某景觀橋梁吊索設(shè)置方案的比選分析

李曉龍，張曉曉

（1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082;2.北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100055）

0 引言

規(guī)劃黎安互通立交位于規(guī)劃文黎大道與現(xiàn)況G98環(huán)島高速公路相交節(jié)點(diǎn)處，是實(shí)現(xiàn)海南國際旅游島先行試驗(yàn)區(qū)及陵水縣城等地方交通系統(tǒng)與高速公路系統(tǒng)進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換的重要設(shè)施。

文黎大道作為陵水規(guī)劃區(qū)進(jìn)出的“門戶型”道路，代表著整個(gè)規(guī)劃區(qū)對外形象，景觀效果非常重要。黎安立交是“門戶型”道路上的點(diǎn)睛之筆，整體景觀效果要求更高。主橋采用中承式拱橋，效果圖如圖1所示。

圖1 橋梁建筑效果圖

主橋采用四拱肋中承式有推力拱橋。大、小拱拱腳為混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)前后橫梁相連接，拱肋為鋼結(jié)構(gòu)，通過鋼橫撐相連。大拱肋拱腳處跨徑為150 m，位于鋼主梁外側(cè)，大拱肋橋面以上部分為鋼結(jié)構(gòu)，橋面以下部分為混凝土拱腳。小拱肋拱腳處跨徑為110 m，小拱肋橋面以上部分為鋼結(jié)構(gòu)，橋面以下部分為混凝土拱腳。主梁為漂浮體系，兩側(cè)支承于拱腳前橫梁上，斷面采用等截面扁平鋼箱結(jié)構(gòu)，橋面全寬28.7 m，梁高1.843 m（中心高）。

本橋大拱肋布置于主梁外側(cè)，兩片拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，拱肋高34.47 m，矢跨比約為1/4.35，拱腳處橫橋向間距為33 m，鋼混結(jié)合段分界位于拱肋平面內(nèi)拱腳以上17.5 m位置處。

小拱肋布置于主梁中央隔離帶處，拱腳為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，寬3 m。形狀為倒三角形，中間開孔，拱腳后端設(shè)置橫梁與大拱肋混凝土拱腳橫向連接，作為主引橋分聯(lián)處支承橫梁，橫梁尺寸為4 m×2 m。小拱肋拱腳混凝土段從主梁中央隔離帶處穿過主梁。橋面以上部分設(shè)兩片向外傾斜的鋼拱肋，傾斜角度為10.8°，在拱頂處通過鋼橫撐與相鄰小拱肋及大拱肋相互連接。小拱肋高32.5 m，矢跨比約為1/3.38，鋼混結(jié)合段分界線中心點(diǎn)位于拱腳以上18.1 m位置處。

前期的橋梁建筑景觀設(shè)計(jì)要求拱橋設(shè)置四排吊索，仍需要根據(jù)力學(xué)分析對吊索的設(shè)置進(jìn)一步優(yōu)化，本文就幾種吊索的設(shè)置方案進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析和比較。橋梁計(jì)算模型如圖2所示。

1 吊索設(shè)置方案

方案一：吊索按建筑景觀設(shè)計(jì)布置。大拱肋與橋面采用吊桿連接，吊桿布置在橋面最外側(cè)索區(qū)，全橋共設(shè)置21對吊桿，吊桿順橋向間距5 m。小拱肋與橋面采用吊桿連接，吊桿布置于橋面中央隔離帶處，全橋共設(shè)置13對吊桿，與大拱肋吊桿對應(yīng)設(shè)置，吊桿順橋向間距5 m，如圖3所示。

圖2 橋梁計(jì)算模型

圖3 方案一吊索布置圖（單位：m）

方案二：由于方案一小拱邊吊桿較短，在橫橋向與大拱吊桿剛度不匹配，會(huì)造成較大的內(nèi)力變化。方案二為方案一的優(yōu)化方案，取消了小拱的一部分吊索，僅保留5排索，如圖4所示。

圖4 方案二吊索布置圖（單位：m）

方案三：為使橋梁受力進(jìn)一步明確，方案三取消了小拱的所有吊索，為保留景觀效果，小拱吊索換成裝飾索，如圖5所示。

圖5 方案三吊索布置圖（單位：m）

2 方案對比

2.1 豎向位移

在自重+車輛+降溫+風(fēng)的作用下，橋梁的豎向位移最大。各方案鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置最大豎向位移見表1。方案一各處位移較其他方案稍小。方案二鋼主拱和鋼小拱以及主梁的跨中位移較方案一稍大，是由于去掉兩邊的吊索后，原來邊吊索承擔(dān)的力往跨中方向分配，導(dǎo)致跨中位移增大；方案二鋼拱腳有向上的位移是由于吊桿距離鋼拱腳較遠(yuǎn)導(dǎo)致小拱局部產(chǎn)生微小的外鼓現(xiàn)象。方案三鋼主拱跨中位移相比其他方案最大，是由于僅保留主拱吊索后，主拱直接承受主梁的重力作用，小拱間接承重，沒能充分發(fā)揮作用，故導(dǎo)致主拱位移較大；另外與其他方案不同的是方案三主梁比主梁橫向聯(lián)系位移小，這是由于小拱去掉吊索后，在橫橋向鋼主梁僅有兩個(gè)支點(diǎn)，所以越往跨中位移越大。

表1 各方案關(guān)鍵位置最大豎向位移表

各方案豎向位移差不大，說明吊索的布置對橋梁豎向位移影響不大。

2.2 拱的應(yīng)力

在自重+車輛+降溫+風(fēng)的作用下，鋼拱肋和主梁的應(yīng)力最大。各方案鋼拱關(guān)鍵位置最大應(yīng)力見表2。方案一應(yīng)力除鋼拱腳應(yīng)力較其他方案大外，其他位置應(yīng)力均比其他方案小，這是吊索設(shè)置較多且均勻的結(jié)果；其他方案鋼拱腳應(yīng)力小是減少吊索的結(jié)果。方案二最大應(yīng)力出現(xiàn)在小拱跨中，是由于小拱邊吊索取消了之后，原來邊吊索承受的力往跨中分配導(dǎo)致跨中應(yīng)力增加。方案三最大應(yīng)力發(fā)生在橫撐位置，鋼主拱與小拱在豎向有高差，鋼主拱通過橫撐傳遞到小拱一部分荷載，由于小拱上沒有吊索，小拱承受主拱傳遞過來的荷載較大且集中，因此在橫撐與小拱連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

各方案應(yīng)力略有差別，方案一應(yīng)力除鋼拱腳外應(yīng)力較小，吊索的布置方式對拱肋和橫撐應(yīng)力有一定影響。

表2 各方案關(guān)鍵拱肋最大應(yīng)力表

2.3 主梁應(yīng)力

在自重+車輛+降溫+風(fēng)的作用下，鋼拱肋和主梁的應(yīng)力最大，見表3。方案一主梁應(yīng)力最大，是由于空間索的不規(guī)則布置導(dǎo)致，相應(yīng)的橫梁受力也較不均勻。方案三的主梁和橫梁受力較為明確均勻。

表3 各方案主梁應(yīng)力表

由于主梁剛度較大，吊桿布置方式對主梁應(yīng)力影響不大。

2.4 吊桿應(yīng)力

方案一的三種工況下索力的對比見表4。在升溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內(nèi)力最小；在降溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內(nèi)力最大。這兩個(gè)組合除溫度差異外，橫向風(fēng)向也是相反的。方案一的小拱邊吊桿和次邊吊桿在溫度影響下和風(fēng)向變化共同作用下內(nèi)力變化較大，分別為1 490 kN和842 kN。主拱邊吊桿在溫度和風(fēng)向影響下最大變化為991 kN。

方案二的三種工況下索力的對比見表5。在升溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內(nèi)力最小；在降溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內(nèi)力最大。這兩個(gè)組合除溫度差異外，橫向風(fēng)向也是相反的。小拱的邊吊桿在溫度和風(fēng)向變化下的內(nèi)力差為686 kN，邊吊桿效應(yīng)仍較明顯。主拱的邊吊桿在溫度和風(fēng)向變化下的內(nèi)力差為1 149 kN，較方案一有所增加，這是由于方案二去掉了方案一的邊吊桿，主拱邊吊桿獨(dú)自承擔(dān)溫度和風(fēng)向變化。

表4 方案一三種工況下吊索內(nèi)力表

表5 方案二三種工況下吊索內(nèi)力表

方案三的三種工況下索力的對比見表6。在升溫組合下主拱的邊吊桿內(nèi)力最??；在降溫組合下主拱的邊吊桿內(nèi)力最大。這兩個(gè)組合除溫度差異外，橫向風(fēng)向也是相反的。主拱的邊吊桿在溫度和風(fēng)向變化下的內(nèi)力差為1 111 kN，較方案一有所增加，較方案二稍小。

表6 方案三三種工況下吊索內(nèi)力表

方案三小拱邊吊桿由于在橫橋向與主拱吊桿剛度不匹配，內(nèi)力變化過大。方案二的小拱邊吊桿內(nèi)力變化雖比方案一小得多，但主拱吊桿內(nèi)力變化比方案一大。方案三主拱吊桿內(nèi)力變化與方案二基本相同。

3 結(jié)語

方案一由于小拱邊吊桿在橫橋向與鋼主拱吊桿剛度差別較大，導(dǎo)致在溫度和風(fēng)向變化作用下內(nèi)力變化過大；由于吊索數(shù)目多會(huì)導(dǎo)致工期較長，四排索張拉施工難度較高。

方案二相對于方案一由于去掉部分較短吊桿，在溫度和風(fēng)向變化作用下小拱的邊吊桿內(nèi)力變化較方案一邊吊桿較小，但比方案一相同位置的吊桿內(nèi)力變化大得多。吊索數(shù)目減少能減少工期，但在橫橋向仍有四排索的部位，張拉施工難度也較高。方案二的位移和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力與方案一相比變化不大。

方案三由于去掉了小拱的全部吊索，受力清晰明確，吊索改為裝飾索后仍能滿足景觀要求。減少吊索數(shù)目節(jié)省工期，兩排索張拉便于施工。方案三的位移和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力與方案一相比變化不大。

綜合以上分析，本橋吊索布置方式對橋梁的位移、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力不起關(guān)鍵控制作用。吊索布置方式對吊索的內(nèi)力變化及施工工期和施工難易度影響較大。方案三最為合理，選擇方案三作為最終方案。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院.橋梁設(shè)計(jì)工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.