多塔斜拉橋剛度提高措施

多塔斜拉橋具有跨越能力大，通航能力高等優(yōu)點，但同時由于結(jié)構(gòu)剛度較小，主梁、橋塔變形量較大，因此減小主梁、橋塔變形成為了當前多塔斜拉橋設(shè)計、施工中所需解決的首要問題之一?；诙嗨崩瓨蜃陨硐啾扔诔Ｒ?guī)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特性以及力學性能的不同，分別從橋塔、拉索、主梁剛度、是否設(shè)置輔助墩、橋梁結(jié)構(gòu)體系等多個方面對多塔斜拉橋剛度進行分析，得出了在不同橋塔數(shù)量的工程背景下減小變形量，提高剛度的改善措施。

常規(guī)斜拉橋及多特斜拉橋的結(jié)構(gòu)特性

斜拉橋體系是指上部結(jié)構(gòu)由主梁、拉索以及索塔三種構(gòu)件組成的橋梁結(jié)構(gòu)體系。依照索塔數(shù)量可將斜拉橋劃分為獨塔斜拉橋、雙塔斜拉橋以及多塔斜拉橋。其中多塔斜拉橋是指索塔數(shù)量在3個或3個以上的斜拉橋[1]。多塔斜拉橋主要適用于需要設(shè)置多個大通航孔的大江大河、寬闊湖泊或海峽上，通過設(shè)置多塔來獲得更大的橋梁總跨徑以及更多的通航孔以獲得更大的總通航孔徑。與常規(guī)斜拉橋相比，多塔斜拉橋中間橋塔塔頂由于缺乏端錨索來限制塔頂變位，導致結(jié)構(gòu)柔性較大，整體剛度較低，在恒載、活載作用下中跨橋塔塔頂水平位移、主梁撓度以及主跨跨中彎矩均大于常規(guī)斜拉橋。

圖1為嘉善大橋左邊塔塔底彎矩影響線。由圖1可知，3個中跨和最左側(cè)邊跨均為左側(cè)塔底彎矩的影響范圍，影響線覆蓋范圍遠大于獨塔斜拉橋及雙塔斜拉橋，這是多塔斜拉橋變形與內(nèi)力大于常規(guī)斜拉橋的重要因素之一。

多塔斜拉橋剛度影響因素

多塔斜拉橋剛度主要來源于索塔、主梁、拉索以及輔助墩剛度，以下從結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)體系角度分析多塔斜拉橋整體剛度影響因素。

橋塔、主梁、拉索對多塔斜拉橋剛度的影響

橋塔是斜拉橋的重要組成部分，斜拉橋荷載傳遞路徑為作用于主梁之上的荷載經(jīng)由主梁傳遞給拉索，再由拉索傳遞給橋塔，最終下傳至下部結(jié)構(gòu)。因此，橋塔剛度直接影響著全橋剛度。橋塔塔頂變位將導致拉索以及主梁變位，整體變形進一步增大。因此，通過增大橋塔截面、采用A字形橋塔等措施增大橋塔剛度可有效減小橋塔塔頂位移，提高全橋剛度；通過增大拉索剛度可以有效地減小拉索伸縮量，減小全橋變形；通過選擇恰當?shù)闹髁航孛嫘问剑商岣咧髁嚎箯潙T性矩，減小主梁變形，提高全橋剛度。

邊跨輔助墩對多塔斜拉橋剛度的影響

在橋跨結(jié)構(gòu)邊跨位置合理地設(shè)置輔助墩能更穩(wěn)固地錨固邊索，從而有效地減小多塔斜拉橋橋塔塔頂?shù)乃轿灰疲斪兾坏臏p小有利于降低跨中撓度、橋塔塔根彎矩以及主梁跨中彎矩，達到提高多塔斜拉橋整體剛度的效果[2]。

結(jié)構(gòu)體系對多塔斜拉橋剛度的影響

依照斜拉橋橋塔高度與跨徑比值可將斜拉橋分為部分斜拉橋體系與全斜拉體系。部分斜拉橋是介于PC斜拉橋與PC梁橋之間的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)特點在于采用較低的橋塔，斜拉索與主梁間夾角較小，拉索豎向分量小于傳統(tǒng)斜拉橋，水平分量大于常規(guī)斜拉橋，可為主梁提供較大的軸壓力，有利于增大全橋剛度。

多塔斜拉橋剛度改善實例

三塔斜拉橋

岳陽洞庭湖大橋主橋采用三塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，縱向為全漂浮體系，跨徑布置為130m+310m+310m+130m，全長880m，主梁采用整體肋板式斷面，寬23m，梁高2.5m，其橋型布置見圖2[3]。

由于岳陽洞庭湖大橋結(jié)構(gòu)形式為三塔漂浮體系，因此采用技術(shù)措施提高全橋剛度，有效限制主梁及索塔變位成為首要。結(jié)合理論分析以及經(jīng)濟性分析，最終岳陽洞庭湖大橋采用了以下四項措施來提高全橋剛度：1）中塔塔根部順橋向結(jié)構(gòu)尺寸由8.0m增加至9.0m；2）主梁梁高由初始梁高2.0m增加至2.5m；3）背索索距由標準索距8.0m改成2×6.0m；4）加大背索截面面積，背索采用313Φ7mm鍍鋅鋼絲，處于低應力狀態(tài)，井在中跨跨中及邊跨梁端各加2 000kN壓重，使背索張緊。

四塔斜拉橋

在已建成通車的四塔斜拉橋中希臘Rion-Antirion大橋最具代表性，大橋橫跨科林斯海灣，建造在地殼運動活躍的強地震帶之上，主橋采用（286+3×560+286）m的四塔斜拉橋方案，全長2 252m，建成時為世界上最長的斜拉橋。

由于地震作用具有不確定性，荷載作用方向也具有不確定性，因此，為了減小地震作用下橋塔塔頂?shù)淖兾灰约八鶑澗?，Rion-Antirion大橋橋塔采用了截面尺寸為4m×4m的四腿柱空間框架橋塔并在橋塔中設(shè)置阻尼器，有效地提高了橋塔剛度[4]。

主梁結(jié)構(gòu)形式選用結(jié)合梁形式，通過在鋼翼緣上設(shè)置連接件并澆筑混凝土來增大主梁截面，提高主梁剛度。由于主梁截面增大，主梁自重也得到提高，因此，適當增大拉索截面面積用以承擔更大的主梁自重同時提高拉索剛度。橋塔、主梁、拉索三者相互協(xié)調(diào)，有效地提高全橋整體剛度。

五塔及五塔以上斜拉橋

于2015年通車的南昌朝陽大橋是五塔斜拉橋的代表之一，它是世界上第一座使用波形鋼腹板的多塔斜拉橋。

波形鋼腹板PC組合箱梁是指用波形鋼板取代預應力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁，適用于不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁，相比普通混凝土箱梁具有顯著的耐久性和經(jīng)濟性，波形鋼腹板斜拉橋?qū)⒉ㄐ武摳拱褰M合箱梁應用到斜拉橋中，充分發(fā)揮了兩種結(jié)構(gòu)的特點[5]。

南昌朝陽大橋充分發(fā)揮波形鋼腹板優(yōu)點，既保證橋梁穩(wěn)定性，又減輕主梁自重、提高預應力效率以滿足局部受力要求。

通過分析研究，該橋還采取了以下措施提高橋的整體剛度：1）選擇了較小的邊中跨比；2）采用塔梁固結(jié)、梁墩分離的半漂浮結(jié)構(gòu)體系，箱梁寬43.84m，設(shè)置鋼橫隔板；3）斜拉索采用單索面，扇形布置；4）橋塔外形呈“合”字形，橋塔處設(shè)置雙支座；5）采用拉索減震支座作為上部結(jié)構(gòu)的減隔震裝置，布置在2側(cè)邊塔下方。

考慮到橋塔、橋跨數(shù)多，由中塔到邊塔傳遞路徑長，邊跨設(shè)置輔助墩效應小，因此，南昌朝陽大橋中未設(shè)輔助墩。

結(jié)論

1）在邊跨設(shè)置輔助墩可顯著減小三塔斜拉橋主梁撓度與橋塔變位，能有效地提高全橋整體剛度，但輔助墩數(shù)量超過一個時，額外增設(shè)的輔助墩提供的剛度增加量較小。對于四塔及四塔以上斜拉橋，由于橋塔、橋跨數(shù)量較多，在邊跨增設(shè)輔助墩僅能有效地減小邊塔變位，對于中塔約束作用不明顯，全橋剛度提高不明顯。

2）采用金字塔型、A字型等橋塔可有效提高多塔斜拉橋整體剛度。

3）對于四塔及四塔以上斜拉橋，采用部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系可以有效提高全橋整體剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

4）在多塔斜拉橋中采用PC波形鋼腹板組合箱梁可提高腹板抵抗面外變形能力，同時具有更好地發(fā)揮預應力效應，可減小主梁撓度，有助于全橋整體剛度的提升。

5）主梁下布置雙排支座可減小非對稱活載作用下主梁內(nèi)力與變形，有助于全橋剛度的提升。

參考文獻

[1]王伯惠.斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國經(jīng)驗[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]金立新，郭慧乾.多塔斜拉橋發(fā)展綜述[J].公路，2010（7）：24-29.

[3]胡建華.岳陽洞庭湖大橋方案設(shè)計[J].湖南交通科技，1998（1）：24-29.

[4]曹珊珊，雷俊卿，李忠三，等.多塔斜拉橋剛度分析[J].世界橋梁，2012，40（1）：55-59.

[5]陳水生，鐘志斌，桂水榮，等.南昌朝陽大橋波形鋼腹板多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].世界橋梁，2014（6）：1-6.

（作者簡介：劉昊煜，鄭州外國語學校，研究方向為橋梁工程。）endprint