獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系與受力分析

王建國，吳正安，周水興

(1.貴州中交興陸高速公路發(fā)展有限公司，貴陽 550000；2.貴州中交貴甕高速公路有限公司，貴陽 550000；3.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

獨塔斜拉橋是現(xiàn)代橋梁中的一種常見橋型[1-5]，在公路、鐵路和城市橋梁中均有較為廣泛的應(yīng)用[6-8]。若從平衡索塔兩側(cè)主梁重力的角度考慮，索塔宜采用豎直結(jié)構(gòu)(直塔)[7-8]。由于直塔斜拉橋可利用對稱懸臂施工，通過端錨索能夠控制索塔偏位，因此應(yīng)用較為廣泛。若將索塔傾斜布置，可利用索塔重量來平衡主梁重力，這是另一種行之有效的思路。基于此，國內(nèi)外陸續(xù)建造了形式多樣的獨斜塔斜拉橋[1-4]。相比于直塔斜拉橋，獨斜塔斜拉橋受力更為復(fù)雜，決定了它們在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的差異。國內(nèi)外圍繞收縮徐變、溫度效應(yīng)對獨塔斜拉橋受力性能影響研究較多[9-13]，但對獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的研究相對較少，王燦等[14]研究了斜塔有背索斜拉橋結(jié)構(gòu)的參數(shù)敏感性，分析了溫度變化、結(jié)構(gòu)自重、施工索力、主梁剛度等參數(shù)變化對成橋階段橋梁內(nèi)力、線形及索力的影響規(guī)律；虞子楠[15]研究了地錨式折塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系參數(shù)，分析了不同橋塔形式、不同橋塔傾角的斜拉橋整體結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，但均沒有從獨塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系與受力行為開展深入研究。為此，本文從力學(xué)角度出發(fā)，定性分析獨塔斜拉橋在主梁、索塔、斜拉索的合力及其作用方向，探討合力對結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造設(shè)計的影響，歸納出獨塔斜拉橋可能存在的結(jié)構(gòu)體系形式，研究獨塔斜拉橋在工程中可實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體系及其適用場合。

1 獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系類型

綜合國內(nèi)外已建的獨塔斜拉橋，對其結(jié)構(gòu)體系進行歸類。根據(jù)索塔是否傾斜，可分為直塔斜拉橋和斜塔斜拉橋2大類；根據(jù)有無邊跨和有無背索可分為：有邊跨有背索[2,4-7]、有邊跨無背索、無邊跨有背索[9，15]和無邊跨無背索[1-2]斜拉橋。因此，獨塔斜拉橋理論上有6種體系，如圖1所示。為了抵抗斜拉索在主梁上產(chǎn)生的不平衡水平分力，獨塔斜拉橋均為剛構(gòu)體系，由塔、梁、索三者形成的合力沿橋墩方向傳遞，或沿與橋墩成一定夾角的方向傳遞。

(a)有邊跨有背索直塔斜拉橋

2 不同結(jié)構(gòu)體系的受力分析

2.1 直塔斜拉橋

這種體系的受力圖式如圖2所示。

(a)直塔對稱體系

2.1.1 有邊跨直塔斜拉橋

在恒載作用下索塔兩側(cè)斜拉索水平分力可基本保持平衡，僅在活載及其他附加荷載作用下承受一定的水平力和彎矩，由橋墩承擔(dān)。斜拉索豎向分力和索塔自重的合力F沿著橋墩方向傳遞給地基，各構(gòu)件受力圖式如圖2(a)所示，分析如式(1)：

(1)

式中：F為索力與索塔自重沿著索塔方向的合力；Tβ、Tα分別為邊索與主索索力值；Nb1、Nb2為主梁內(nèi)水平力；N1、N2分別為主跨與邊跨的主梁恒載引起的水平分力；ΔNb為兩側(cè)主梁內(nèi)水平力差值。

由式(1)可知，當(dāng)ΔNb≠ 0時，主梁兩側(cè)的水平力將無法平衡，當(dāng)體系兩側(cè)邊、主跨跨徑相差較小時，主梁不平衡水平力由橋墩自身抵抗，此時可設(shè)置成豎直高墩。重慶石門大橋跨徑組合為200 m+230 m，邊主跨比為0.87，邊跨與主跨相差較小，采用了高墩結(jié)構(gòu)體系，墩高49.22 m，如圖3所示?？鐝浇M合為149 m+149 m的四川攀枝花市炳草崗金沙江大橋采用了雙跨對稱的獨直塔斜拉橋體系，也采用高墩形式。反之，當(dāng)邊、主跨主梁的不平衡水平力較大時，應(yīng)采用矮墩方案，以改善橋墩受力。德國Severin橋跨徑布置為301.67 m+150.68 m，邊、主跨跨徑相差懸殊，主梁不平衡力較大，塔、梁合力與主梁成一定夾角，對下部結(jié)構(gòu)受力不利，采用了橋墩較矮的下部結(jié)構(gòu)形式。

圖3 重慶石門大橋

2.1.2 無邊跨獨直塔斜拉橋

這種體系的斜拉索豎向分力和索塔自重的合力Nt沿索塔方向傳遞，由于主梁的水平力Nb無法被平衡，與索塔合力Nt合成為與主梁和索塔成一定夾角的合力F，如圖2(b)所示，由此在橋墩中產(chǎn)生不平衡水平力和不平衡彎矩，為此只能采用矮塔結(jié)構(gòu)，以減小墩底彎矩，或沿合力F方向額外設(shè)置斜向索塔。由此可見，無邊跨獨直塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系受力不佳、構(gòu)造復(fù)雜、景觀效果差，也無實際的工程案例。其受力分析如式(2)：

(2)

2.2 斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系

斜塔斜拉橋是相對于直塔斜拉橋在造型上的突破，斜塔斜拉橋的索塔是整個體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其設(shè)計構(gòu)思是利用傾斜的索塔來替代部分或全部邊跨拉索的作用，獨斜塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系與受力圖式如圖4所示。

(a)無邊跨有背索體系

2.2.1 無邊跨有背索體系

索塔兩側(cè)的斜拉索索力和索塔自重的合力Nt沿著索塔方向，與主梁水平力Nb合成一個與主梁成一定夾角的合力F，如圖4(a)所示。因此，斜塔無邊跨斜拉橋的橋墩高度不宜過大，以減小索塔基礎(chǔ)的不平衡彎矩，具體受力分析如式(3)：

(3)

由式(3)可知，塔梁合力與主梁成一定夾角，對橋梁下部結(jié)構(gòu)受力是不利的。貴州省芙蓉江特大橋采用該結(jié)構(gòu)體系[9]，主梁直接設(shè)計在索塔底部，專門設(shè)計了一排斜樁和豎樁，分別抵抗合力F的豎向分力和水平分力。芙蓉江大橋總體布置如圖5所示。

單位：cm

芙蓉江大橋主橋為主跨170 m的獨斜塔混凝土斜拉橋，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土π形梁，塔根部梁高4.0 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面梁高2.79 m，梁頂緣寬度29.0 m。背索錨固于鋼筋混凝土地錨箱上，地錨箱為40 m(長)×24.5 m(寬)×11 m(8.43 m)(高)的箱形結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)填筑片石混凝土予以壓重。

2.2.2 有邊跨有背索體系

該體系利用兩側(cè)斜拉索索力差來平衡斜塔的自重，主、邊跨跨度一般不同，考慮到索塔截面剛度以及索塔兩側(cè)斜拉索索力的合理性，邊跨主梁截面往往比主跨主梁的大，這樣不等跨的斜塔斜拉橋在主、邊跨梁體自重、斜塔自重及索力間可形成平衡體系，即兩側(cè)斜拉索索力和斜塔自重的合力Nt沿著斜塔方向，兩側(cè)主梁水平力的合力ΔNb沿著邊跨方向，但Nt與ΔNb仍合成一個與主梁成一定夾角的合力F，如圖4(b)所示，具體受力分析如式(4)：

(4)

由公式(4)可知，索塔下部結(jié)構(gòu)共同承受水平力和豎向力的作用，受力較為不利，不宜采用高墩形式。鄭州望龍西橋采用了有邊跨有背索體系的獨斜塔斜拉橋，跨徑組成為96 m+72 m，其索塔下部結(jié)構(gòu)較矮，以減小水平力對下部結(jié)構(gòu)的彎矩值。澳大利亞Batman Bridge也采用了該結(jié)構(gòu)體系，且采用了較矮的下部結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 澳大利亞Batman Bridge

2.2.3 無邊跨無背索體系

這種體系的斜拉橋僅在主跨布置斜拉索，依靠斜拉索的平衡力矩抵抗塔身的重力矩，形成索、塔、梁平衡的結(jié)構(gòu)體系，即斜拉索索力和索塔自重的合力Nt沿著索塔方向，與主梁水平力Nb1合成與主梁成一定夾角的合力F，因此仍需采用矮墩結(jié)構(gòu)來改善其受力，如圖4(c)所示，具體受力分析如式(5)：

(5)

該斜拉橋體系一般采用纖細的主梁，塔身有著強大穩(wěn)固支撐的力量感，給人一種穩(wěn)重、醒目的印象，而下部高度均較小。西班牙Alamillo大橋[1]和長沙洪山大橋都采用了該結(jié)構(gòu)體系[4]，如圖7、圖8所示。

圖7 西班牙Alamillo大橋

圖8 湖南長沙洪山大橋

2.2.4 有邊跨無背索體系

該體系只在主跨布設(shè)斜拉索，索塔依靠斜拉索索力及自身重力作用來平衡，即斜拉索索力和索塔自重的合力Nt沿著索塔方向，與邊、主跨主梁水平力差值Nb1合成與主梁成一定夾角的合力F，如圖4(d)所示，具體受力分析如式(6)：

(6)

哈爾濱太陽橋采用了該結(jié)構(gòu)體系，是國內(nèi)第一座獨斜塔無背索雙索面斜拉橋，主跨140 m，邊跨60 m，兩端過渡孔各14 m，其索塔承臺結(jié)構(gòu)較矮，以減小F對其產(chǎn)生的不利影響，如圖9所示。合肥市銅陵路橋也采用了該結(jié)構(gòu)體系，主跨66 m，邊跨30 m。國外采用該結(jié)構(gòu)體系的有捷克Mariansky橋。

圖9 黑龍江哈爾濱太陽橋

3 結(jié)束語

本文分析了獨塔斜拉橋的6類結(jié)構(gòu)體系，利用力系方法得到了各構(gòu)件的力學(xué)平衡關(guān)系。受力分析表明，除有邊跨獨直塔斜拉橋?qū)蚨崭叨仍O(shè)計沒有影響外，其余5類的獨塔斜拉橋，因存在不平衡的水平力，橋墩高度均宜采用矮墩形式，以改善橋墩受力。