空間曲梁單邊懸索橋扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的設(shè)計(jì)處理

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200070

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

上海國際旅游度假區(qū)空間曲梁單邊懸索橋東橋的主橋橋面中心線位于R=46.75 m的圓曲線上，總長120 m，橋面寬6 m；副橋橋面中心線位于R=42.75 m的圓曲線上，內(nèi)側(cè)主梁全長103.90 m，橋面寬3 m。中跨主纜跨徑75 m，邊跨跨徑45 m。從結(jié)構(gòu)安全角度看，扭轉(zhuǎn)是本橋區(qū)別于一般橋梁工程的主要特點(diǎn)，主橋采用了單側(cè)懸掛的方式，造成整體向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)的趨勢，而副橋的內(nèi)側(cè)吊掛又加劇了這一趨勢。怎樣處理扭轉(zhuǎn)成為該橋梁結(jié)構(gòu)是否成立的關(guān)鍵。國內(nèi)目前沒有針對人行懸索橋的規(guī)范，現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中也沒有受扭情況的驗(yàn)算方法。從概念設(shè)計(jì)來說，扭轉(zhuǎn)屬于常規(guī)設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免采用的結(jié)構(gòu)形式，而本項(xiàng)目可認(rèn)為是針對這一特殊的結(jié)構(gòu)體系所做的一個(gè)嘗試[1-2]。

2 扭轉(zhuǎn)研究

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系大致可分為包含基礎(chǔ)和橋臺(tái)的支撐體系、支撐主橋的橋塔和懸索體系以及主副橋鋼結(jié)構(gòu)體系（含部分索結(jié)構(gòu)）。為最大限度地研究扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，計(jì)算模型將懸索體系簡化為垂直向的吊掛支座，將基礎(chǔ)和橋臺(tái)體系簡化為對應(yīng)的支座。同時(shí)為了得到扭矩分布特點(diǎn)和數(shù)量級，研究僅考慮索的預(yù)應(yīng)力以及恒載、滿布活載3種工況。

2.1 曲線橋的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)分析

2.1.1 不考慮副橋吊掛的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)分析

當(dāng)不考慮副橋吊掛，僅分析主橋時(shí)，研究采用梁模型，并考慮滿布活荷載工況。計(jì)算結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 偏心為0 m時(shí)箱梁扭矩分布

圖2 偏心為0 m時(shí)支座反力分布

圖3 偏心為3 m時(shí)箱梁扭矩分布

圖4 偏心為3 m時(shí)支座反力分布

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)?shù)鯍煸谙淞褐休S的中央時(shí)，箱梁扭矩非常小，吊索拉力也基本均勻，這時(shí)的受力特點(diǎn)等同于跨度均等的連續(xù)梁；采用外側(cè)單側(cè)吊掛后，因偏心產(chǎn)生了明顯的扭矩，最大扭矩出現(xiàn)在1/4跨位置，最大數(shù)值為2 072 kN·m。統(tǒng)計(jì)吊索力后發(fā)現(xiàn)，吊索拉力也出現(xiàn)了明顯的不均勻分布，尤其在箱梁兩端，拉力從170 kN增加為250 kN，而在跨中1/4位置出現(xiàn)了明顯的減小，這時(shí)箱梁的豎向變形約為150 mm，說明這種結(jié)構(gòu)體系是可以成立的。

偏心情況下將箱梁兩端的支座扭轉(zhuǎn)約束住時(shí)，可以顯著降低主橋的扭矩，同時(shí)也可改善吊索索力的不均勻性（圖5、圖6）。

圖5 偏心且支座扭轉(zhuǎn)約束時(shí)箱梁扭矩分布

圖6 偏心且支座扭轉(zhuǎn)約束時(shí) 支座反力分布

設(shè)計(jì)采用主橋橫向?qū)挾确较蛟O(shè)置3個(gè)拉壓支座實(shí)現(xiàn)橋梁端頭的扭轉(zhuǎn)約束。設(shè)計(jì)初期還考慮過在兩端設(shè)置拉壓桿來實(shí)現(xiàn)抗扭約束，通過專家討論后，最終采用在橋梁工程中已應(yīng)用成熟的拉壓支座來確保安全。設(shè)計(jì)采用將支座內(nèi)藏在混凝土橋臺(tái)缺口位置，以達(dá)到視覺上端頭簡潔的效果（圖7、圖8）。

圖7 橋梁端頭抗扭節(jié)點(diǎn)示意

圖8 箱梁節(jié)間抗扭構(gòu)造示意

2.1.2 考慮副橋吊掛的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)分析

在考慮副橋吊掛的成橋工況下，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 吊索力與扭轉(zhuǎn)約束的關(guān)系

2.2 副橋?qū)χ鳂虻呐まD(zhuǎn)作用

副橋也是單側(cè)懸掛在主橋內(nèi)側(cè)，且副橋結(jié)構(gòu)體系完全依附在主橋上。通過主橋吊掛點(diǎn)提供的上支點(diǎn)和下端環(huán)索預(yù)張緊提供的下支點(diǎn)，副橋可以形成順時(shí)針方向的扭矩，用來抵消副橋自身逆時(shí)針方向的扭矩，以達(dá)到力的平衡。副橋的吊掛進(jìn)一步增大了主橋的扭矩，加劇了主橋的抗扭負(fù)擔(dān)。

下環(huán)索需施加一定的預(yù)應(yīng)力來承受相應(yīng)的副橋變形，通過進(jìn)一步提高下環(huán)索的預(yù)應(yīng)力，可以對主橋的扭轉(zhuǎn)提供幫助。但過大的預(yù)應(yīng)力會(huì)造成背索和懸索負(fù)擔(dān)過大，通過試算，最終選定預(yù)應(yīng)力為3 000 kN。設(shè)計(jì)通過在橋下等間距設(shè)置法向索，確保副橋與主橋箱梁共同作用。

2.3 結(jié)構(gòu)抗扭措施

本項(xiàng)目中，僅下環(huán)索采用主動(dòng)預(yù)應(yīng)力。這部分預(yù)應(yīng)力一部分由主橋箱梁的軸向力承擔(dān)，數(shù)值在1 000～1 500 kN之間，其余需要通過索塔向外傾斜來平衡。通過調(diào)整主橋外側(cè)吊索的角度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)跛鞯慕嵌仍?0（垂直吊掛）～0°（水平吊掛）變化時(shí)，吊索軸力呈現(xiàn)急劇增大的趨勢。分析表明主橋產(chǎn)生的豎向力分量是一個(gè)相對確定值，隨著傾角的變化，吊索力的方向會(huì)越來越接近主橋箱梁的扭轉(zhuǎn)中心，扭矩會(huì)變小。

綜合以上因素，設(shè)計(jì)最終選取該角度為43°，吊索采用φ63 mm的高釩索，最大組合內(nèi)力包絡(luò)值達(dá)到1 563 kN;背索采用2根φ115 mm的高釩索，最大組合內(nèi)力包絡(luò)值達(dá)到10 690 kN。

主橋采用由寬6 m、厚25 mm的鋼板圍合而成的實(shí)腹箱形截面來承擔(dān)不能避免的扭轉(zhuǎn)。按照剪切理論計(jì)算的箱梁扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力約為16 MPa，將扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的數(shù)值控制在了較小的范圍內(nèi)。

本項(xiàng)目構(gòu)件均按景觀橋原則盡量做到輕盈，考慮到節(jié)點(diǎn)難以承受巨大扭矩，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，與扭轉(zhuǎn)有關(guān)的主橋箱梁與吊索的節(jié)點(diǎn)、副橋與主橋的節(jié)點(diǎn)均采用銷軸形式，達(dá)到一個(gè)方向上的完全鉸接，而在另一個(gè)方向上，則通過增大銷軸孔尺寸和在節(jié)點(diǎn)耳板上設(shè)置鼓形墊片的方式，使得節(jié)點(diǎn)有一定的側(cè)向變形能力，并由整體體系來承受扭矩和釋放次彎矩[3-5]。

3 施工實(shí)測

考慮使用的舒適性，施工過程中將成橋狀態(tài)下的橋面橫向平整度作為主要控制指標(biāo)，主橋加工時(shí)，已經(jīng)按理論計(jì)算變形將橋面翻轉(zhuǎn)的變形量作為起拱值加工。落架施工過程中實(shí)際觀測到的橋面翻轉(zhuǎn)變形為中央軸向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)變形20.80 mm，索塔⑧軸位置向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)32.90 mm，橋臺(tái)端部軸位置向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)16.70 mm。實(shí)測數(shù)值與理論計(jì)算數(shù)值均較吻合。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人行橋項(xiàng)目開始更加強(qiáng)調(diào)美觀性。作為國內(nèi)首座以扭轉(zhuǎn)為特點(diǎn)的景觀人行橋，建設(shè)團(tuán)隊(duì)在沒有現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)、沒有現(xiàn)行規(guī)范的情況下，通過前期的精心設(shè)計(jì)和反復(fù)論證、施工中的三維BIM控制、后期的靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測論證，最終完成了這個(gè)技術(shù)上難度較大、造型上美觀有趣的景觀橋項(xiàng)目，為同類項(xiàng)目的建設(shè)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。