2021年度進展09：纜索承重橋梁計算理論

劉明虎的圖書館 2022-04-02

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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“纜索承重橋梁結構體系”、“索塔梁結構靜力計算理論”、“核心受力構件精細化分析與設計方法”及“高強索體抗火分析方法”為分項主題進行報道。論文結合綜述結果，提出后續(xù)研究的建議。

1.概述

實際纜索承重橋梁的設計無一例外地牽涉結構體系設計、整體靜動力分析、整體與局部設計與分析、概念與精細設計等多層次多階段的工作內(nèi)容。纜索承重橋梁計算理論的發(fā)展創(chuàng)新包括纜索承重橋梁靜力計算方法的更新、計算模型精細度的提升及面向橋梁方案設計的高效概念分析方法的提出。本文從這些點出發(fā)來整理2021年的相關研究報道，劃歸的主題包括：“纜索承重橋梁結構體系”、“索塔梁靜力計算理論”、“連接核心受力構件精細化分析與設計方法”、“高強索體抗火分析方法”四個方面陳述，由于筆者能力與水平的限制，難免整理遺漏與評述不當，敬請同行指正。

2.纜索承重橋梁結構體系

2021年，以實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點。

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構性能。以設計主跨1600m的雙塔雙索面斜拉橋結構體系為目標，通過拉索、主梁及橋塔材料使用的不同組合情況，設計了鋼拉索＋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種橋梁結構方案。從靜力及抗震性能的對比說明了CHR方案結構性能更優(yōu)，并通過結構整體屈曲穩(wěn)定系數(shù)確定了CHR方案混合主梁鋼－RPC結合面的合理位置。

圖1 主纜1600m的混合梁斜拉橋

針對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體有限元模型，對3個單箱多室組合箱梁斷面在懸臂施工過程中的剪力滯效應進行了分析。

蔡俊鐿[3]報道了淡江大橋的設計。該橋為單塔不對稱半飄浮體系斜拉橋，跨徑布置為（2×75＋450＋175＋75＋70）ｍ，采用倒Y形橋塔，塔高200m。

以蕪湖長江公路二橋為工程依托，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構，研制了同向回轉拉索體系、飄浮體系斜拉橋二維阻尼約束體系，構建了超大跨徑柱式塔斜拉橋成套技術。

潘子超等[5]研究了超高墩對山區(qū)三塔斜拉橋力學響應的影響。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 單塔不對稱半飄浮體系斜拉橋

楊鉆等[6]報道了汕頭牛田洋大橋的設計。該橋為公軌兩用半飄浮體系雙塔斜拉橋，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 單塔不對稱半飄浮體系斜拉橋

以國內(nèi)某高鐵拱承式獨塔斜拉橋為工程背景，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參數(shù)對該橋成橋狀態(tài)下力學性能的影響。

圖5 高鐵拱承式獨塔斜拉橋

侯滿等[8]對三亞海棠灣人行景觀斜拉橋總體設計進行了研究。該橋是連接海棠灣免稅購物中心與河心島商業(yè)區(qū)的一座專用人行橋，全長約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S形曲線梁的人行斜拉橋進行了研究。該橋結構構形來源于人的行為形式，比如握手、握劍?！拔铡苯o人“牢靠、緊固”的感覺，將這種行為意識帶入橋梁設計中，于是生成了S形曲線梁斜拉人行橋。他們還對設計橋梁的靜動力特性進行計算分析，驗證了擬建橋梁的安全性。

圖7 S形曲線梁的斜拉人行橋

黃茅海大橋為（100+280+2×720+280+100）m的超大跨獨柱塔雙索面三塔斜拉橋。鮮榮等[10]研究了該橋合理結構體系，通過計算分析了塔－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。

圖8 超大跨獨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構體系。大跨徑的槽橋受水重、交通活載，針對主跨100~300m范圍內(nèi)的情況，探討了預應力混凝土剛構、上承式拱結構、斜拉索結構三種結構體系的結構響應，揭示了各自的力學行為。研究結果表明，跨徑超過250m時，可采用斜拉槽橋結構形式（圖9）。

圖9 斜拉管橋合建結構橋型

孟杰等[12]等介紹了重慶土灣大橋的主橋方案。該橋為斜拉－自錨式懸索協(xié)作體系橋梁，跨徑組合為（95+90+690+90+95）m，主梁為桁架結構。

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多塔斜拉橋力學性能的影響。索布置方式分為間隔布置和非對稱布置兩種情況。

2.2 懸索橋

以某在建主跨1760m雙鏈式單跨簡支鋼箱梁懸索橋為背景，王東緒等[14]為研究其合理的結構體系，采用全橋有限元模型分析了不同恒載分配系數(shù)和矢跨比對結構受力特性的影響。

圖11 主跨1760m雙鏈式單跨簡支鋼箱梁懸索橋

以益陽青龍洲特大橋為背景，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，對鋼－UHPC組合梁的抗彎承載能力、UHPC橋面板的抗裂能力等進行了計算分析，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），并以瓊州海峽大橋為工程背景，通過靜動力計算分析與討論，驗證了混合空間纜索懸索橋的性能優(yōu)勢。

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上（圖15），Zhuang等[18]對其受力、施工等問題進行了更深入的研究。

圖15 部分自錨式懸索橋錨碇設計

常付平等[17]報道了濟南鳳凰黃河大橋的設計。該橋為多塔組合梁自錨式懸索橋，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，從汽車荷載、溫度荷載、結構振型基頻以及顫振臨界風速等多方面，探究了三塔以上懸索橋在不同跨徑及橋塔數(shù)目時的力學行為和成立特征，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]報道了于2019年建成通車的韓國第一座跨海多塔懸索橋—天使大橋（The Cheon-Sa Bridge），使用強度為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、漕運橋）是纜索承重橋梁體系的工程實踐創(chuàng)新的主題。為實現(xiàn)更大的跨度、適應新的荷載作用，設計了新的纜索承重橋梁，通過計算分析驗證其可行性；或采用解析、數(shù)值方法對橋梁整體進行參數(shù)分析，探尋新的跨度邊界范圍，是以上研究報道體現(xiàn)的方法論。

3.索塔梁結構靜力計算理論

纜索、橋用鋼構件或混凝土橋塔計算分析是2021年關注的熱點。

3.1 纜索計算

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

對傳統(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]開展了銷接式索夾懸索橋成橋線形的高精度計算方法研究，主纜線形仍按照分段懸鏈線法進行計算，但在主纜無應力長度計算中考慮了主纜與鞍槽之間的摩擦影響，在吊索無應力長度計算中考慮了銷鉸式索夾幾何尺寸的影響；Qi等[24]提出一種新型索網(wǎng)結構來提高窄型懸索橋的抗風性能。索網(wǎng)系統(tǒng)中縱向纜之間通過有滑輪的拉索連接（圖19），整體計算由于滑輪的移動變得十分復雜，為此，Qi等提出了一種可考慮滑輪移動行為的多點索單元，并推導了相應的剛度矩陣。研究表明該方法可以解決含滑輪組的索網(wǎng)懸索橋結構的整體計算問題；Li等[25]指出在幾何非線性效應顯著時，懸索橋的連續(xù)梁模型（撓度理論）的適用性可能降低。為此，他們提出了改進的連續(xù)梁模型，用于大跨度懸索橋的施工過程計算。提出的計算方法經(jīng)過有限元方法的驗證。除此之外，針對已建成運營的懸索橋，Zhou等[26]研究了溫度效應下懸索橋主纜變形的解析方法。方法經(jīng)過青馬大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)得到了驗證。

多塔懸索橋的纜索計算仍是2021年的研究熱點之一。Zhang等[28]-[31]對多塔懸索橋簡化計算模型、施工階段分析及振動特性進行了相關的研究，提出的計算模型與有限元法進行了對比，得到了驗證。另外，對于中央設有環(huán)扣的三塔懸索橋，Cao等[32]采用簡化模型其靜力特征進行了研究。計算方法得到了有限元法的驗證。

2021年，對功能性索、協(xié)作體系與多塔懸索橋主纜及混合纜索的計算研究比較集中，因而纜索計算理論因索應用形式的創(chuàng)新及應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 塔梁結構穩(wěn)定性分析

橋用鋼結構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度，因而也可直接稱其為“帶肋箱形截面構件”或“加勁箱形截面構件”，在大跨度纜索承重橋梁中應用十分廣泛。大型橋用鋼構件的局部穩(wěn)定性是2021年研究的熱點問題之一。Gui等[33]對帶有外伸翼緣的加勁鋼構件（圖20）進行了受壓穩(wěn)定性試驗，采用能量原理推導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證了理論結果的準確性。以自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋梁—常洪大橋為背景，Wang等[34]對1:4縮尺的大節(jié)段鋼箱梁模型進行了受壓加載，通過鋼板測試點的荷載變形曲線及應變沿梁長方向的變化規(guī)律研究了鋼箱梁的穩(wěn)定性能，驗證了設計的安全性。同時，他們[35]對足尺U肋加勁板進行了偏心受壓試驗研究，探討了加勁肋數(shù)量對加勁板極限承載力的影響，采用DIC技術監(jiān)測了試驗過程中加勁板的面外變形（圖21）。王飛等[36]采用能量法推導了帶有彈簧約束的加勁板母板彈性屈曲系數(shù)的計算公式，并通過板殼有限元模型結果得以驗證。Bai等[37]提出了構建考慮局部屈曲的梁柱理論高效計算模型的框架—遞進模型法，按加勁板平均應力應變曲線傳遞局部屈曲效應，以此簡化大型鋼構件的極限承載力分析，計算框架可延伸至結構體系（圖22），并以已開展的試驗鋼箱梁為對象，進一步研究了極限承載力，探討了幾何缺陷及殘余應力的影響。趙秋等[38],[39]對受壓T肋加勁板中母板與加勁肋翼緣的穩(wěn)定性能進行了試驗研究，并通過數(shù)值模擬及理論分析提出局部穩(wěn)定性設計公式。張雅俊等[40]開展了Q420鋼U肋加勁板軸壓承載性能試驗研究，探究了板件柔度與破壞模式之間的關系。劉小林[41]對多塔懸索橋中間鋼橋塔的極限承載力進行了數(shù)值計算分析。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平直板件加勁的情況。實際上，由于現(xiàn)代鋼橋制造技術的成熟，采用曲面加勁板制造橋梁鋼構件已十分普遍，亦有一些研究報道可供參考。例如，蔡軍等[44]對曲面加勁板的穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析；Filip等[45]對底板為曲面加勁板的鋼箱梁（圖23）進行了穩(wěn)定性試驗研究與數(shù)值模擬，并對曲面加勁板進行系統(tǒng)的計算分析，揭示了參數(shù)影響機制，提出了相關的抗壓屈設計公式。Staen等[46]采用板殼有限元模型對曲線鋼腹板的彈性剪切穩(wěn)定性進行了研究。

繼Q500qE高性能鋼在滬通長江大橋成功應用后，2021年建成通車的武漢漢江灣橋采用了新一代高強橋梁用鋼Q690qE[47]?？梢灶A見，隨鋼材強度的提升，大型橋用鋼構件的穩(wěn)定性能將面臨新的挑戰(zhàn)，同時也為發(fā)展鋼橋設計方法或規(guī)范提供了新的機遇。

圖20 外伸翼緣的加勁箱形截面壓桿

圖21 DIC技術在加勁板面外變形監(jiān)測中的應用

圖22 遞進模型法分析框架

圖23 底板為曲面加勁板的鋼箱梁

常泰長江大橋的橋塔采用高聳鋼－混混合結構空間鉆石型結構，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)定性問題突出。然而，目前對高聳復雜斷面形式的橋塔結構穩(wěn)定性研究較為缺乏。與其設計相關的重要參數(shù)—偏心距增大系數(shù)的研究較少。為此，黃僑等[48]采用規(guī)范對比、有限元分析進行研究，定量地考證了現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的偏心距增大系數(shù)對復雜橋塔結構的適用性，推薦采用桿系有限元法對橋塔進行配筋設計，并強調(diào)了后期應構建更加精細的實體或板殼有限元模型進行分析。苑仁安等[49]采用理論推導與數(shù)值分析對橋塔的偏心距放大系數(shù)進行了研究，以含有缺陷的橋塔模型的計算結果得出了可供應用的偏心距放大系數(shù)。鑒于非對稱跨橋梁傾斜橋塔或曲線橋塔結構行為難以把握，Aarne等[50]提出了一種解析算法用于橋梁概念設計階段的分析，該方法被用于具有豎琴形索面的獨塔斜拉橋的分析中。

由上述研究可知，大型混凝土橋塔的穩(wěn)定性問題得到了持續(xù)的關注，近年來一系列混凝土橋塔的計算分析被頻繁報道，采用的方法主要是理論較為成熟的桿系有限元方法與實體有限元方法，計算內(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題的主要方法，模型精度不斷提高，計算結果精確性提升，以通用實體有限元法對大型混凝土構件進行設計還將繼續(xù)推廣應用。但是，上述研究主要是以服務實際工程為目的，模型由于構造細節(jié)繁多復雜，延伸性較差。對于具有相似同類型構造細節(jié)可引入目前快速發(fā)展的BIM技術，構建大型混凝土構件的參數(shù)化模塊，以方便地進行構件受力性能的參數(shù)化分析，從而高效地進行結構的優(yōu)化設計。

4.連接核心受力構件精細化分析與設計方法

按石材、鑄鐵、混凝土及鋼材建橋材料的歷史演繹可知，輕柔的結構設計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件實現(xiàn)更大跨越帶來了無盡的想象力與實現(xiàn)的可能，然而構件性能的高效發(fā)揮還必須有可靠的連接來支撐，這類構件可稱為“核心受力構件”。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件的精細化分析與設計”是近年來一系列工程創(chuàng)新的重要體現(xiàn)之一。在2021年，相關的研究報道主要包括鞍座及纜鞍系統(tǒng)分析與設計、索夾抗滑分析方法及吊索斷裂效應的理論研究。

4.1 鞍座及纜鞍系統(tǒng)分析與設計

為實現(xiàn)主纜與鞍槽之間側壓力的高效計算，Wang等[51]在前期以單根鋼絲傳力模式的基礎上，對規(guī)格為37絲、61絲、91絲及127絲的主纜索股分別構建了索元計算模型（圖24），編制計算程序，并通過試驗結果進行了驗證。采用該方法對泰州長江大橋進行了實例分析的展示，結果表明計算方法可直接應用于主纜抗滑分析與設計。

以泰州長江大橋為背景，朱輝龍[52]對多塔懸索橋主纜力學行為及滑移特性進行了研究。通過全橋模型的風-車-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，并開展相關的試驗研究工作。圖25是索股滑移的試驗裝置。

以龍?zhí)洞髽驗楸尘?，Zhong等[53],[54]對主索鞍極限承載力及其影響因素進行了研究（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有限元程序平臺完成。通過彈塑性全過程分析，研究了材料強度、橫向加勁肋厚度及數(shù)量、索鞍鞍槽向寬度方向尺寸、鞍槽厚度及加勁縱肋對索鞍極限承載力的影響。在此基礎上，對索鞍結構進行了優(yōu)化設計，在承載力降低10%的情況下，設計出了耗鋼量減少20%的優(yōu)化方案。

圖24 索元方法求解纜鞍側向力

圖25 主纜與鞍座滑移試驗裝置

圖26 鞍座極限狀態(tài)

圖27 懸索橋復合式索鞍

虎跳峽金沙江大橋為主跨766m的獨塔地錨式懸索橋。該橋在香格里拉側沒有設置橋塔，主纜通過一種新型復合式索鞍—同時具備主鞍座與散索鞍的功能錨固于巖體內(nèi)。劉斌等[55]詳細介紹了復合式索鞍組成部件的設計情況，包括鞍體、輥子組和承板、格柵、擋塊、壓梁及鋼拉桿等，并展示了索鞍實體模型的應力計算結果。

4.2 索夾抗滑分析方法

索夾偏離原設計安裝的位置，對懸索橋的安全運營是不利的。多年運營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計經(jīng)驗公式對索夾與主纜之間的相互作用機制難以準確考慮。

Miao等[56]將索夾簡化為平面模型，如圖28所示，基于索夾平面微元體的平衡條件，推導了主纜與索夾之間的接觸壓力顯式計算公式，再按抗滑極限狀態(tài)，根據(jù)庫倫摩擦定律直接給出極限抗滑力的計算公式。主纜與索夾相互擠壓而存在“犁溝效應”，導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。對此，推導過程中按兩個獨立的摩擦系數(shù)來計入這種方向依賴效應。隨后，采用索夾實體有限元模型對推導公式進行了較為全面地驗證。

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重要。對于常使用的上下對合的銷鉸式索夾，螺桿串接后通過擰緊產(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]為此開展了索夾螺桿緊固相互作用效應的研究，并提出了緊固優(yōu)化方法。緊固優(yōu)化方法以索夾實體有限元模型結果為基礎，通過緊固一次后螺桿力的分析再確定下一輪的螺桿緊固順序。實橋測試表明，該法在獲得均勻螺桿力的同時，能夠減少螺桿緊固次數(shù)，從而降低現(xiàn)場勞動量。

圖28 索夾壓力計算的平面模型

圖29 索夾多排螺桿布置

4.3 吊索斷裂效應

纜索承重橋梁結構吊索損傷引發(fā)的突然斷裂時有發(fā)生，直接誘發(fā)橋梁結構的局部破壞甚至毀滅性倒塌。近年來，世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生了因為吊索斷裂而引起的纜索承重橋梁交通封閉或結構破壞的事故。2021年，有相關的研究對此進行了報道。

邱文亮等[58]系統(tǒng)總結了吊索斷裂的模擬方法，包括剛度退化法、瞬時加載法和等效卸載法。由于實際橋梁中吊索斷裂位置的不確定性，他們設置了索體上中下三個斷裂位置進行對比討論。通過對某主跨跨徑為200m的混凝土自錨式懸索橋的斷索動力效應的分析，揭示了一些斷索影響機制。李文武等[59]以主跨160m的混凝土自錨式懸索橋為依托，采用桿系有限元模型研究了吊索損傷對自錨式懸索橋吊索系統(tǒng)內(nèi)力的影響機制。并且指出，自錨式懸索橋的相鄰兩根吊索發(fā)生損傷導致的吊索內(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]對全跨800m的空間主纜懸索橋吊索斷裂的強健性進行了研究。湖南赤石特大橋曾發(fā)生九根拉索受火斷裂，對此，張羽等[61]采用建立了全橋非線性動力實體有限元分析模型，通過災后監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)驗證了模型的有效性，隨后，利用計算模型研究了背景橋梁多根拉索斷裂情形中的動力響應。研究結果為火災后斷索斜拉橋的動力性能評估提供了參考。

5.高強索體抗火分析方法

當前，區(qū)域之間聯(lián)系緊密，交通流持續(xù)增加，車輛導致的橋梁失火問題時有發(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)運營，因而現(xiàn)代橋梁中增設了大量的照明電氣，成為除交通火源外的另一誘火因子。這些火源對纜索結構產(chǎn)生潛在的失火威脅，在事故發(fā)生時，輕則交通阻斷，重則影響結構安全。纜索承重橋梁抗火是亟需關注的課題。2021年，國內(nèi)外連續(xù)報道了這一方面的研究。

圖30 斜拉橋受火多尺度模型

主纜高強鋼絲的高溫狀態(tài)下的力學性能對懸索橋抗火至關重要。既有研究已開展過基于體系或主纜的受火計算分析，進行了一些火災場景的模擬，對主纜抗火極限狀態(tài)進行了定性定量地評估。但是這些本質上帶有探索性質的研究距離建立科學合理的主纜抗火設計方法仍有較大距離。主要原因在于缺乏鋼絲、索股及主纜受火傳熱機理及高溫力學性能的基礎研究。為此，Jumari等[62]針對ASTM A586高強度鋼絲的高溫力學性能開展了試驗研究，獲得了彈性模量、屈服強度、極限應變等物理參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，并給出了鋼絲溫度依賴的應力應變曲線模型。Chen等[63]研究了在ISO 834火源模型下平行高強鋼絲斷面的溫度場。提出了溫度場計算的理論公式法，并建立了數(shù)值計算模型用于對比分析。研究結果表明，傳統(tǒng)勻質圓鋼截面的數(shù)值方法并不能有效地對高強平行鋼絲斷面的溫度場進行預測，無法考慮鋼絲之間的空隙效應，而經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)驗證的提出方法能夠對其有效預測。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]提出了暴露于火災作用下橋梁的耦合計算CFD—FEM分析方法，分析方法首先通過一根鋼柱試驗進行驗證。隨后采用多尺度有限元模型（圖30）對一座斜拉橋鋼箱梁底板受火情形進行了分析。

6.認識與展望

2021年，纜索承重橋梁理論得到了持續(xù)的發(fā)展，對此的認識及展望如下：

(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、漕運橋）是纜索承重橋梁體系的工程實踐創(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)作纜索的整體靜動力計算是研究熱點，新型索的應用將持續(xù)增長對這一方面的研究；

(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)化設計方法還需進一步研究。以滿足工程應用為目的，大型構件或局部的參數(shù)化設計模塊是其中一個重要的研究方向；以形成指導性的設計規(guī)范為目的，對異形大型鋼或混凝土構件計算理論的基礎構建亟需開展，例如高強鋼構件的穩(wěn)定性能及設計方法的研究、大型混凝土構件壓彎計算長度系數(shù)及承載力計算公式等；

(4)纜索承重橋梁連接核心受力構件設計的既有規(guī)范的一些條例是經(jīng)驗性的，簡單粗糙。2021年的相關研究初步體現(xiàn)了極限狀態(tài)的設計思想，相關的非線性分析理論在一些工程案例中得到了應用，但連接相互作用機制的認識仍有待深入挖掘，系統(tǒng)的理論方法有待進一步發(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，主要是從工程應用的角度展開的數(shù)值計算。對于基礎性研究工作，如高強鋼絲或主纜抗火性能等的研究十分匱乏，通過構架系統(tǒng)的研究框架大力開展相關科學工作已迫不及待。

橋梁結構分析理論團隊簡介

團隊人員介紹：

沈銳利教授

主要研究方向：大跨度橋梁非線性計算，施工方法和施工控制技術等。

主要研究成果：主持和參與國家科技支撐、省部級科技攻關項目超過10項、各企事業(yè)單位委托橫向項目超過100項；提出懸索橋主纜成橋線形精確計算方法—即分段懸鏈線法，矮寨大橋加勁梁施工架設方法—軌索滑移法的主要發(fā)明人之一；主持編制的《橋梁結構空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS》被全國近50家設計院引進，成為懸索橋設計計算的主要軟件；主持的跨度超過1000m的懸索橋的施工監(jiān)控項目超過10項。獲國家科技進步二等獎1項、省部級一等及以上科技進步及發(fā)明獎8項、二等獎2項；發(fā)表及聯(lián)合發(fā)表論文100篇以上，獲得發(fā)明專利多項。

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)精細化分析

主要研究成果：主持省部級基金項目2項，主研省部級科技攻關項目1項，研究成果直接應用于溫州甌江北口大橋，解決了主纜與鞍座側向力分布及抗滑承載力等關鍵技術難題，為剛性中塔及抗滑鞍座結構設計提供了理論依據(jù)，取得了顯著經(jīng)濟、社會效益。發(fā)表學術論文18篇，其中SCI/EI檢索12篇，獲得發(fā)明專利3項，軟件著作權1項。獲評中國土木工程學會優(yōu)秀論文獎，西南交通大學優(yōu)秀博士學位論文。

白倫華助理研究員

主要研究方向：大型橋用鋼構件及體系穩(wěn)定性分析與設計

主要研究成果：主持省部級基金項目1項，主研重大工程科技攻關項目1項，參與省部級科技攻關項目1項，研究成果直接應用于鵝公巖軌道專用橋，解決了大跨徑橋梁鋼箱梁極限承載力等關鍵技術難題。發(fā)表學術論文10余篇，其中SCI/EI檢索9篇，獲得發(fā)明專利4項。

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