矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及動(dòng)力特性分析

李曉龍

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

通常在中小跨徑橋梁中主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,大跨度橋梁主要考慮斜拉橋和懸索橋。近年來(lái),在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋與斜拉橋之間興起了一種新的橋梁結(jié)構(gòu)形式——矮塔斜拉橋(也稱部分斜拉橋),并在日本、菲律賓、瑞士、韓國(guó)得以應(yīng)用。在我國(guó),矮塔斜拉橋?qū)⒊蔀橹行】鐝綐蛄褐械闹髁鳂蛐椭?。本文首先?jiǎn)要的介紹矮塔斜拉橋的發(fā)展歷程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并以四川某矮塔斜拉橋?yàn)槔M(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析,加深對(duì)矮塔斜拉橋的理解。

1 矮塔斜拉橋的發(fā)展概況

矮塔斜拉橋是 1988年法國(guó)工程師JacguesMathivat在設(shè)計(jì)位于法國(guó)西南的阿勒特·達(dá)雷高架橋的比較方案時(shí)提出的,并將之命名為“Extra-dosed PC bridge”,直譯為“超劑量預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁”。1990年德國(guó)的Antonie Naama提出了一種組合體外預(yù)應(yīng)力索橋,體外索的一部分伸出主梁,錨固在墩頂處主梁的剛柱上,這種體系與 JMathivat的方案十分相似。日本第一座矮塔斜拉橋是 1994年建成的小田原港橋,以后 10年間,日本建成的矮塔斜拉橋有 20多座,橋梁跨度從初期的 122m發(fā)展至 275m,橋?qū)拸?13m發(fā)展到 33m。如果從正式建造來(lái)判定,可以說矮塔斜拉橋起源于日本。

我國(guó)第一座矮塔斜拉橋是 2000年 9月建成的蕪湖長(zhǎng)江大橋,主跨 312m,主梁采用鋼桁梁。2001年建成的漳州戰(zhàn)備大橋是國(guó)內(nèi)第一座預(yù)應(yīng)力矮塔斜拉橋,主橋的孔跨布置為80.8m+132m+80.8 m。繼而矮塔斜拉橋在中國(guó)發(fā)展迅猛,先后建成通車的PC矮塔斜拉橋有廈門銀湖大橋、蘭州小西湖黃河大橋和山西離石高架橋。迄今,國(guó)內(nèi)已建或在建的主跨L≥100m的矮塔斜拉橋有十幾座,其中主跨超過 200m的有惠青黃河大橋和珠海荷麻溪大橋。實(shí)際上,關(guān)于這種橋型的名稱在國(guó)內(nèi)外至今未能得到統(tǒng)一。橋梁專家嚴(yán)國(guó)敏認(rèn)為這種橋型受力特性介于斜拉橋和連續(xù)梁之間,橋的剛度主要由梁體提供,斜拉索起到體外預(yù)應(yīng)力的作用,相當(dāng)部分的荷載由梁的受彎、受剪來(lái)承受,因此稱之為部分斜拉橋;王伯惠、顧安邦等學(xué)者認(rèn)為應(yīng)稱之為矮塔斜拉橋。矮塔斜拉橋的界定成為學(xué)者關(guān)心的問題。

2 矮塔斜拉橋的特點(diǎn)

部分斜拉橋是介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間的半柔性橋梁,因而它兼有連續(xù)梁橋與斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)。與連續(xù)梁橋相比,它有如下優(yōu)點(diǎn):(1)跨越能力較連續(xù)梁橋大。當(dāng)中支點(diǎn)梁高相同時(shí),部分斜拉橋的跨度可比連續(xù)梁橋大 1倍以上;(2)對(duì)于大跨度梁而言,相同跨度的部分斜拉橋比連續(xù)梁橋經(jīng)濟(jì)。與斜拉橋相比,它有如下優(yōu)點(diǎn):(1)塔高較矮,塔身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工方便;(2)斜拉索應(yīng)力變化幅度小,可采用較高的應(yīng)力,一般情況下,斜拉橋拉索的應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 0.4～0.45倍,而部分斜拉橋可用至 0.5～0.6倍,從而減少鋼材用量;(3)主梁抗彎剛度大,可采用梁式橋施工方法,無(wú)需象斜拉橋那樣采用大型牽索掛籃,極大地方便了施工;(4)整體剛度大,變形小,尤其適用于荷載大、標(biāo)準(zhǔn)高的鐵路橋梁。由于部分斜拉橋的這些優(yōu)點(diǎn),就決定了其有獨(dú)特的特點(diǎn)。

2.1 外形特征

(1)加勁梁的高度由于有斜拉索的幫助而比一般梁橋低,但又比常規(guī)斜拉橋的柔性梁高大;

(2)塔高比常規(guī)斜拉橋塔高小,因?yàn)樾崩髦黄痼w外索作用,1/9～1/11的梁高已可使體外索具有相當(dāng)大的偏心距;

(3)由于加勁梁已具有一定剛度,因此作為體外索之間的斜拉索不需象常規(guī)斜拉橋那樣有端錨索,對(duì)塔頂水平位移進(jìn)行約束,布索區(qū)段也無(wú)需覆蓋全部加勁梁;

(4)由于其受力更接近梁式橋,因此邊中跨比更接近于梁式橋的 0.5～0.6,而不是常規(guī)斜拉橋的 0.4左右。

2.2 受力特征

部分斜拉橋中的拉索應(yīng)力幅比常規(guī)斜拉橋中的拉索應(yīng)力幅小,因此其拉索的允許應(yīng)力是采用體外預(yù)應(yīng)力索的允許應(yīng)力,即極限應(yīng)力的 60% ～70%,安全系數(shù) 17;而常規(guī)斜拉橋中的拉索允許應(yīng)力僅 40%,安全系數(shù) 25。也就是說,部分斜拉橋中的拉索從受力特征上講更接近于一般PC梁橋的體外預(yù)應(yīng)力索。

2.3 構(gòu)造特征

部分斜拉橋中的拉索在構(gòu)造上與常規(guī)斜拉橋中的拉索不同之處在于塔上的錨固形式。常規(guī)斜拉橋中的拉索在塔頂上錨固或張拉,而部分斜拉橋則基本采用鞍座式,斜拉索在塔頂連續(xù)通過,但由于摩擦力存在及設(shè)有固定裝置,實(shí)際上拉索在塔頂是不能滑動(dòng)的。一般采用圓弧形雙套管形式,斜拉索從內(nèi)鋼管穿過,施工完成后在內(nèi)鋼管內(nèi)壓入高強(qiáng)度環(huán)氧水泥漿。雙套管形式可以使換索工作易于進(jìn)行。

2.4 適應(yīng)場(chǎng)合

(1)跨度超過梁式橋而建斜拉橋不經(jīng)濟(jì)時(shí);

(2)對(duì)剛度要求較大,常規(guī)斜拉橋不能滿足要求,如多跨斜拉橋或鐵路斜拉橋。

(3)塔高受限制的地方,如飛機(jī)場(chǎng)附近。

3 矮塔斜拉橋動(dòng)力特性分析

3.1 工程概況

本文以四川某矮塔斜拉橋?yàn)槔?該橋?yàn)殡p塔雙索面,跨度為 128m+248m+128m,墩、塔、梁固結(jié)體系。雙向六車道,橋面寬 34m,橋塔根部橋面寬 37m。主梁為單箱四室變高度箱型截面,墩頂處梁高 9m,跨中梁高 3.8m。塔墩高 45 m,塔柱高 31m,柱頂 6m為空心裝飾段。橋塔橫橋向按圓弧形設(shè)計(jì),兩側(cè)各布 10根斜拉索,梁上索距 4m,塔上索距 1 m。本橋采用懸臂施工,主梁、橋塔同時(shí)分節(jié)段澆筑,斜拉索張拉完畢后拆除臨時(shí)塔架。

3.2 有限元模型

利用大型有限元軟件 MIDAS/CIVIL2006建立全橋空間有限元組合模型,其中主梁、塔柱、橋墩、樁基礎(chǔ)采用空間梁?jiǎn)卧M,斜拉索采用空間桁架單元模擬,預(yù)應(yīng)力索作為等代荷載施加于梁體。全橋共計(jì)節(jié)點(diǎn) 1019個(gè),單元 873個(gè)。有限元模型如圖 1所示。

圖1 有限元模型

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能分析中,一般情況下結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型起控制作用,所以只需求結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型。本文采用子空間迭代法進(jìn)行橋梁模態(tài)分析,計(jì)算模態(tài)數(shù)量取 20,前十階計(jì)算結(jié)果列如表1,限于篇幅本文只給出前 6階振型圖,如圖 1所示。

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該橋第一階振型為主梁橫向反對(duì)稱彎曲,頻率為 0.373 Hz。根據(jù)相關(guān)資料得知,目前國(guó)內(nèi)幾座典型混凝土矮塔斜拉橋的一階自振周期分別為:廈門銀湖大橋?yàn)?1.05 s,蘭州小西湖矮塔斜拉橋?yàn)?1.75 s,平頂山市湛河一橋(88+72)m僅為0.726 s,惠青黃河公路大橋(133+220+133)m為2.099 s,均小于同等跨度的普通斜拉橋。而通常大跨度普通斜拉橋的基本周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 5 s。該橋的一階自振周期為2.68 s,也小于普通大跨斜拉橋,與上述矮塔斜拉橋的特點(diǎn)吻合。所以,從這一點(diǎn)上也可以看出,矮塔斜拉橋的一階自振周期基本介于連續(xù)梁(剛構(gòu))與普通斜拉橋之間,屬于剛?cè)嵯酀?jì)的橋型。

由于邊墩支座為只受壓支座,對(duì)主梁和邊墩的橫向及縱向約束相對(duì)較弱,所以主梁的橫向振動(dòng)和邊墩的縱向振動(dòng)出現(xiàn)的較早,頻率較低。主梁的豎向抗彎剛度大于橫向抗彎剛度;前十階振型沒有出現(xiàn)主梁的扭轉(zhuǎn),說明箱形主梁有足夠大的抗扭剛度。

4 結(jié)束語(yǔ)

矮塔斜拉橋是橋梁向輕型化、復(fù)合化發(fā)展的過程中出現(xiàn)的介于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋與斜拉橋之間的過渡橋型,其剛?cè)嵯酀?jì)的特性,符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),因此具有經(jīng)濟(jì)、美觀、剛度大、施工方便的優(yōu)點(diǎn),其發(fā)展具有很大潛力,尤其適合于對(duì)剛度要求較高的鐵路橋。與梁橋相比,這種橋型造型美觀,結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)內(nèi)容豐富,而且具有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),越來(lái)越顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ捎谥髁壕哂凶銐虼蟮膭偠?可容易設(shè)計(jì)成三塔或多塔橋梁,這一點(diǎn)是斜拉橋所不具有的優(yōu)點(diǎn)。在今后的橋梁建設(shè)中,矮塔斜拉橋?qū)⒌?到越來(lái)越廣闊的應(yīng)用。

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