斜拉-懸索協(xié)作體系橋的施工與設(shè)計(jì)優(yōu)化方案研究

朱永暉

（滄州市交通運(yùn)輸局，河北 滄州 061000）

1 引言

斜拉-懸索協(xié)作體系橋是將斜拉橋與懸索橋相互結(jié)合而形成的一種新型橋梁，適用于大跨徑和特大跨徑橋梁。同時(shí)，該協(xié)作體系橋兼具斜拉橋和懸索橋的優(yōu)點(diǎn)，其梁端縱向位移大幅度減小，擁有更好的經(jīng)濟(jì)效益性能，能夠較好地滿足各類(lèi)交通工具的過(guò)江需求[1]。隨著大跨徑斜拉-懸索協(xié)作橋建設(shè)需要的逐漸增加，其關(guān)鍵構(gòu)件在風(fēng)雨和交通活載影響下容易發(fā)生振動(dòng)，并且在較低的風(fēng)速下容易導(dǎo)致拉索的復(fù)雜振動(dòng)，對(duì)橋梁的安全和可靠性造成嚴(yán)重破壞[2-3]。在工程實(shí)踐中，斜拉-懸索協(xié)作體系橋往往因其相關(guān)設(shè)計(jì)方法不完善而導(dǎo)致工程進(jìn)度延誤，從而給工程帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)壓力。鑒于此，本文對(duì)斜拉-懸索協(xié)作體系橋的施工問(wèn)題進(jìn)行分析，并著重探討了其設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，以期進(jìn)一步提升該類(lèi)橋梁的建設(shè)技術(shù)，確保道路與橋梁的安全性。

2 斜拉-懸索協(xié)作體系橋合理成橋狀態(tài)優(yōu)化

斜拉橋合理成橋狀態(tài)中，成橋索力優(yōu)化的方法大致可以分為零位移法、剛性支撐連續(xù)梁法、影響矩陣法以及彎曲能量最小法等。不同方法的特點(diǎn)、使用范圍以及不足均不相同。懸索橋合理成橋狀態(tài)的重點(diǎn)在于主纜成橋的線形，因?yàn)槠渑c主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算以及索夾位置計(jì)算等關(guān)系緊密，所以尤為重要。在懸索橋發(fā)展歷程中，主纜線形計(jì)算方法主要經(jīng)歷了近似計(jì)算法、解析迭代法以及有限元法3 個(gè)階段。隨著技術(shù)的突破，解析迭代法與有限元法因其計(jì)算精度的優(yōu)越逐漸成為主流方法。

考慮斜拉-懸索協(xié)作體系橋的跨越長(zhǎng)度較大，同時(shí)含有斜拉索密集、過(guò)渡區(qū)域的交叉索目數(shù)量較多等結(jié)構(gòu)特征，因此，協(xié)作體系橋的合理成橋狀態(tài)優(yōu)化目標(biāo)與原則應(yīng)符合具體建設(shè)要求。將斜拉橋合理成橋狀態(tài)的剛性支撐連續(xù)梁法、零支反力法以及懸索橋索力優(yōu)化的有限元法作為基本方法，并以協(xié)作體系橋的建設(shè)目標(biāo)與原則為具體優(yōu)化方向，本文總結(jié)了一種應(yīng)用于協(xié)作體系橋合理成橋狀態(tài)計(jì)算的方法，并將其命名為分布優(yōu)化法。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拆解橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并使用ANSYS軟件進(jìn)行模型的系統(tǒng)迭代計(jì)算，按照一定的順序?qū)蛄旱牡踅睢⒅骼|、斜拉索、主梁以及橋塔的初始應(yīng)變進(jìn)行優(yōu)化。接著找到纜索的合理初始張拉應(yīng)變與塔梁構(gòu)件的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，然后將構(gòu)件結(jié)合成為整體微調(diào)偏差，最后即可得到斜拉-懸索協(xié)作體系橋的合理成橋狀態(tài)。

具體優(yōu)化步驟共分為8 步：（1）將所有主梁?jiǎn)卧獑为?dú)去除，并在索梁錨點(diǎn)與支座節(jié)點(diǎn)上面添加剛性支撐，以計(jì)算得到二期恒載作用下的剛性支撐的支反力；（2）對(duì)吊筋拉力值進(jìn)行計(jì)算；（3）對(duì)中跨主纜線形進(jìn)行計(jì)算；（4）計(jì)算邊跨主纜線形；（5）計(jì)算中跨斜拉索初始應(yīng)變；（6）計(jì)算邊跨斜拉索初始應(yīng)變；（7）計(jì)算橋塔、主梁初始應(yīng)變；（8）完成前7 個(gè)步驟后，得到所有構(gòu)件的初始應(yīng)變與主鏈節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)后，將所有構(gòu)件組裝成為全橋模型。其中剛性支撐連續(xù)梁法的計(jì)算見(jiàn)圖1。圖1 中使用虛線表示的主纜、斜拉索與吊筋僅用于標(biāo)識(shí)剛性支撐的位置，不參與結(jié)構(gòu)計(jì)算。

圖1 剛性支撐連續(xù)梁法的計(jì)算示意

3 斜拉-懸索協(xié)作體系橋的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

3.1 協(xié)作體系橋整體布置

在初步設(shè)計(jì)中，充分考慮橋位地質(zhì)條件、建造相關(guān)結(jié)構(gòu)的造價(jià)、抗風(fēng)性能優(yōu)、受力均衡以及城市造型美觀等基本要求，并將已有相關(guān)橋梁分析結(jié)果作為基礎(chǔ)理論，對(duì)研究方案涉及的主要構(gòu)件尺寸進(jìn)行擬訂。以某跨海通道為研究背景，結(jié)合橋梁所處的地形特點(diǎn)，并考慮到跨徑需要，設(shè)計(jì)采用纜索承重橋梁。斜拉-懸索協(xié)作體系橋兼具懸索橋與斜拉橋兩種橋梁的特性，在塔高、主梁軸向受力以及懸臂構(gòu)造長(zhǎng)度等方面均比同跨度斜拉橋更小，但在剛度與抗風(fēng)穩(wěn)定性方面則比同等跨度的懸索橋更具優(yōu)勢(shì)。因此，研究擬采用主跨度為1 736 m 的斜拉-懸索協(xié)同體系橋進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。協(xié)作體系橋整體布置圖如圖2 所示。

圖2 協(xié)作體系橋整體布置圖

3.2 吊筋的內(nèi)力設(shè)計(jì)

斜拉-懸索協(xié)作體系橋整體設(shè)計(jì)中，應(yīng)將超限荷載對(duì)橋梁的影響充分考慮到設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，以確保整體橋梁的內(nèi)力、吊筋索力、加勁梁豎向變形等重要參數(shù)以滿足建造工程整體建設(shè)要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)懸索吊筋的拉索內(nèi)力對(duì)橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的整體應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)也可規(guī)避調(diào)整過(guò)程中的復(fù)雜因素，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。而在計(jì)算橋梁吊筋內(nèi)力時(shí)，可以試著將主梁線形與相應(yīng)構(gòu)件的受力狀況納入其中，并借助協(xié)作體系橋?qū)κ┕そY(jié)束后的橋梁受力下限值進(jìn)行計(jì)算。在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，可采用吊筋張拉與索力雙控制的方法，以吊筋位移為主，確定索力目標(biāo)數(shù)值，吊筋張拉結(jié)束后，再對(duì)主梁進(jìn)行高空作業(yè)控制設(shè)計(jì)。

3.3 橋梁主塔設(shè)計(jì)

協(xié)作體系橋梁主塔的設(shè)計(jì)，主要包括自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和適應(yīng)性的變形控制。在設(shè)計(jì)和建造的情況下，主塔可以利用拉索平衡內(nèi)在承載力。由于橋梁長(zhǎng)期服役、外部溫度條件變化、陽(yáng)光強(qiáng)度等因素影響，橋塔變形逐漸嚴(yán)重。在橋塔設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，必須采取行之有效的方法減小該影響。特別是與橋塔頂部控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的部分，可以設(shè)計(jì)一個(gè)主塔偏差監(jiān)管測(cè)量方案，并在橋塔頂部設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，利用高精度儀器對(duì)橋塔位移進(jìn)行不定期測(cè)量。另外，設(shè)計(jì)階段還應(yīng)充分考慮環(huán)境因素對(duì)主塔形變測(cè)量的影響，通過(guò)對(duì)多種天氣下的橋梁形變進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到保障橋梁預(yù)期的使用與服務(wù)效果。在此基礎(chǔ)上，還需充分考慮橋梁荷載，但由于協(xié)作體系橋梁的主塔真實(shí)受力與理論計(jì)算結(jié)果之間可能存在較大差別，且無(wú)法充分滿足誤差參數(shù)辨識(shí)要求，可在單塔柱的底端與頂端設(shè)置應(yīng)變敏感單元，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主塔受力變化規(guī)律的優(yōu)化與控制。

3.4 動(dòng)力特性與振動(dòng)受力設(shè)計(jì)

隨著斜拉-懸索協(xié)作體系橋跨度的增大，橋梁動(dòng)力特性的影響也逐漸增大。超長(zhǎng)跨度橋梁對(duì)風(fēng)的變化較為敏感，極易發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象，從而破壞橋梁而發(fā)生災(zāi)害。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)任意一種非流線形物體處于某一固定速度時(shí)，在其兩翼上都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與其表面分離的旋渦。風(fēng)致災(zāi)害可劃分為兩類(lèi)：強(qiáng)迫諧振和自激振。強(qiáng)迫諧振會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)疲勞，影響行駛者的安全和舒適，而自激振動(dòng)的振力更大，對(duì)橋梁的破壞也更大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮橋梁的動(dòng)力特性變化。

在協(xié)同體系橋梁設(shè)計(jì)中，需針對(duì)其所承受的顫振載荷所帶來(lái)影響進(jìn)行先行分析。當(dāng)橋梁設(shè)計(jì)達(dá)到臨界風(fēng)速后，空氣的反饋性，會(huì)不斷導(dǎo)致橋梁持續(xù)吸收能力克服自身阻力，接著振幅逐步增大，最終破壞橋梁整體結(jié)構(gòu)。任何一種主梁的斷面都可能出現(xiàn)顫振，因此，在設(shè)計(jì)施工環(huán)節(jié)中，應(yīng)對(duì)顫振投入更多關(guān)注。在橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以選擇并利用分體式結(jié)構(gòu)獨(dú)特的斷面形式，減小不同結(jié)構(gòu)間的氣壓差、增加其氣動(dòng)阻尼，最終達(dá)到提高橋梁顫振臨界風(fēng)速的目的。在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用協(xié)作體系橋橫斷面的主要面積與顫振鄰接風(fēng)速之間的相關(guān)性，以保證體系橋梁橋面上下兩個(gè)方向的氣流互不干擾，達(dá)到顫振穩(wěn)定性要求。

4 斜拉-懸索協(xié)作體系橋的施工技術(shù)

斜拉-懸索協(xié)作體系橋的整體結(jié)構(gòu)較為新穎，但該協(xié)作體系橋梁能否被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中則與施工技術(shù)的選擇與制定有著密切相關(guān)的關(guān)系。此處采用“先主梁后主纜”的施工方法，即先安裝澆筑支架上的主梁后，再將主纜懸掛上去，然后將吊筋張拉上去，完成對(duì)主梁的脫模。施工的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)見(jiàn)表1。

表1 斜拉-懸索協(xié)作體系橋的相關(guān)施工關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)斜拉-懸索協(xié)作體系橋的自身特點(diǎn)，并以某大跨度體系橋梁為例，擬定了相關(guān)施工流程：（1）將主塔與副塔分開(kāi)獨(dú)立支架進(jìn)行施工；（2）采用橋位膺架法，將鋼筋-水泥混合料進(jìn)行組合固定，并現(xiàn)場(chǎng)澆筑剩余混凝土箱梁，保留中間中跨合龍段，張拉主塔和副塔處的主梁腹板上的鋼束；（3）完成斜拉-懸索狀態(tài)，并進(jìn)行脫架；（4）在副塔的位置，對(duì)塔梁處進(jìn)行暫時(shí)加固，同時(shí)吊掛主纜、張拉背索和懸索節(jié)的斜拉索，并將其拆下；（5）對(duì)拉索進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證收口段的左、右標(biāo)高一致，線形滿足設(shè)計(jì)要求；（6）對(duì)合龍段箱梁底部施以水平頂推力，并對(duì)合龍段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑；（7）在取消暫時(shí)限制的情況下撤銷(xiāo)頂推力，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)作體系橋的轉(zhuǎn)變；（8）在縱向方向上對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束及合龍段鋼束進(jìn)行張拉；（9）開(kāi)展橋梁面板施工。主纜-空纜的線形構(gòu)造示意如圖3 所示。

圖3 主纜-空纜線形構(gòu)造示意

5 結(jié)語(yǔ)

在斜拉-懸索協(xié)作體系橋的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能和總體剛度規(guī)范的建立，并充分考慮風(fēng)振對(duì)橋梁動(dòng)力特性與顫振穩(wěn)定性能的作用。本文對(duì)該協(xié)作體系橋進(jìn)行了初步的分析，并制訂了設(shè)計(jì)優(yōu)化方案與施工方案，能夠有效提高斜拉-懸索協(xié)作體系橋在實(shí)際應(yīng)用中的安全性與可靠性。