政治体系，这使得结构物在满足使用功能的同时，其对人文环境产生着深刻的影响和对文化韵味传达等方面的功能要求更加凸显出来，索结构中既有巍峨高大且雄浑有力的梁和塔，又有坚韧纤细的悬索，二者互补短长，相辅相成，因而使得众多设计师对这种兼有二者长处的独塔无背索斜拉桥青睐有加，独塔无背索斜拉桥是一种结构独特形式新颖的结构体系， 是对常规斜拉桥造型的突破，无背索后倾的塔身形状表现出对相对纤细的桥面强大稳固支撑的力量感，给人醒目深刻的感受。独塔无背索斜拉桥[1]是利用倾斜主塔的自重来平衡主梁的竖向荷载，取消了背索的使用，形式更加的简单优美受力也更加的合理，本文将以亚洲第一座独塔无背双索面斜拉桥-太阳桥为工程背景进行研究，太阳桥是国内设计最为独特的桥梁之一[2]，它位于太阳岛靠松花江处的河口，整体形状是单个斜臂桥塔，斜拉索全集中在桥塔的钝角一侧。本文首先回顾了斜拉桥在受力特点 结构体系 索塔形式等方面的发展历程，总结了独塔无背索斜拉桥的结构特点和发展现状，然后对独塔无背索斜拉桥的索塔结构设计参数和合理成桥状态进行了理论研究。
二、斜拉桥的特点与发展
无背索斜拉桥，是景观桥梁中的一种形式，最著名的一座是Alamillo桥，由西班牙的建筑师与工程师Calatrava为1992年世博会建的景观桥， 跨度200m，当时桥梁使人为之一振，Calatrava本人也被IABSE（国际桥协）评为杰出青年工程师。此后，捷克工程师Milan Komínek1995-1998年设计建造了跨Eble河的Mariansky桥，跨度123.5+55.5m。这两座桥都是无背索斜拉桥，但是受力机理却不同，因此外形也有比较明显的差异。1998年捷克工程师Milan Komínek建造跨Eble河的Mariansky桥是一座颇具特色的桥梁，其塔形非常精巧。两片分离的塔柱向顶端逐渐靠拢，配合塔身纵向长度的变化，犹如一双将合未合的手掌。
该桥被国际工程协会在2003年评为世界十大杰出建筑（包括桥梁工程和房屋建筑各5座）之一，它是其中5座桥梁中跨径最小的，这也充分体现无背索斜拉桥突出的造型能力。
三、有限元模型建立与静力分析
采用有限元软件ANSYS[3]建立以太阳桥为原型的桥体有限元数值仿真模型，索体采用LINK8单元，塔体采用SOLID65 单元，桥面采用SHELL63单元，首先建立实体几何模型，然后进行网格划分，形成有限元模型，在此基础上开展受力分析，得出理论数值与实际数值的差别原因，计算了太阳桥的竖向荷载分担率，确定了太阳桥的合理成桥索力并对其进行了优化分析与可行的调整方案。
独塔无背索斜拉桥的结构性能的研究内容比较丰富，其结构性能大致包括静力性能 稳定性能和动力性能三大类，此外还有桥梁施工控制 方案适用性等方面的研究。
静力性能又分为整体性能和局部性能。局部性能方面的研究主要集中在塔梁墩固结部位 索梁锚固区这三方面。塔梁墩固结部位是独塔无背索斜拉桥的关键部位，该部位不仅施工复杂，而且受力也是十分繁杂的，设计中除按平面杆件计算验算外，还用空间有限元分析进行复核，根据计算分析结果对应力集中的部位进行了相应的加强。索塔锚固区承受较大的索拉力的集中作用以及因偏心产生的弯矩作用，由此导致锚固区的受力十分的复杂。锚固区的安全可靠也是桥梁设计的关键所在。
四、斜拉桥的稳定性分析
独塔无背索体系的受力复杂，稳定问题也变得突出，目前这方面深入研究还不多，而且仅是第一类稳定分析。通过几篇相关文献的研究，无背索斜拉桥的整体稳定性良好，不能成为制约桥梁设计的障碍。
五、抗风分析
桥梁的抗风方面研究是至关重要的，不仅要考虑主梁的振动，还应该考虑桥塔和斜索的振动。尽管多数的无背索斜拉桥采用了横向间距较小的斜向双索面的索面形式，但都采用抗扭刚度较大的闭合箱型截面，因此主梁具有了較好的动力稳定性。如果主梁截面采用流线型。对抗风稳定性将更加有利。本文经ANSYS风载下的随机振动分析，可以看出其抗风性能满足要求。
六、抗震研究
开展斜拉桥的抗震性能研究，是确保发生地震时桥梁的正常运转，独塔无背索斜拉桥和普通的斜拉桥是一样的，由固有周期和阻尼系数相差较大的塔-索-梁和基础等各个部分组成[4]，因此在地震发生时，全桥振动体系涉及各部分构件本身的振动体系。不论是在低阶还是高阶振型中，各部分构件本身的振动特性都会影响全桥的振动，从国内几座无背索斜拉桥的资料来看，地震烈度为6度，考虑重要性，基本按7度设防。但是如果主跨过长，主跨满载时，桥塔随着主梁挠度发生倾斜会增大主跨挠度，此外还需高吨位的支座，在实际使用时比较困难，是目前桥梁设计中面临的一个挑战。
七、结论
本文首先回顾了斜拉桥在受力特点 结构体系 索塔形式等方面的发展历程，总结了独塔无背索斜拉桥的结构特点和发展现状，然后对独塔无背索斜拉桥的索塔结构设计参数和合理成桥状态进行了理论研究。为了解牵索塔式斜拉桥的力学性能，本文采用有限元软件ANSYS开展了一具体工程的受力分析，建立三维有限元模型，考察在自重、风载和地震作用下斜拉桥的性能，为其合理设计提供可靠的技术支撑。
参考文献
[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1996.
[2]叶茂，周福霖.城市高架桥车桥墩系统竖向振动分析[J].应用力学学报，2009，（1）：45-47.
[3]郝文化.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
[4]张文福.空间结构[M].北京：中国科学出版社，2005.
作者简介：张建华（1982.12-），河南周口人，硕士，工程师，研究方向：建筑加固理论与技术与混凝土结构。
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