曲線梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法

李 清，曹 峰

（九江市城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000）

0 引言

斜拉橋是最新型的現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)型式，雖然其發(fā)展歷史不是很長(zhǎng)，但確因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受力明確、外形美觀、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于公路橋梁和城市橋梁的建設(shè)中。隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，即便是如斜拉橋此類重大型橋梁，也能夠適應(yīng)路線設(shè)計(jì)的要求，建設(shè)成曲線型式的斜拉橋結(jié)構(gòu)，因而，在城市環(huán)境的曲線梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠洫?dú)特的美觀造型、明確的結(jié)構(gòu)受力特性、對(duì)地基基礎(chǔ)要求低等特點(diǎn)，被越來(lái)越多地設(shè)計(jì)采用。

曲線梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，由于曲線梁顯著的彎扭耦合效應(yīng)，一般設(shè)計(jì)成曲線梁矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，梁體的彎扭耦合效應(yīng)由主梁本身承擔(dān)，而斜拉橋輔助梁體結(jié)構(gòu)受力，形成造型美觀的曲線梁矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)。1980年ChristianMenn設(shè)計(jì)的甘特大橋就是曲線梁矮塔斜拉橋的先驅(qū)，該橋梁主跨174m，全長(zhǎng)678m，由7塔8跨組成，混凝土箱梁通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉板懸掛在矮塔上。隨后矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)被廣泛研究，從而設(shè)計(jì)出了諸如瑞士SunnibergBridge,威爾士Swansea市的SailBridge等橋梁結(jié)構(gòu)，推進(jìn)了曲線梁矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[1,2]。

本文詳細(xì)研究曲線梁矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，分析主梁、拉索、索塔等主要構(gòu)件的受力特點(diǎn)；其次，指出進(jìn)行曲線梁矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，如主梁的彎扭耦合效應(yīng)，曲線梁構(gòu)造對(duì)拉索索力影響、對(duì)索塔設(shè)計(jì)要點(diǎn)等；最后總結(jié)進(jìn)行曲線梁矮塔斜拉橋設(shè)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和方法。

1 曲線梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

曲線梁矮塔斜拉橋集聚了曲線梁橋及矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特性，并綜合運(yùn)用兩者的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，成為適應(yīng)道路曲線規(guī)劃、景觀需求的極具競(jìng)爭(zhēng)力的大跨徑橋型之一。首先分析曲線梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包含主梁、拉索和索塔的各自受力特性，分析其與曲線梁橋和矮塔斜拉橋的差異；其后，分析曲線梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及其空間受力行為。

1.1 曲線梁斜拉橋構(gòu)件受力特性

曲線梁斜拉橋的主梁，最顯著的受力特征是彎扭耦合效應(yīng)，即梁體在發(fā)生豎向彎曲的同時(shí)，由于曲率的影響，內(nèi)外梁體的剛度不同，便會(huì)在梁截面形成扭轉(zhuǎn)的效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)的同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致梁體的彎曲變形[3]。由于彎扭耦合效應(yīng)，彎橋的變形要比相同跨徑的直橋要大，同時(shí)使得內(nèi)外梁體在平衡荷載作用下產(chǎn)生不平衡的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。其使用受到一定限制。

曲線梁斜拉橋的斜拉索，起到了彈性支撐主梁的作用，斜拉索的存在豐富了橋梁的施工工藝，懸臂施工技術(shù)城市斜拉橋施工建造的重要手段，如果配合斜拉橋進(jìn)行曲線梁橋的施工，則可以因?yàn)槔鞯拇嬖?，顯著改善曲梁在施工過(guò)程中的因?yàn)閮?nèi)外梁體重量不一而產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)傾覆問(wèn)題，能夠加大橋梁的建設(shè)跨徑。同時(shí)，斜拉索的存在使得主梁受到彈性支撐作用，明顯加大了原來(lái)曲線梁橋的跨越能力。

曲線斜拉橋的索塔，主要受到拉索的空間索力作用，使得其縱向、橫向和豎向都受到顯著的荷載作用。索力縱向分量使得索塔受到縱向彎曲效應(yīng)，這與常規(guī)斜拉橋的索塔受力模式基本相同；索力橫向分量使得索塔受到橫向荷載作用產(chǎn)生橫向屈曲，因此如果采用獨(dú)柱索塔需要做成一定傾斜角度，使得橫向荷載轉(zhuǎn)移為索塔軸力，更多時(shí)候索塔設(shè)計(jì)成框架結(jié)構(gòu)型式，以抵抗橫向受力荷載；索力豎向分析使得索塔承受軸力作用，這與常規(guī)斜拉橋的受力特點(diǎn)也是相同的。

1.2 曲線梁斜拉橋體系受力特性

曲線梁斜拉橋的體系受力特點(diǎn)，最典型的就是斜拉索與曲線梁的協(xié)同受力模式。斜拉索對(duì)曲線梁體的支撐效應(yīng)見(jiàn)圖1，圖1中顯示了雙塔曲線部分斜拉橋某一對(duì)索力產(chǎn)生的分力，水平分分力的大小除與曲率半徑相關(guān)外，還與塔柱與主梁軸心線的相對(duì)位置有關(guān)。研究表明，曲線梁由于本身的彎扭耦合效應(yīng)，在荷載作用下，主梁由跨中到支座會(huì)集聚扭矩，扭矩到支座處便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外支座不同的支反力，嚴(yán)重狀況還會(huì)產(chǎn)生傾覆。但在曲線部分斜拉橋中，主動(dòng)施加的斜拉索豎向分力也是彎扭耦合的，可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)外側(cè)索力的大小抵消主梁的彎扭耦合作用。

圖1 曲線梁矮塔斜拉橋索力

曲線梁配合斜拉索同樣改善了一般斜拉橋的相關(guān)受力性能，直斜拉橋在豎向平面受力良好，但是橫向平面內(nèi)，在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題突出。曲線梁在橫向平面內(nèi)是弧形的，若在梁橋的兩端設(shè)置橫向水平支撐，則梁體橫向受力特性近似于“平面拱”，極大提高水平方向的穩(wěn)定性，改善了橋體結(jié)構(gòu)的橫向靜力與動(dòng)力響應(yīng)。

雖然斜拉索的存在改善了曲線梁在施工及運(yùn)營(yíng)中的扭矩分布，但是斜拉索并不能直接減少扭矩的大小，當(dāng)某種荷載施加后，結(jié)構(gòu)只能通過(guò)內(nèi)部的自我調(diào)整來(lái)減弱彎扭耦合效應(yīng)，并非每個(gè)階段都可以通過(guò)斜拉索調(diào)整內(nèi)外梁體的不平衡力，所以，通過(guò)有限次的拉索張拉實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)良好受力狀態(tài)變得尤為重要。由于主梁軸線位于平面圓曲線上，斜拉索索面將是一個(gè)曲面，索力除了產(chǎn)生豎向和水平分力外，還要產(chǎn)生橫橋向的分力，這將使主梁產(chǎn)生顯著的橫向彎曲，同時(shí)塔柱也要承擔(dān)橫橋向水平力，該作用隨曲率半徑的減小越來(lái)越明顯，使全橋呈現(xiàn)非常明顯的空間受力特性，對(duì)于索塔及主梁受力較為不利。

由此可知，斜拉橋是將曲線梁橋往大跨徑方向發(fā)展的較好選擇，曲線梁矮塔斜拉橋能夠綜合斜拉橋和曲線梁橋的各自優(yōu)勢(shì)，因此在實(shí)際工程中有較多應(yīng)用。

2 曲線梁斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題與方法

曲線梁斜拉橋獨(dú)特的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，在開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就需要明確這些關(guān)鍵問(wèn)題，并開(kāi)展針對(duì)性的設(shè)計(jì)，滿足結(jié)構(gòu)受力安全與長(zhǎng)期使用性能的要求[4]。

2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)要求與方法

首先，曲線梁斜拉橋的主梁是曲線型式，具有非常顯著的彎扭耦合效應(yīng)，因此主梁的設(shè)計(jì)構(gòu)造應(yīng)該按照曲線梁的主梁設(shè)計(jì)方法開(kāi)展，最好設(shè)計(jì)成能夠抵抗彎矩和扭矩的箱梁結(jié)構(gòu)型式，提高整體斷面的受力穩(wěn)定性；

斜拉索采用空間索面結(jié)構(gòu)型式，由于斜拉索對(duì)于主梁的作用會(huì)產(chǎn)生橫向彎曲，需要考慮曲梁的曲率特點(diǎn)選擇拉索的布置間距，使得斜拉索索力橫向分力作用下曲梁的面內(nèi)受力呈現(xiàn)拱的受力特點(diǎn)；

索塔相對(duì)于常規(guī)斜拉橋的典型差異是橫向彎曲，因此盡量將索塔設(shè)計(jì)成能夠抵抗彎矩作用的橋梁型式。當(dāng)結(jié)構(gòu)跨徑不大時(shí)可以采用獨(dú)柱式索塔，并在橫向設(shè)計(jì)成一定角度的傾斜，使得水平力和豎向力的合力與索塔傾斜角度相同，這樣能夠保證索塔基本承受軸向荷載作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)跨徑很大時(shí)，則應(yīng)該設(shè)計(jì)成橫向聯(lián)系的框架索塔結(jié)構(gòu)型式，能夠最大程度抵抗索力作用下的索塔橫向彎曲問(wèn)題。

2.2 斜拉索與曲線梁的空間配置

在常規(guī)半徑和跨徑范圍內(nèi)，曲線梁外弧自重大，內(nèi)弧自重小，會(huì)產(chǎn)生繞形心的扭轉(zhuǎn)，且自重極度在縱橋向沿弧形分布，又將產(chǎn)生繞支承線的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，曲線外側(cè)的支反力增大、內(nèi)側(cè)支反力減小，主梁承擔(dān)彎矩及扭矩共同作用，稱之為彎扭耦合效應(yīng)。

斜拉索的存在能夠調(diào)整內(nèi)外梁的受力問(wèn)題，顯著降低彎扭耦合效應(yīng)對(duì)主梁的影響，因此主梁結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成輕巧型，但需要考慮斜拉索橫向分力作用下對(duì)曲線梁的面內(nèi)受力。因此，需要根據(jù)曲線梁的跨徑及曲率，設(shè)計(jì)適宜的斜拉索布置間距和成橋索力，使得主梁的受力變得穩(wěn)定，提高其橫向屈曲和豎向屈曲的穩(wěn)定系數(shù)。

2.3 塔梁墩連接體系的設(shè)計(jì)

曲線梁矮塔斜拉橋的約束體系選擇，是影響結(jié)構(gòu)整體空間受力行為的一個(gè)重要問(wèn)題。從塔、梁、墩的聯(lián)結(jié)上來(lái)看，矮塔斜拉橋的塔梁墩連接體系主要有以下塔墩固結(jié)、塔梁固結(jié)和固結(jié)體系三種，見(jiàn)圖2。

圖2 塔梁墩連接方式

塔墩固結(jié)體系：該體系塔墩固結(jié)而塔梁分離，可看作是具有多點(diǎn)彈性支承的連續(xù)梁，由于有豎向支承，塔柱處主梁有峰值負(fù)彎矩，溫度和收縮徐變內(nèi)力大，設(shè)計(jì)中需要校核這些因素的影響程度；該體系的優(yōu)點(diǎn)是索塔與橋墩的受力特點(diǎn)明確、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

塔梁固結(jié)體系：該體系塔、梁固結(jié)，主梁支承在橋墩上，也可視為具有多點(diǎn)彈性支撐的連續(xù)梁，該體系的特點(diǎn)是塔墩處的彎矩可降低，而且可減小主梁的軸向拉應(yīng)力。但是主梁在墩頂處的轉(zhuǎn)角位移會(huì)導(dǎo)致塔柱的傾斜，使主梁跨中的撓度和邊跨的負(fù)彎矩顯著增大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，另外還需設(shè)置大噸位的支座，以支承上部結(jié)構(gòu)的恒載、活載反力。

固結(jié)體系：該體系斜拉橋的特點(diǎn)是主梁、塔柱、橋墩三者互為固結(jié)，實(shí)際上形成了多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)體系，這種斜拉橋體系與塔梁固結(jié)體系相比，可以免除大型支座，而且結(jié)構(gòu)的整體剛度很大，使主梁的撓度減小，該體系若采用雙塔形式則溫度應(yīng)力較大，所以這種體系比較適合獨(dú)塔或墩高較大的情況。塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋一個(gè)最大的特點(diǎn)是主梁在固結(jié)處的負(fù)彎矩較大。

需要根據(jù)實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)需求，如主梁跨徑、曲率半徑、索塔選型等，選擇上述幾種連接體系。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，以及景觀設(shè)計(jì)的重要性，各種組合構(gòu)造型式的橋梁越來(lái)越被設(shè)計(jì)者青睞，曲線梁斜拉橋就是典型案例。論文詳細(xì)分析了曲線梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，包括其主要組成構(gòu)件：曲線梁、斜拉索、索塔的受力特性及其與常規(guī)斜拉橋的差別，其次研究了曲線梁斜拉橋的體系空間受力行為。最后，總結(jié)了曲線梁斜拉橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題及方法，包括構(gòu)件的設(shè)計(jì)選型、斜拉索與曲線梁配置、塔墩梁連接體系設(shè)計(jì)等。相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)，可以為曲線梁斜拉橋的設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱琴忠,王立新,高波,等.曲線梁部分斜拉橋空間性能分析研究[J].城市道橋與防洪,2013(7):291-294.

[2]劉康.曲率半徑與塔高對(duì)混凝土曲線斜拉橋靜力特性的影響分析[D].四川成都:西南交通大學(xué),2017.

[3]劉兆光,胡盛.曲線梁橋設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題探討[J].公路,2012(5):197-201.

[4]劉立民.曲率半徑對(duì)曲線矮塔斜拉橋的影響分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015(5):62.