三塔斜拉橋不同位置設(shè)置A 形索塔的剛度分析

劉 健

(同濟(jì)大學(xué)橋梁與隧道工程系，上海 200092)

多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與常規(guī)的斜拉橋有著明顯的區(qū)別，其最突出的問題就是剛度問題，眾多的橋梁工程師對(duì)如何提高多塔斜拉橋體系的剛度做了大量的研究。1955年瑞典建造了世界上第一座多塔斜拉橋后，世界上陸續(xù)的出現(xiàn)了許多多塔斜拉橋，其中最典型的就是三塔斜拉橋。國(guó)外典型的三塔斜拉橋有墨西哥Mezcala Bridge、韓國(guó)世豐(Sepoong)大橋等，國(guó)內(nèi)典型的三塔斜拉橋有香港汀九橋、湖南岳陽(yáng)洞庭湖大橋、湖北宜昌夷陵長(zhǎng)江大橋、山東濱州黃河大橋、山東濟(jì)南建邦黃河公路大橋等。已建成的三塔斜拉橋主跨跨徑多處于300 m～400 m，所以對(duì)如何提高主跨處于300 m～400 m的三塔斜拉橋剛度的研究顯得更為重要與實(shí)用。

1 三塔斜拉橋的豎向剛度

剛度可以定義為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位變形所需要的力，所以三塔斜拉橋的豎向剛度可以定義為三塔斜拉橋產(chǎn)生單位變形所需要的力，相對(duì)應(yīng)的其剛度可以用單位力作用下三塔斜拉橋產(chǎn)生的豎向位移來(lái)衡量。施工過(guò)程中，恒載作用下的位移可以通過(guò)施工控制來(lái)改變，所以成橋后的橋梁位移不存在剛度問題，更不能作為剛度衡量的標(biāo)準(zhǔn)。而成橋后活載所產(chǎn)生的位移，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)有重要的意義，尤其是汽車或列車以及人載作用下的橋梁位移會(huì)影響橋梁的安全性、行車舒適性等等，這些荷載作用的位移都可以作為衡量三塔斜拉橋的剛度標(biāo)準(zhǔn)。一般的橋梁都會(huì)對(duì)活載產(chǎn)生的撓跨比規(guī)定一個(gè)限值，以此來(lái)控制橋梁的整體剛度。一般的當(dāng)三塔斜拉橋活載均布作用在一側(cè)主跨，而另一側(cè)主跨空載時(shí)產(chǎn)生的豎向位移最大，該位移可以作為衡量三塔斜拉橋的豎向剛度標(biāo)準(zhǔn)。

2 A形剛性索塔

提高三塔斜拉橋的剛度方式有很多。其常用方法主要為:橋跨布置的選擇、邊跨輔助墩設(shè)置位置的選擇、剛性索塔的應(yīng)用、索塔處主梁采用雙支點(diǎn)、增大主梁和斜拉索剛度等等。在著名學(xué)者尼爾斯J·吉姆辛(丹麥)所著《纜索支承橋梁——概念與設(shè)計(jì)》的第三章第六節(jié)中，尼爾斯J·吉姆辛提出:“在固定索塔結(jié)構(gòu)中要達(dá)到足夠的剛度，同時(shí)仍要獲得合理的構(gòu)件尺寸，唯一的方法似乎是采用A形索塔?！盇形索塔的最典型應(yīng)用則為舉世聞名的馬拉開波橋。尼爾斯J·吉姆辛也同時(shí)對(duì)多塔斜拉橋是否采用剛性索塔的撓度曲線進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用剛性索塔后的多塔斜拉橋剛度增大不少。尼爾斯J·吉姆辛在驗(yàn)證剛性索塔對(duì)多塔斜拉橋剛度貢獻(xiàn)時(shí)，僅僅只是針對(duì)于所有索塔均采用剛性索塔的斜拉橋豎向剛度，并未對(duì)中塔和邊塔分別設(shè)置剛性索塔對(duì)斜拉橋豎向剛度的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行對(duì)比。而一般的認(rèn)為，三塔斜拉橋索塔加固位置應(yīng)為中塔，隨著中塔縱向剛度的增加，三塔斜拉橋的整體豎向剛度也隨之明顯增大。所以認(rèn)為提高中塔剛度是提高三塔斜拉橋剛度的有效手段。

3 主跨360 m三塔斜拉橋不同位置設(shè)置A形塔的模型

作者進(jìn)行了大量的計(jì)算，對(duì)三塔斜拉橋不同索塔位置使用剛性索塔對(duì)橋梁的豎向剛度進(jìn)行對(duì)比。由于三跨斜拉橋的跨徑相對(duì)于常規(guī)斜拉橋小，多數(shù)主跨300 m～400 m。所以此處以典型的主跨360 m三塔斜拉橋?yàn)槔?，并設(shè)置合理的輔助墩位置。1)橋跨布置:3×120 m+2×360 m+3×120 m;2)材料:索塔C50、加勁梁Q345、斜拉索 wire 1670;3)加勁梁:鋼箱梁形式，截面慣性矩4.715 07e+012 mm4;4)索塔:常規(guī)索塔，A形索塔;5)橋面二期:120 kN/m;6)拉索面積:按照成橋安全系數(shù)3.0選取。對(duì)比的豎向剛度以一主跨作用100 kN/m的均布荷載，另一側(cè)以主跨空載下產(chǎn)生的加勁梁豎向撓度曲線為準(zhǔn)。為排除索塔與加勁梁的相對(duì)剛度大小對(duì)結(jié)果的影響，分別對(duì)加勁梁剛度×1，加勁梁剛度×0.1，加勁梁剛度×10進(jìn)行對(duì)比，以得出更準(zhǔn)確的結(jié)論。模型見圖1。

4 主跨360 m三塔斜拉橋不同位置設(shè)置A形塔的剛度對(duì)比分析

根據(jù)以上提出的方案，分別建立模型(見圖2)，提取各方案的加勁梁豎向撓度曲線和最大豎向撓度值，得到圖3，表1(負(fù)值表示位移向下，正值表示位移向上)。從圖3，表1中可以明顯得出，將中塔設(shè)置為A形索塔與將邊塔設(shè)置為A形索塔，加勁梁豎向向下最大撓度差別并不明顯，相對(duì)的中塔設(shè)置為A形索塔的最大豎向向下?lián)隙嚷孕∮趯⑦吽O(shè)置為A形索塔;而兩者的空載側(cè)主跨豎向向上位移差別較大，中塔設(shè)置為A塔比邊塔設(shè)置為A塔小很多?？偟膩?lái)說(shuō)，中塔設(shè)置為A形索塔的三塔斜拉橋剛度略大。這與之前所述“隨著中塔縱向剛度的增加，三塔斜拉橋的整體豎向剛度也隨之明顯增大”相一致。但是邊塔設(shè)置為剛性塔的剛度增大效果也同樣明顯，只是空載側(cè)主跨豎向向上位移偏大。全橋索塔均設(shè)置為A形索塔的剛度增大效應(yīng)更為明顯。

通過(guò)對(duì)不同剛度的加勁梁撓度對(duì)比同樣可以得出，以上規(guī)律和塔梁相對(duì)剛度的大小無(wú)關(guān)。由于A形索塔的混凝土體量比普通索塔的混凝土體量大出很多，因此設(shè)置邊塔為A形索塔的造價(jià)比設(shè)置中塔為A形索塔的造價(jià)高出很多。

表1 半邊均布荷載下最大撓度表 mm

5 結(jié)語(yǔ)

1)提高中塔縱向剛度，即設(shè)置中塔為剛性塔，將中塔設(shè)置為A形索塔可以有效地提高三塔斜拉橋的豎向整體剛度。2)設(shè)置邊塔為A形索塔也可以有效地提高三塔斜拉橋的豎向剛度，其作用略小于將中塔設(shè)置為A塔的效果。3)設(shè)置所有索塔為A形索塔，可以得到最理想的三塔斜拉橋豎向剛度。4)設(shè)置邊塔為A形索塔比設(shè)置中塔為A形索塔造價(jià)更高，不經(jīng)濟(jì)。5)一般可先設(shè)置中塔為A形索塔，保證三塔斜拉橋的造價(jià)。如果三塔斜拉橋的豎向剛度仍不滿足，則可將所有索塔均設(shè)置為A形索塔。

［1］NielzJ.Gimsing.纜索支承橋梁——概念與設(shè)計(jì)［M］.金增洪，譯.北京:人民交通出版社，2002:178-180.

［2］喻 梅.多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特性分析［D］.成都:西南交通大學(xué)橋梁工程系碩士學(xué)位論文，2003:9-10.

［3］劉豐洲.三塔斜拉橋豎向剛度解析分析［J］.上海公路，2011(1):56-58.