某斜拉桥观光塔的结构分析

1、第3 6 卷增刊建筑结构2 0 0 6 年6 月 某斜拉桥观光塔的结构分析 王忠全 ( 上海同磊土木工程技术有限公司 张其林 2 0 0 0 9 2 ) ( 同济大学土木工程学院上海2 0 0 0 9 2 ) 提要 外形似鱼的观光塔依靠斜拉桥的索塔而立，使桥梁不仅外形美观而且有了观光旅游的功能。这座 观光塔造型别致。结构复杂，使用桥梁分析程序难以处理。着重介绍了采用合理的假定以及简化，用建筑 结构分析的方法完成对这种特殊塔形结构的分析计算，并与桥梁整体分析的结果进行了比较，认为是合理 可靠的，对同类结构的分析处理有一定参考作用。 关键词】观光塔桥塔结构分析 S t r u c t u r e A n a l y s i so f o S l g h t s e e l n g T o w e ro nn c a M e s t a y e d B r i d g e W a n g Z h o n g q u a n 。Z h a n g Q i l i n 2 ( 1S h a n g 。 h a iT o n g l e iC i v i lE n g i n e e r i n

2、gT e c h n o l o g yC o m p a n y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 tC h i n a ；2D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ， T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h u n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h es i g h t s e e i n g t o w e r t i e s t o8c a b l e - s t a y e db r i d g ep y 】o n a n d i t s f i g e r e i s l i k ea f i s h ，C o n s i d e r i n g t h e t w oa b o r e m e n t i o n e dc h a r a c t e r so ft h et o w e r ，b ya s s u m p t i o na n dr e a s o n a b l

3、ep r e d i g e s t i o n ，t h et o w e rs t r u c t u r ei sa n a l y s e d a n dr e s u l t sa r ec o m p a r e d T h ea n a l y s i se x p e r i e n c ec a nb ear e f e r e n c ef o rs i m i l a re n g i n e e r i n g K e y w o r d s ：s i g h t s e e i n gt o w e rm V c t I ”；p y l o no fc a b l e + s t a y e db r i d g e ；s t r u c t u r ea n a l y s i s 1 工程概况 这座斜拉桥位于安徽芜湖。桥梁跨径为一跨，跨 度9 5 5 m ，主桥长1 7 3 5 m 。横断面布置：3 2 5 m ( 人行 道) + 3 7 5 m ( 非机动车道) + 8 m ( 机动车道) + 6 m ( 隔离带) + 1 5 m ( 隔离带左右布置对称

4、) ，桥梁总宽 度为3 6 m 。斜索区及索塔放置在隔离带内，顺桥方向 为南北向，主塔放置在南侧。桥型总体布置见图1 。 = l 糜 密ll 么殇诓 J 殿 、 I 黛鬯兰幽辞 一 0j 闰l观光塔总体布置示意圈 索塔的总高度为7 8 m ，两根母l0 0 0 2 0 的圆钢 管构成鱼腹的曲线。从塔柱中部的六处伸出水平的钢 粱与圆钢管相连组成面积较大平台，供游人休闲观 光。在与桥塔衔接的部位设有电梯和楼梯作为竖向交 通通道。困有防火要求，楼梯和电梯筒全部采用混凝 土结构。 2 结构分析的层次 结构的分析计算是有层次的，从整体分析到局部 分析再到构件的分析，这样的阶段划分并不是一种不 得已而为之的妥协，而是在分析问题的不同阶段，可 以让设计者专注于问题主要方面的一种策略。 在桥梁的整体分析阶段，主要关心桥梁在风荷载、 地震作用、汽车、人群、温差等作用下的桥主梁和桥主 塔的反应，此时并不需要考虑观光塔构件的细部情况， 所以桥主梁和桥主塔都是作为一维构件建模分析的。 在进一步的设计过程中，要知道观光塔电梯筒墙 体以及楼面构件的受力情况，就需要中间层次的结构 分析，即进行观光塔部分的结构分析。

5、 3 分析模型的建立 进行部分结构分析时，一个主要的难点就在于模 型的建立。既要能反映所关心的结构的受力性能，又 不能过于繁琐。对于观光塔结构，桥塔是一个最主要 的构件，整个观光塔都是依附于桥塔而立，桥塔上又 有数根索与桥面相连。通过整体分析可知，拉索的桥 塔，在顺桥向的剐度比单独的没有拉索的桥塔大很多 倍，不是一个数量级的。但是在横桥向，拉索对于桥 塔的剐度贡献又很小，可以忽略。 桥梁整体分析的结果表明，结构的自振振型的前 几阶主要是桥面的振动和桥塔横桥向的振动，桥塔顺 桥向振动出现在高阶的振型当中。所以在以分析观光 塔墙体和楼面构件受力为主要目的的结构分析中可以 3 9 9 略去拉索对于横桥向塔柱刚度的贡献。桥塔的横断面 是一个矩形和半椭圆的结合形状，如何在模型中真实 地模拟塔柱的截面特性成为一个棘手的问题。 如果采用大截面的一维单元来模拟则与剪力墙的 连接很难处理；如果采用实体单元来处理建模繁 琐，计算量大，效率不高。经过比较，采用两片垂直 相交的丁字型墙单元来模拟塔柱，如图2 所示。通过 截面属性比较( 表】) 可以看出，模拟后的塔柱截面 略有保守，与实际截面的属性吻合很好。这

6、两片厚的 等代墙体，用可以考虑剪切效应的厚板来模拟。结构 模型建立后，如图3 ，4 所示。 神实际柝塔拄藏西l b ) 模拟桥培拄蕞面 图2 桥塔柱裁面模拟示意图 实犀桥蟮拄越面与攥拟藏面一性对比寰1 属性实际矫塔截面模拟桥塔截面 面积( m 2 ) 2 08 1 3 11 53 o l 并曼1 2 2 】8 0 72 质心( m ) r00 0 00 0 0 0 00 惯性拒 绕主轴) 3 6 3 5 7o1 5 7 3 98 ( m 4 ) 3 6 5 3 993 51 3 I2 x13 2 5010 1 43 旋转半径 y2 5 0 002 3 5 84 圈，模型整体抽侧图图4 典型樱面布置 3 1 0 0 4 结构分析 采用E T A B S 8 4 8 进行分析并用3 D 3 SV 90 1 3 软 件进行校核，并与桥梁整体分析的结果进行比较。 设计荷载：1 ) 恒荷载为结构自重+ 幕墙重，幕 墙自重为o5 k N m 2 ，结构自重由程序自动计算。2 ) 活荷载：观光平台楼面3 5 k N m 2 ；消防疏散楼梯问 3 5 k N m 1 ；电梯机房7 0 k N m 2

7、；不上人屋面 0 ，7 k N m 2 。3 ) 风荷载：基本风压取值( s o 年一遇) 为o ，4 0 k N m 2 ，地面粗糙度类别B 类。4 ) 建筑抗震 设防类目0 为丙类，抗震设防烈度7 度。 上部结构的嵌固位置在承台上表面，地震作用 和风荷载按两个主轴方向作用。主要结果如表2 所 示。计算结果对比见表3 ，4 。 虽然桥塔局部分析和桥梁整体分析时的地震作用 和风荷载作用工况是不同的，是有一定差异的，但是 从整体性上来看还是有相关关系的。地震作用下桥塔 局部分析的横桥向位移大于整体分析结果，一个原因 是由于局部分析是桥塔柱在简化时对于横桥向的截面 特性有一定折减，再加上没有考虑拉索对于减小塔柱 结构自摄周期及质量参与苜分比裹2 振型周期( s )以 以 S m n “ S m U 一是。 S u r e r ， j21 60 0 06 3 7 60 0 06 3 ，7 6o t 】301 3 2I - 1 l6 3 2 50 0 06 3 2 56 35 60 O 1 3 304 400 0 0 0 2 6 3 2 56 3 7 87 1 7 77 1 9 0 4O3 6

8、0 0 0 1 79 46 3 2 58 17 2 0 7 77 26 7 502 11 81 70 0 08 1 4 38 1 7 200 l7 2 6 8 601 50 0 l2 2 58 1 4 38 3 9 867 87 9 4 6 70 1 40 0 037 58 1 4 48 7 “ 32 8 88 2 ：3 4 8O0 901 51 1 38 1 5 98 8 8 533 38 5 6 6 900 95 3 30 n 58 69 18 B9 00 0 68 5 7 2 1 00 0 80 0 01 7 48 6 9 29 06 4l1 38 6 8 6 1 1 00 70 13 38 69 29 1 9 7 00 18 68 7 1 20 0 70 0 000 08 6 9 29 1 9 70 0 08 6 B 7 1 30 0 600 00 4 48 6 9 29 2 4 10 8 78 7 “ 4 1 400 60 0 000 58 6 9 29 24 6D0 0S 7 7 4 1 500 60 0 30 0 。8 6 9 S9 2 4 600 08 7 7 4 注：

9、1 ) ，“，R 。分别为z ，y 方向平动质量参与系数和扭 转质量参与系数( 百分比) ；2 ) S u m U ，S u m U ，S u r e r 。分别为X ， y ，R ：方向前儿个振型质量参与系数舶和。 主要控制参数襄3 作用方向X 向r 向 楼层最小剪重比( ) 2 419 有效质量幕散( ) 8 79 2S r 。n O4 4 21 6 = 02 1 棱层层间最大位移与 1 34 9 4I l3 9 0 层高之比的最大值 注：楼层层问最大位移与层高之比的允许值为l 8 0 0 ；楼层最 小剪重比的允许值为16 。 ( 下转第3 9 8 页) 图7周定屋盏竖向位移舶 图8 嗣定屋盖拱平面外术平位移田田9 回定屋盏竖向位档图 豳1 0固定屋益攒平面外水平位移图 考虑活动屋盏约束作用模型的计算结果表明：在 前1 0 0 阶特征值屈曲分析中，均表现为活动屋盖单层 网壳屈曲或固定鼹盖单屡罔壳局部屈曲，而未出现主 拱架屈曲的模态，此时1 0 0 阶屈曲特征值已达1 0 8 。 活动屋盖无约柬作用模型的计算结果表明：第 5 5 阶屈曲模态表现为主拱槊反对称失稳，屈曲特征 值仍达9 ，9 ；第7 8 阶、8 4 阶屈曲模态均表现为结构 正对称失稳，失稳模态如图I I 所示。 E 述分析表明，不考虑活动屋盖约束作用的计算 假定弱化丁作为结构支承主体的固定屋盖的结构刚 度，但支承结构在设计荷载下的整体稳定性是有保 证的。 圈1 l 固定屋盎失稳模态 6 结语 开闭屋盏结构设计中，必须注意与结构移动和机 械配合相关的问题。以南通体育场结构设计为背景， 对此进行了介绍。 参 考 文献 i A U ( 日本建筑学会) 开闭式屋盖结构设计指南解说及设 计资辩集1 9 9 3 2 I A S S ( u t e m a t i o n a lA s s M t i a nf o rS h e l la a dS p a t i a lS t r u tB ) S t r u c t u r a l d e s i

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