無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)體系與受力特點

韓海峰

摘 要：文章介紹了無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的分類，分析了每種結(jié)構(gòu)體系下索塔自重與主梁自重所產(chǎn)生的靜力效應(yīng)平衡的問題。

關(guān)鍵詞：無背索斜拉橋；結(jié)構(gòu)體系；受力特點

1 概述

無背索斜拉橋是斜拉橋的一種。其索塔向岸或向邊跨方向傾斜，并僅在靠主跨一側(cè)布置斜拉索，另一側(cè)無拉索，故稱為無背索斜拉橋。由于索塔傾斜，給人一種獨特的不對稱穩(wěn)定感，因僅在索塔一側(cè)布置斜拉索，又有一種輕盈而又驚險的感覺，高聳的塔身更體現(xiàn)出氣勢和力度，形成了壯麗的畫面。

自從1992年西班牙塞維利亞建成世界上第1座無背索斜拉橋-Alamillo大橋以來，這種造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)獨特的橋梁立即引起世界橋梁界的普遍關(guān)注。

2 橋型示意及有關(guān)參數(shù)說明

圖1 無背索斜拉橋示意圖

圖1為無背索斜拉橋示意圖。主跨兩端可以有邊跨或無邊跨。圖中各符號含義說明如下。

H-橋面以上索塔的豎向高度，即最外一組斜拉索與塔中心交 匯點至橋面的高度；？茁-索塔軸線與水平線之間的夾角，即索塔的水平傾角；？酌-索塔的傾斜角，即索塔軸線與鉛垂線之間的夾角；？琢-最外一組斜拉索的水平傾角；a-主梁上相鄰兩根拉索的間距；b-索塔上相鄰兩根拉索的間距；LL-拉索區(qū)主梁重心至塔梁固結(jié)點K的水平距離；LT-主塔重心至塔梁固結(jié)點的水平距離；WL-拉索區(qū)主梁重量；WT-索塔重量。

3 結(jié)構(gòu)體系

按塔、梁剛度比及受力特點，無背索斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系可以分為以下兩類：

（1）剛塔剛梁類。塔梁剛度相當(dāng)，為一般斜拉橋的特殊情況，即無背索斜拉橋。它的力學(xué)特征是索塔自重效應(yīng)完全平衡了主梁豎向荷效應(yīng)后，主塔在恒載狀態(tài)下根部只有軸向力而彎矩為0。這種結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用較早，例如西班牙Alamillo橋、哈爾濱太陽島橋。

（2）柔塔剛梁類。它的力學(xué)特征是橋塔自重效應(yīng)不能完全平衡主梁豎向荷載效應(yīng)。由塔、梁、索三者組成的結(jié)構(gòu)依靠自身只能達到部分平衡。索塔可以成為一個軸心受壓構(gòu)件，而梁只能達到部分平衡，還需依靠主梁的強度和剛度分擔(dān)一部分荷載效應(yīng)。其力學(xué)特征與部分斜拉橋（亦稱矮塔斜拉橋）類似。因此可以引入豎向荷載分配系數(shù)f與拉索活載應(yīng)力變幅？滓f來分別衡量恒載與活載狀態(tài)下拉索和主梁各自承擔(dān)豎向荷載的比值。因此，這類無背索斜拉橋，也可以稱為無背索矮塔斜拉橋（或部分斜拉橋），以區(qū)別于一般無背索斜拉橋。例如合肥銅陵路南淝河橋、河南新密市溱水路橋。

4 靜力平衡分析

無背索斜拉橋的靜力平衡問題，主要是指索塔自重與主梁自重兩者所產(chǎn)生的靜力效應(yīng)如何平衡的問題。

（1）剛塔剛梁類。塔梁剛度相當(dāng)，其整體平衡是指在恒載情況下，可使索塔根部只存在軸向力而彎矩為0的平衡狀態(tài)，是一個理想化的宏觀狀態(tài)平衡，用以初步擬定塔梁尺寸。

采用以下假定：①單根斜拉索豎向分力等于相應(yīng)的索間距節(jié)段梁體恒載重量，全部拉索豎向分力等于拉索區(qū)梁體的恒載重量。②忽略無拉索區(qū)段梁體重量、剛度及支承情況對結(jié)構(gòu)平衡的影響。

為了使恒載狀態(tài)下主塔根部處于軸心受壓狀態(tài)，索塔根部承受的拉索區(qū)主梁傾覆力矩應(yīng)等于索塔自重產(chǎn)生的抵抗力矩，可得（參閱圖1）：

恒載彎矩M=WL×LL-WT×LT=0 （1）

此時塔、梁處于恒載總體平衡狀態(tài)。

對于某一根斜拉索，在塔、梁相當(dāng)?shù)那闆r下，處于局部平衡狀態(tài)。其局部平衡用下式表達：

（2）

式中：GT-對應(yīng)于一根拉索的塔體局部區(qū)段的自重；GD-對應(yīng)于一根拉索的梁體局部區(qū)段的自重；GL-對應(yīng)于一根拉索的梁體局部區(qū)段的活載；？滋-考慮汽車荷載的比例系數(shù)，可近似取？滋=0.5（？滋在0～1之間變化）；C-塔梁重量比，即1t梁體自重完全由塔通過拉索予以平衡，則需Ct塔體自重。在相同荷載下，當(dāng)各拉索均滿足局部平衡時，則整體結(jié)構(gòu)必然滿足整體平衡，反之則不然。

C是一個反映了塔梁自重分布及索塔傾角影響的綜合因素，是描述無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)。

（2）柔塔剛梁類

柔塔剛梁類屬塔輕梁重的情況。恒載狀態(tài)下，塔自重產(chǎn)生的抵抗力矩MT=WT·LT不能完全平衡梁體自重產(chǎn)生的傾覆力矩ML=WL·LL，此時上述第（1）項中的第①條假定不再成立，即單根斜拉索豎向分力不等于對應(yīng)索距間梁體恒載重量，全部拉索的豎向分力也不等于拉索區(qū)的恒載重量，即WL·LL>WT·LT。

為了達到整體平衡，引入荷載分擔(dān)率f，定義f為：

f =拉索分擔(dān)的豎向荷載/全部豎向荷載，可理解為：f是在恒載狀態(tài)下，由索塔結(jié)構(gòu)承擔(dān)的梁體豎向荷載占梁體全部豎向荷載的比值。

于是可得索塔根部彎矩為0，即整體平衡的公式為：

f·（WL·LL）-WT·LT=0 （3）

進一步引伸至局部平衡，可得

（4）

f的概念，與矮塔斜拉橋荷載分配的概念實質(zhì)相同。因此，可以認為，柔塔剛梁類無背索斜拉橋是矮塔斜拉橋的一種特殊型式。歸納起來，可以這樣描述：無背索斜拉橋是斜拉橋的一種特殊型式。一般的無背索斜拉橋，為剛塔剛梁，塔梁剛度相當(dāng)；當(dāng)柔塔剛梁時，實質(zhì)上為無背索矮塔斜拉橋，是無背索斜拉橋的一種特殊型式。

（3）設(shè)計要考慮三種平衡狀態(tài)

①施工過程中的塔梁平衡；

②成橋時塔梁結(jié)構(gòu)的整體平衡；

③運營階段塔梁的局部平衡，此時應(yīng)計入活載影響。

當(dāng)三種平衡出現(xiàn)矛盾時，一般可在施工階段采取臨時措施加以解決。若第②、③種平衡矛盾較大時，則應(yīng)考慮適當(dāng)調(diào)整塔梁構(gòu)造尺寸或幾何參數(shù)予以克服。

參考文獻

[1]王伯惠.斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展與中國經(jīng)驗[M].人民交通出版社，2003-9.第1版.

[2]汪波，等.斜塔無背索部分斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].公路，2008-8.

[3]陳愛軍，邵旭東.無背索豎琴式斜拉橋砼斜塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].公路，2006-8.

[4]王碧波.無背索斜拉橋的結(jié)構(gòu)靜力平衡特征探討[J].橋梁建設(shè)，2004-3.

[5]吳洪峰，孫寧.無背索斜拉橋設(shè)計及施工控制技術(shù)[J].公路，2012-1.

[6]彭旺虎，等.無背索斜拉的概念、設(shè)計與施工[J].土木工程學(xué)報，2007-5.

[7]樓莊鴻，等.無背索斜拉橋.2005年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集.