大跨斜拉橋拉索內(nèi)外置阻尼器選型實例研究*

曾勇 莫磊 敖付勇 李強 董志龍 肖光烈

1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室 400074

2.重慶市鐵路（集團）有限公司 401120

3.中冶建工集團有限公司 重慶400084

4.中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400

5.重慶市永川區(qū)公路服務(wù)中心 400074

引言

斜拉橋是大跨度橋梁最主要的常用橋型之一，由于其外形美觀、經(jīng)濟性好，在國內(nèi)外大跨度橋梁中非常流行。同時，隨著跨度的增大，拉索長度變得更長，相應(yīng)地斜拉橋的整體剛度變得更小，從而使大跨度斜拉橋越來越柔，斜拉索的內(nèi)阻尼低、固有頻率分布廣的特點越來越突出，在各種外界因素的激勵下易發(fā)生振動，有必要選擇合適的阻尼器來進行斜拉索的減振控制。黃康等主要研究了大跨混合梁斜拉橋拉索的阻尼器選型［1］。Krzysztof Wilde等通過研究建立了斜拉索風(fēng)雨振動的簡單模型［2］。M.Matsumoto等對斜拉橋纜索的風(fēng)致振動進行了研究［3］。目前，斜拉索阻尼器的研究都主要集中在減振效果的評估和影響減振性能的因素等方面［4-6］，在斜拉索阻尼器選型方面的研究還相對較少。本文調(diào)研并分析了長江上游地區(qū)的部分斜拉橋、全球范圍主跨超過700m的斜拉橋的拉索阻尼器類型情況，對比研究了拉索阻尼器的內(nèi)置式與外置式的選用情況，研究結(jié)果可以為大跨度斜拉橋拉索阻尼器的選型提供借鑒與參考。

1 長江上游地區(qū)斜拉橋拉索阻尼器選用情況

本文調(diào)研的區(qū)域位于四川的宜賓市和瀘州市，以及重慶市和湖北省巴東地區(qū)，調(diào)研區(qū)域基本覆蓋了長江上游地區(qū)。對比23座長江上游地區(qū)斜拉橋的阻尼器選型情況，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與阻尼器統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 長江上游地區(qū)跨長江的斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)與阻尼器類型Tab.1 Structural parameters and damper types of cable-stayed bridges across the yangtze river in the upper reaches of the yangtze river

從統(tǒng)計結(jié)果來看，在所調(diào)查的23座斜拉橋中，主梁的截面形式有鋼主梁、混凝土梁、疊合梁、混合梁，幾乎包含了斜拉橋主梁的主要截面形式，拉索內(nèi)外置阻尼器選型特點具體分析如下：

主梁截面形式為鋼主梁的斜拉橋，斜拉索大都使用內(nèi)置阻尼器和外置阻尼器的組合形式，由于主梁具有較高的剛度，斜拉索的索力通常較大，采用內(nèi)置式阻尼器就可以達到良好的減振效果，而長拉索和中長拉索通常采用外置阻尼器。但是東水門長江大橋是一個特例，其全部采用內(nèi)置阻尼器，東水門長江大橋是一座主跨360m的公軌兩用單索面雙塔斜拉橋，其斜拉索直徑大，索力噸位大，阻尼比大，因此只需設(shè)置內(nèi)置阻尼器就能滿足減振的性能要求，而無需采用外置阻尼器。主梁截面形式為混凝土梁的斜拉橋，斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器，這是因為拉索的錨固點位于主梁內(nèi)部或底板下方，斜拉索具有較大的索力。主梁截面形式為疊合梁的斜拉橋，斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器與外置阻尼器相結(jié)合的形式，采用外置阻尼器的主要原因是其拉索具有較大的長度而索力較小。主梁截面形式為混合梁的斜拉橋，其跨度往往很大，由于邊跨側(cè)的主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，相應(yīng)地其斜拉索通常也選用內(nèi)置阻尼器，而中跨側(cè)的主梁一般為鋼截面主梁，斜拉索的長度與邊跨側(cè)相比要長很多，并且拉索的索力較小，因此使用的是外置阻尼器。

從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所有的大跨度斜拉橋在選擇拉索內(nèi)外置阻尼器時，通常需要對橋梁的多方面因素進行綜合考慮，主要包括主梁的截面形式、斜拉索的索力情況、斜拉索的長度等方面。具有較大索力和較短長度的斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器，而較大長度的拉索往往使用外置阻尼器。

2 全球主跨超過700m的斜拉橋的阻尼器選用情況

目前，全球共有15座斜拉橋主跨超過700m。除去法國的諾曼底大橋，其他的斜拉橋均位于東亞地區(qū)，且均位于中國及其周邊地區(qū)，全球主跨超過700m的斜拉橋的拉索阻尼器的選用情況見表2。

表2 全球主跨700m以上斜拉橋的拉索阻尼器選用情況Tab.2 Selection of cable dampers for cable-stayed bridges with main spans above 700m in the world

從主跨大于700m的大跨度斜拉橋的斜拉索阻尼器的統(tǒng)計結(jié)果來看，斜拉索阻尼器的類型不盡相同，都具有更好的使用性能和相對多元化的類型選擇。所有的大跨度斜拉橋在選擇阻尼器形式時，一般都要進行多方面因素的綜合考慮，主要包括橋梁自身的結(jié)構(gòu)特性、橋梁的位置特征、橋梁斜拉索的索力情況、橋梁斜拉索氣動措施等方面，使得選用的阻尼器的外觀和性能達到最佳，從而在實際使用中達到最好的減振效果。

中國香港的昂船洲大橋主跨為1018m，主梁為相對較寬的分離式鋼箱梁，有較大的橫向剛度，斜拉索采用內(nèi)置式阻尼器。日本多多羅大橋主跨為890m，由于拉索表面配備了凹坑氣動措施，阻尼比較大，所以其斜拉索采用內(nèi)置式阻尼器。韓國Incheon大橋主跨為800m，其斜拉索全部使用內(nèi)置式阻尼器。上海長江大橋主跨為730m，是一座公軌兩用的斜拉橋，其拉索具有較大的索力，斜拉索采用內(nèi)置式阻尼器。

全球范圍內(nèi)已經(jīng)建成的15座主跨700m以上的斜拉橋，有7座斜拉橋的拉索采用了內(nèi)置式阻尼器，有8座斜拉橋的拉索采用內(nèi)置+外置式阻尼器的組合形式，這兩種阻尼器形式的使用情況幾乎相等。從統(tǒng)計結(jié)果來看，阻尼器的類型并不完全是由斜拉橋的主跨跨徑與斜拉索的長度作為主要決定因素，如香港昂船洲大橋（分離式鋼箱梁）、多多羅大橋（鋼箱梁）、韓國Incheon大橋、金角灣大橋等均采用內(nèi)置式阻尼器。內(nèi)置式阻尼器成為國外的大跨斜拉橋的主流選擇，而內(nèi)置+外置式阻尼器的組合形式則是國內(nèi)的大跨斜拉橋的主要選擇。

3 內(nèi)置式阻尼器的錨筒與長度的實例分析

對于采用內(nèi)置式阻尼器的斜拉索，拉索錨頭的長度與阻尼器的減振效果直接相關(guān)，其外形美觀也會受到影響。在本節(jié)中分析6座國內(nèi)外采用內(nèi)置式阻尼器的斜拉橋的跨中區(qū)拉索的錨筒直徑與內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，其主跨跨度均在700m以上。

昂船洲大橋離海平面高度僅73.5m，以鋼箱梁結(jié)構(gòu)作為該橋的主梁，采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域，該橋沒有設(shè)置人行道。從圖1可以看出，該橋的錨筒直徑比拉索直徑大得多，約為拉索直徑的4～5倍，并且橋面防撞護欄的高度比內(nèi)置式阻尼器的安裝高度略高。從外觀上看，該內(nèi)置式阻尼器具有良好的美觀效果，其顏色與防撞護欄和大海的顏色相互協(xié)調(diào)，保證了整體的統(tǒng)一性，具有良好的美學(xué)參考價值。

圖1 昂船洲大橋的跨中最長索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.1 The anchor head with built-in dampers for the longest mid-span cable of Stonecutters Bridge

日本多多羅大橋主跨為890m，位于本州到四國島的聯(lián)絡(luò)橋西線上，主塔高220m，鋼箱主梁上采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域，該橋的橋面設(shè)置了檢修道，拉索的位置處于檢修道內(nèi)側(cè)的預(yù)留區(qū)域。從圖2可以看出，該橋防撞護欄的高度高于內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，安裝高度基本位于橋面處，該橋錨筒的直徑大約是拉索直徑的3～4倍。

圖2 日本多多羅大橋的跨中最長索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.2 Anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of Tatara Bridge in Japan

韓國的仁川大橋（Incheon bridge）通航凈空為74m，主跨為800m，大橋主塔高238m，其形狀為經(jīng)典的倒Y字型。以鋼箱梁結(jié)構(gòu)作為該橋的主梁，采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域。從圖3可以看出，該橋防撞護欄的高度與內(nèi)置式阻尼器的安裝高度基本一致，該安裝高度較矮，該橋錨筒直徑是拉索直徑的4～5倍。

圖3 韓國Incheon Bridge的跨中最長索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.3 The anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of Incheon Bridge，South Korea

海參崴金角灣大橋主跨為734m，橋面寬度為28.5m，主塔高度為226.25m，位于俄羅斯海參崴市的中心，略長于主跨跨徑為730m的萬州長江三橋。該橋橋面設(shè)置了人行道，斜拉索采用錨拉板式結(jié)構(gòu)的錨固形式，并且拉索的位置處于人行道內(nèi)側(cè)的預(yù)留區(qū)域。該橋防撞護欄的高度遠低于內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，安裝高度約為人身高的2倍，約為3.6m。該橋的錨筒上下兩端的直徑不同，其中下端約為上端直徑的2倍，并且大約是拉索直徑的3倍。該橋的錨筒下端較粗，從下端到上端是具有一定特征的漸變式結(jié)構(gòu)，看起來非常漂亮。從圖4可以看出，該橋防撞護欄的高度略高于錨筒下端的高度，錨筒下端的高度大約為1.8m，人行道與其他橋的橋面布置不同，其標(biāo)高低于車行道的標(biāo)高。該橋跨中最長拉索的內(nèi)置阻尼器錨頭外形有點像某種準(zhǔn)備發(fā)射的導(dǎo)彈的形狀，這可能與俄羅斯的民族文化有關(guān)。

圖4 海參崴金角灣大橋的跨中最長索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.4 Anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of the Golden Horn Bridge in Vladivostok

上海長江大橋主跨為730m，該橋橋面沒有設(shè)置人行道。以鋼箱梁結(jié)構(gòu)作為該橋的主梁，采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域。從圖5可以看出，該橋防撞護欄的高度略高于內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，該橋錨筒的直徑大約是拉索直徑的3倍。

圖5 上海長江大橋的跨中最長索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.5 The anchor head of the longest cable with built-in damper in the middle of the Shanghai Yangtze River Bridge

上海閔浦大橋主跨為708m，主塔高210m，東西岸分別位于閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)沈杜公路和閔行區(qū)吳涇鎮(zhèn)放鶴路。閔浦大橋一跨過江，其跨徑為世界上雙層公路斜拉橋之最。該橋以鋼桁架結(jié)構(gòu)作為主梁，采用錨拉板式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)域位于橋面處，該橋橋面設(shè)有人行道。從圖6可以看出，該橋在跨中段拉索的內(nèi)置式阻尼器，其安裝高度不高，并且與橋面的行車道護欄高度大致相同，其護筒長度約為1.0m，該橋錨筒的直徑約是拉索直徑的2～3倍。

4 結(jié)論

1.從對長江上游地區(qū)斜拉橋的阻尼器選型統(tǒng)計結(jié)果可以看出，內(nèi)置阻尼器通常被使用于混凝土斜拉橋的拉索，即使是大跨度混凝土斜拉橋也常常使用，主要原因是其斜拉索具有較大的索力，斜拉橋的邊跨側(cè)拉索通常也使用內(nèi)置阻尼器，這是因為邊跨側(cè)斜拉索長度較短。分析表明，具有較大索力和較短長度的斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器，而較大長度的拉索往往使用外置阻尼器。

2.對全球主跨超過700m斜拉橋的拉索內(nèi)外置阻尼器選型分析表明，所有的大跨度斜拉橋在選擇阻尼器形式時，通常要同時考慮橋梁自身的結(jié)構(gòu)特性、位置特征、斜拉索的索力情況以及氣動措施等因素，內(nèi)置式阻尼器成為國外的大跨斜拉橋的主流選擇，而內(nèi)置+外置式阻尼器的組合形式則是國內(nèi)的大跨斜拉橋的主要選擇。

3.大跨度斜拉索阻尼器的選型在借鑒國內(nèi)外同類型橋梁的同時，有必要考慮自身的結(jié)構(gòu)特點和地域位置來做出選擇，以滿足拉索減振的要求，還應(yīng)考慮景觀、維護、耐久性等功能，并滿足某些創(chuàng)新性要求。從某種角度來說，大跨度斜拉橋拉索阻尼器的選型研究不僅具有重要的工程實用價值，而且具有重要的國際參考意義。