大型斜拉橋的空間構(gòu)造及設(shè)計(jì)分析

李文靜 ，張 坤

（1.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司杭州分院，浙江杭州310051；2.中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江杭州 310014）

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，橋梁工程建設(shè)速度逐年加快，并且已經(jīng)成為我國(guó)城市規(guī)劃建設(shè)的重要組成部分。斜拉橋是重要的橋梁形式，整體建筑結(jié)構(gòu)具有梁體內(nèi)彎矩小、建筑高度低、結(jié)構(gòu)重量輕，以及工程材料節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)。作為一種拉索體系，斜拉橋在跨度能力上比梁式橋在結(jié)構(gòu)上更具有優(yōu)勢(shì)，因此，一般大型的跨度橋梁都選擇斜拉橋建筑方式。與梁式橋相比，現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)及發(fā)展歷史較短，1955年瑞典斯特倫松德橋是有記載的第一座斜拉橋，隨后，由于其在大跨度橋梁建設(shè)方面的優(yōu)勢(shì)而被廣泛地采用和建設(shè)。與國(guó)外相比，我國(guó)斜拉橋工程建設(shè)的起步較晚，但發(fā)展較快，特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)多項(xiàng)斜拉橋工程在橋梁跨度，以及技術(shù)應(yīng)用方面都具有國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，例如2008年建設(shè)完成的蘇通大橋，其主跨度達(dá)到了1 088 m，是當(dāng)前世界上跨度最大的斜拉橋。由于受力特征不同，因此，斜拉橋在空間構(gòu)造及設(shè)計(jì)方面與梁式橋具有很大的差別。為此，本文將根據(jù)斜拉橋的空間構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)斜拉橋工程設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 大型斜拉橋的空間總體布置

斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)單，它是將多個(gè)拉索直接落在主梁上而形成的橋梁結(jié)構(gòu)。在組成形式上，整體結(jié)構(gòu)是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系。因此，其空間總體布置就是其空間構(gòu)造的表型形式。

1.1 斜拉橋空間受力特點(diǎn)

與梁式橋構(gòu)造受力形式不同，斜拉橋的主要荷載不是橋面的車(chē)輛、行人載荷，而是自重，并且主要是主梁的自重。以一個(gè)索塔為例，索塔的兩側(cè)是對(duì)稱的斜拉索，通過(guò)斜拉索將索塔與主梁連接在一起?，F(xiàn)在假設(shè)索塔兩側(cè)只有兩根斜拉索，左右對(duì)稱各一條，這兩根斜拉索受到主梁的重力作用，對(duì)索塔產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的沿著斜拉索方向的拉力，根據(jù)受力分析，左邊的力可以分解為水平向向左的一個(gè)力和豎直向下的一個(gè)力；同樣的右邊的力可以分解為水平向右的一個(gè)力和豎直向下的一個(gè)力。由于這兩個(gè)力是對(duì)稱的，所以水平向左和水平向右的兩個(gè)力互相抵消了，最終主梁的重力成為對(duì)索塔的豎直向下的兩個(gè)力，這樣，力又傳給索塔下面的橋墩了。由此可以看出，對(duì)于斜拉橋整體結(jié)構(gòu)而言，其橋上主要的承載力結(jié)構(gòu)是斜拉鎖，而主梁的作用僅僅是保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 斜拉橋的跨徑與輔助墩布置

跨徑與分孔是斜拉橋整體空間布置的依據(jù)，是斜拉橋整體設(shè)計(jì)的重要參考。不同形式的斜拉橋其跨徑與分孔布置不同。除此之外，施工的地質(zhì)條件、地形、建設(shè)要求等也是重要的參考因素。一般而言，斜拉橋主要分為雙塔三跨式、獨(dú)塔雙跨式和多塔多跨式等結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，在跨徑與分孔布置，各種形式斜拉橋有很大的不同。

雙塔三跨式。雙塔三跨式斜拉橋主要用于跨越較大的河流、?？诩昂Ｃ?，其對(duì)稱形式主要依據(jù)建設(shè)條件而定。在跨徑設(shè)置上，邊跨與中跨的比例一般為0.33～0.5，精確的跨度比要根據(jù)主梁的材料及組合形式確定。例如，鋼主梁雙塔三跨式斜拉橋邊中跨比一般為0.30～0.40；組合梁宜為0.40～0.50。

獨(dú)塔雙跨式。獨(dú)塔雙跨式斜拉橋主要用于跨越中、小河流、谷地和城市道路或較大河流的主航道。與雙塔三跨式斜拉橋相比，獨(dú)塔雙跨式斜拉橋跨徑設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，一般都在0.5～1.00之間。

多塔多跨式。多塔多跨式斜拉橋?qū)嶋H上是雙塔三跨式斜拉橋的延伸，在應(yīng)用領(lǐng)域與其相似，由于跨度較多，因此，一般會(huì)在在中間建設(shè)剛性塔等結(jié)構(gòu)，跨距設(shè)置與雙塔三跨式相同。

圖1 不同形式斜拉橋及其空間布置示意圖

輔助墩布置。在斜拉橋中，一般都會(huì)設(shè)置輔助墩結(jié)構(gòu)，用來(lái)改善結(jié)構(gòu)的受力特征。在結(jié)構(gòu)上，輔助墩受壓能夠有效地減少主梁彎矩作用，而受拉能夠減少主梁的彎矩和跨度。通過(guò)載荷及彎矩等的調(diào)節(jié)，可以有效地提高主梁的剛度。事實(shí)上，通過(guò)布置輔助墩結(jié)構(gòu)，能夠?qū)χ髁航Y(jié)構(gòu)減少大約50%左右的載荷或者彎矩。

1.3 索塔布置

索塔是斜拉橋斜拉索主要的結(jié)構(gòu)作用點(diǎn)，其布置是要根據(jù)斜拉橋的受力分析而定。索塔的形式不拘一，有單柱、雙柱、組合形式等，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選定。索塔的高度是斜拉索上荷載大小的主要影響因素，其高度主要根據(jù)跨徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般而言，索塔高度低，拉索的水平傾角就小，則拉索的垂直分力對(duì)主梁的支承作用就小，會(huì)導(dǎo)致拉索的鋼材用量增加；索塔高度愈高，拉索的水平傾角愈大，拉索對(duì)主梁的支承效果也愈高，但索塔和拉索的材料用量也要增加，還會(huì)增加施工難度。

1.4 拉索布置

拉索的布置對(duì)于斜拉橋的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的作用。在空間布置上，拉索分為單索面和雙索面兩種。而根據(jù)使用的要求不同，雙索面又可以分為平面豎直和空間傾斜兩種；在布置形式上，拉索主要采用扇形布置，但也可采用豎琴形、星形等。除了在空間布置，以及布置形式兩個(gè)方面需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)之外，索距的布置對(duì)于拉索的整體受力具有至關(guān)重要的作用。對(duì)于當(dāng)前以密索為主的拉索布置而言，混凝土斜拉橋的索距布置一般為6～12 m，鋼梁（或組合梁）為8～16 m，而拉索傾角一般控制在 25°～45°。

1.5 塔高、索長(zhǎng)及傾角之間的力學(xué)關(guān)系

當(dāng)前斜拉橋的斜拉索主要采用兩種，普通索和端錨索，這兩種索在受力形式上是不同的。在塔高、索長(zhǎng)及傾角之間的力學(xué)關(guān)系分析過(guò)程中，普通索主要分析主梁下?lián)狭?，而端錨索則要分析塔頂水平位移。兩種斜拉鎖的力學(xué)及幾何基本關(guān)系如圖2所示。

圖2 兩種斜拉索的變形分析示意圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，普通索主梁下?lián)狭坑?jì)算公式為：

端錨索塔頂水平位移計(jì)算公式為：

各參數(shù)的含義在圖2中已經(jīng)明確標(biāo)示。

1.6 主梁的布置

斜拉橋的主梁是整體結(jié)構(gòu)的主要框架部分，也是固定索塔、拉索的主要部位。當(dāng)前斜拉橋主梁主要有兩種形式，連續(xù)和非連續(xù)體系（見(jiàn)圖3）。連續(xù)體系在結(jié)構(gòu)上為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)（拉索為跨內(nèi)的彈性支承），為改善受力布置外邊孔時(shí)，斜拉橋主梁梁體還與邊跨或引橋的上部結(jié)構(gòu)主梁相連續(xù)。非連續(xù)體系也是一種重要的斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)，一般出現(xiàn)在雙塔三跨式或者多塔斜拉橋中，一般情況下，都會(huì)在主跨中央部分，設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)支掛孔或剪力鉸，從而保證體系的連續(xù)性。

圖3 非連續(xù)性主梁體系空間布置圖

2 大型斜拉橋的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

斜拉橋的空間設(shè)計(jì)要根據(jù)橋梁的基本設(shè)計(jì)要求開(kāi)展，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工地質(zhì)條件進(jìn)行。本文將主要針對(duì)主梁、索塔及拉索三方面的設(shè)計(jì)要求開(kāi)展分析內(nèi)容。

2.1 主梁的設(shè)計(jì)及選型

主梁是斜拉橋最重要的結(jié)構(gòu)支撐體系，也是橋梁結(jié)構(gòu)自重的主要部分，在主梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮斜拉橋縱、橫向受力情況，合理選擇截面形式和梁高。在主梁的設(shè)計(jì)方面，有兩個(gè)因素最為重要，一是主梁的高跨比，另一個(gè)是主梁的截面形式。

在高跨比的設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)不同的形式、材料而定。對(duì)于雙塔三跨及多塔多跨式斜拉橋，其混凝土主梁一般選擇1/100～1/220的高跨比，而組合梁結(jié)構(gòu)則選擇1/125～1/200的高跨比，鋼主梁選擇1/180～1/330高跨比。而對(duì)于獨(dú)塔斜拉橋，由于其主跨長(zhǎng)度、索面數(shù)、截面形式等變化較大，可略低于同跨徑的雙塔式梁高。

對(duì)于主梁截面的形式，不同材料截面形式設(shè)計(jì)不同。對(duì)于混凝土斜拉橋其主梁截面主要采用實(shí)心板、箱梁、箱形、帶斜撐箱形和肋板式截面等形式；而對(duì)于鋼梁斜拉橋則主要選擇箱形、板形、分離式邊箱和鋼板梁截面；而如果是采用雙層橋面的主梁時(shí)，宜采用桁架形式；組合梁斜拉橋則用兩工字形鋼主梁其間加小縱梁截面形式；跨徑較大時(shí)也可采用邊鋼箱梁截面形式。

2.2 索塔的設(shè)計(jì)及選型

在索塔的設(shè)計(jì)時(shí)，不同的材料其設(shè)計(jì)要求及選型是不同的。對(duì)于混凝土索塔的設(shè)計(jì)，要根據(jù)施工的需要在索塔內(nèi)配置型鋼作為勁性骨架；而對(duì)于鋼索塔，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)為矩形空心箱截面，或者T形或準(zhǔn)十字形空心箱形式。對(duì)箱形鋼索塔而言，箱室四周各主壁板上應(yīng)布置豎向加勁肋，箱室內(nèi)應(yīng)設(shè)置水平橫隔板，其間距不宜大于4 000 mm，鋼索塔外壁板及豎向隔板的厚度根據(jù)受力需要可沿索塔內(nèi)分段取用不同的壁板厚度，但不宜小于20 mm。

2.3 拉索的設(shè)計(jì)及選型

在拉索的設(shè)計(jì)時(shí)，主要是考慮拉索與周?chē)炷恋腻^固作用。在拉索與主梁的錨固設(shè)計(jì)時(shí)，頂板錨固宜用于箱內(nèi)采用加勁斜桿的單索面橋;箱內(nèi)錨固宜用于兩個(gè)分離單箱的雙索面橋;斜隔板錨固應(yīng)用范圍與箱內(nèi)錨固一致；梁體兩側(cè)錨固宜用于雙索面橋;梁底錨固宜用于梁截面較小的雙主梁或板式梁。而對(duì)于拉索與索塔的錨固設(shè)計(jì)，在實(shí)體塔上的交錯(cuò)錨固，應(yīng)在塔柱中埋設(shè)鋼管，并設(shè)置錨墊板；而對(duì)于空心塔上的側(cè)壁錨固，應(yīng)在空心塔柱的壁板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。對(duì)索塔的預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置，應(yīng)避免出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力盲區(qū)。鋼橫梁錨固，應(yīng)在混凝土塔柱內(nèi)側(cè)設(shè)置牛腿。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可以看出，盡管斜拉橋的結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)單，但是其空間布置及設(shè)計(jì)要求的方面有很多，整體設(shè)計(jì)是一個(gè)有效的系統(tǒng)。文中很多內(nèi)容都標(biāo)明，在空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)斜拉橋的材料、過(guò)程地質(zhì)條件等選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在這個(gè)層面上，斜拉橋的設(shè)計(jì)不僅僅要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，更重要的是要根據(jù)施工要求開(kāi)展。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要從多方面出發(fā)，綜合分析各方面的設(shè)計(jì)因素，從而保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

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