多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系研究

喻梅，廖海黎，李喬，馬存明，李明水

(1．重慶交通大學(xué)，重慶400074;2．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系研究

喻梅1，2，廖海黎2，李喬2，馬存明2，李明水2

(1．重慶交通大學(xué)，重慶400074;2．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

多塔斜拉橋由于沒有背索將其中間塔錨固到固定點，在活載作用下多塔斜拉橋的塔頂將產(chǎn)生過大的水平位移并導(dǎo)致主梁過大變位。如何確保結(jié)構(gòu)的整體剛度是多塔斜拉橋設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文分析了多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系，通過對不同結(jié)構(gòu)體系的三塔及四塔斜拉橋模型的數(shù)值分析及比較，研究了結(jié)構(gòu)體系對多塔斜拉橋力學(xué)行為的影響。結(jié)果顯示，多塔斜拉橋理想的結(jié)構(gòu)體系是能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體剛度，并使混凝土收縮徐變及溫度變化等因素在結(jié)構(gòu)中不致產(chǎn)生過大次內(nèi)力的體系。同時給出了有益于設(shè)計中選擇多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的結(jié)論和建議。

多塔斜拉橋 結(jié)構(gòu)體系 數(shù)值分析 剛度 力學(xué)行為 位移 內(nèi)力

多塔斜拉橋是指具有三個及以上橋塔的斜拉橋。這類橋型由于沒有背索將中間塔錨固到固定點，將使中間塔塔頂產(chǎn)生過大的水平位移，并導(dǎo)致主梁過大變位。

如何提高結(jié)構(gòu)整體剛度，有效控制中間塔變位，是多塔斜拉橋發(fā)展中必須解決的問題。Michel Virlogeux［1-2］對多塔斜拉橋的發(fā)展?fàn)顩r及存在的問題做了回顧與總結(jié)。Niels J．Gimsing［3-4］對提高多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度的措施做了對比研究。Rudolf Bergerman，Michael Schlaich［5］、華有恒等［6］則對利用穩(wěn)定索提高香港汀九大橋整體剛度的方法做了論述。楊進(jìn)等［7］對我國夷陵長江大橋的設(shè)計特色做了介紹與分析。喻梅等［8］則對多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)布置及橋塔設(shè)計等做了研究。廖海黎等［9］對六塔斜拉橋嘉紹跨江大橋的渦激振動做了風(fēng)洞試驗與分析。P．Papanikolas［10］對采用剛性橋塔的四塔斜拉橋Rion-Antirion橋做了分析。

本文主要研究多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系，即分析梁、墩及塔之間的相互聯(lián)結(jié)關(guān)系及其對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，試圖找到最適合于多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系。

1 多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系

1.1梁與塔固結(jié)、再支承于墩上

對采用主梁連續(xù)、梁與塔固結(jié)后支承于橋墩上的結(jié)構(gòu)體系的多塔斜拉橋而言，雖可獲得連續(xù)的橋面線形，并有利于結(jié)構(gòu)在混凝土收縮徐變及溫度變化等因素作用下的縱向變形，但結(jié)構(gòu)在活載等非對稱荷載作用下的變形仍很嚴(yán)重。當(dāng)某一跨受載時，受載孔下?lián)?，由于受載孔的拉索索力變化甚微，受載孔的兩個橋塔幾乎可自由轉(zhuǎn)動，拉索系統(tǒng)對控制結(jié)構(gòu)的變形和彎矩的作用非常有限，結(jié)構(gòu)在活載作用下的變形幾乎完全靠主梁的剛度來控制。對于大跨度多塔斜拉橋而言，由于僅靠主梁剛度無法有效控制結(jié)構(gòu)在非對稱活載作用下的變形，因此，這種結(jié)構(gòu)體系只適宜于小跨徑的多塔斜拉橋。

1.2 梁、墩、塔固結(jié)體系

1.2.1 跨中設(shè)掛梁或鉸

這種將多塔斜拉橋的梁、墩、塔固結(jié)，并在跨中設(shè)掛梁或鉸的體系由Richard Morandi最先用于馬拉開波大橋，并成為當(dāng)時的設(shè)計主流，故又稱為Morandi體系。該體系通常采用順橋向呈倒V形的橋塔，巨大的橋塔剛度有效地控制了結(jié)構(gòu)在活載等非對稱荷載作用下的變形，又由于梁與墩塔固結(jié)，若主梁連續(xù)，則混凝土收縮徐變及溫度變化等因素將在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的次內(nèi)力，而在跨中設(shè)置掛梁或鉸后，使次內(nèi)力得到釋放，每個橋塔受力相對獨立，故可修建任意多橋塔的斜拉橋。但這種體系缺點有二:其一是巨大的橋塔增大了結(jié)構(gòu)造價，其二是大量的伸縮縫影響了行車舒適性并增大了維修及養(yǎng)護(hù)費用。故在現(xiàn)代斜拉橋中，很少再采用主梁設(shè)置過多伸縮縫的非連續(xù)體系多塔斜拉橋。

1.2.2 主梁連續(xù)

將梁、墩、塔固結(jié)體系的多塔斜拉橋的主梁采用連續(xù)布置，可消除中間伸縮縫，獲得平順的行車路線。但隨之而來的是，混凝土收縮徐變及溫度變化等因素將在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的次內(nèi)力和變形;怎樣在保證結(jié)構(gòu)整體剛度的同時又使主梁在縱向的自由伸縮得以滿足成為問題的關(guān)鍵。與連續(xù)剛構(gòu)的處理方法相類似，當(dāng)橋墩足夠高時，可將梁、墩、塔固結(jié)體系的多塔斜拉橋的橋塔在橋面以下某一區(qū)段設(shè)置為順橋向分離的兩根柱，既能獲得較大的抗彎剛度，又可降低橋塔的抗推剛度。在多塔斜拉橋中，也可在中塔處將梁與墩塔固結(jié)，而在部分邊塔處將梁支承于墩上或飄浮，以便釋放對主梁的縱向約束。我國夷陵長江大橋即采用這種結(jié)構(gòu)體系。

1.3 墩塔固結(jié)、連續(xù)主梁全飄浮或支承體系

墩塔固結(jié)、連續(xù)的主梁全飄浮或支承于墩上的結(jié)構(gòu)體系，在兩塔斜拉橋中已被普遍采用。事實證明，這一體系用于多塔斜拉橋中仍是適宜的。這種將墩塔一體、梁和塔分離的做法，使主梁的縱向變形不受塔的剛度影響，活載在塔中產(chǎn)生的彎曲內(nèi)力與梁的縱向變形成為兩個獨立的問題，故可采用較大的橋塔剛度。同時，主梁傳給墩的荷載也更低，大部分荷載通過拉索傳給橋塔，再傳入地基。正因如此，較多的多塔斜拉橋采用了這一結(jié)構(gòu)體系。墨西哥的墨茲卡拉大橋、法國米約高架橋、香港汀九大橋、希臘Rion-Antirion橋等多塔斜拉橋均為墩塔固結(jié)，連續(xù)主梁支承于墩上的結(jié)構(gòu)體系。我國的岳陽洞庭湖大橋則采用了墩塔固結(jié)，主梁全飄浮的結(jié)構(gòu)體系。

1.4 小結(jié)

綜上所述，多塔斜拉橋較理想的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體剛度，混凝土收縮徐變及溫度變化等又不致產(chǎn)生較大的次內(nèi)力;同時，橋面線形有利于行車舒適與維修，并滿足美觀要求。

2 多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系對其力學(xué)行為的影響

為研究主梁與塔、墩的聯(lián)結(jié)方式對多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)行為的影響，本文以主跨跨度為398 m的三塔斜拉橋(基本模型2A)與四塔斜拉橋(基本模型2)為模型(橋跨布置如圖1所示)。以此模型為分析對象，討論三塔及四塔斜拉橋在不同支承體系下的力學(xué)行為差異。本節(jié)中考慮的荷載為汽—超20活載及溫度荷載。

圖1 多塔斜拉橋的橋跨布置(單位:m)

圖2 三塔斜拉橋在活載作用下的位移

圖3 三塔斜拉橋在溫度荷載作用下的位移

由于現(xiàn)代斜拉橋多采用連續(xù)主梁以改善行車條件，故本文中的模型均為連續(xù)主梁，墩和塔均固結(jié)，只是梁與墩塔的聯(lián)結(jié)形式各不相同。

2.1 三塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系對力學(xué)行為的影響

對三塔斜拉橋(基本模型2A)考慮以下三種支承體系:體系1為梁墩塔全固結(jié)體系，體系2為梁與中間塔固結(jié)且在邊塔處為飄浮體系，體系3為全飄浮體系。分析各體系在活載和溫度荷載作用下的變形與內(nèi)力。

圖2、圖3中示出了主跨398 m的三塔斜拉橋(基本模型2A)在不同支承體系下的結(jié)構(gòu)位移。從中可見，在活載作用下，梁墩塔固結(jié)體系的跨中撓度和塔頂水平位移均比飄浮體系的相應(yīng)位移小;這是因為梁與墩塔的固結(jié)加強了對結(jié)構(gòu)的約束作用，使結(jié)構(gòu)剛度得以提高。在全橋溫度均勻變化正負(fù)25℃時，梁墩塔固結(jié)體系的跨中撓度和梁端水平位移也比飄浮體系的相應(yīng)位移小，而邊塔縱向水平位移則比飄浮體系的大;這是因為在梁墩塔固結(jié)體系中梁與塔之間的相互影響更強。由此可知，僅從控制三塔斜拉橋的活載位移來說，體系1效果最好，但同時邊塔在溫度荷載作用下的縱向水平位移將增大。

三塔斜拉橋主梁的活載彎矩與結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系如圖4所示。從圖4可知，活載作用下，梁與墩塔固結(jié)體系的中跨跨中彎矩比飄浮體系的小，但梁在與中塔相交處的彎矩卻比飄浮體系的大很多。圖5示出了中塔在活載作用下的彎矩包絡(luò)圖(邊塔的彎矩包絡(luò)圖未示出)?；钶d作用下體系1的邊塔、中塔的塔根彎矩及與主梁相交處的彎矩均因框架效應(yīng)而比飄浮體系中的小，而體系2中的中塔塔根彎矩卻最大。

圖4 三塔斜拉橋主梁的活載彎矩與結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系

圖5 三塔斜拉橋的中塔在活載作用下的彎矩包絡(luò)圖

研究顯示，在全橋溫度均勻變化正負(fù)25℃時，體系1的跨中彎矩、梁與邊塔相交處的彎矩、邊塔塔根彎矩、邊塔中與梁相交處的彎矩均最大;而體系2的跨中彎矩、梁與邊塔相交處的彎矩及邊塔塔根彎矩均與全飄浮體系3的相差不大，故從降低溫度次內(nèi)力來說，三塔斜拉橋選擇體系2和體系3均是適宜的，若選擇體系2，則應(yīng)注意控制中塔在活載作用下的塔根彎矩。

綜合起來說:采用體系1對控制三塔斜拉橋在活載作用下的位移最有效，但同時要面臨如何減小邊塔在溫度荷載作用下的塔根彎矩;采用體系3時，結(jié)構(gòu)的活載位移最大，除了梁在與橋塔相交處的彎矩較小，跨中彎矩和塔根彎矩均比體系1大很多，但結(jié)構(gòu)的溫度次內(nèi)力卻較小;體系2對降低三塔斜拉橋的活載位移也有一定效果，且結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)并不大，但中塔在活載作用下的塔根彎矩非常大。

2.2 四塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系對力學(xué)行為的影響

對四塔斜拉橋基本模型2考慮以下四種支承體系:體系1為梁墩塔全固結(jié)體系，體系2為梁與兩中間塔固結(jié)且在邊塔處為飄浮體系，體系3為梁與2#塔固結(jié)且在其他橋塔處為飄浮體系，體系4為全飄浮體系。分析各體系在汽—超20和溫度荷載作用下的變形與內(nèi)力，部分結(jié)果見圖6、圖7、圖8。

圖6 四塔斜拉橋在不同支承下的活載位移

圖7 四塔斜拉橋在不同支承下的溫度位移

從圖6可知，在活載作用下，梁與塔固結(jié)后，由于梁與墩塔的固結(jié)使結(jié)構(gòu)剛度提高，故體系1的跨中撓度和塔頂水平位移均比其它體系的小。

圖7表明:在溫度荷載作用下，體系3的中跨跨中撓度、邊塔塔頂水平位移及中塔塔頂水平位移均較其它體系的小;在體系2中，由于梁在邊塔處可自由活動，而梁在中塔處受到中塔的制約，故中塔的塔頂水平位移和中跨跨中撓度最大。

由圖8可知:在活載作用下，梁與塔固結(jié)后，其次邊跨跨中彎矩、中跨跨中彎矩均比飄浮體系中的有所降低，而梁與中塔相交處的彎矩卻比飄浮體系中的大;在橋塔受力方面，由于框架效應(yīng)，體系1的中塔塔根彎矩、邊塔塔根彎矩最小，而在塔與梁相交處，體系4的彎矩最大。

研究顯示，在全橋溫度均勻變化時，由于梁與墩塔固結(jié)會使梁的變形受到塔的約束作用，因而將在梁塔固結(jié)體系中產(chǎn)生較大的溫度內(nèi)力(基本模型2的溫度次內(nèi)力與支承體系的關(guān)系圖未示出)，在溫度荷載作用下，體系1的中跨跨中彎矩、梁與中塔相交處的彎矩、梁與邊塔相交處的彎矩均比其它體系中的大;而體系2的中塔塔根彎矩則比其它體系的大。

圖8 四塔斜拉橋的活載內(nèi)力與結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系

3 結(jié)論

1)結(jié)構(gòu)體系對多塔斜拉橋的影響主要體現(xiàn)在如何處理好結(jié)構(gòu)在活載作用下的位移與混凝土收縮徐變及溫度效應(yīng)等的關(guān)系。

2)在塔墩分離，主梁連續(xù)，梁與塔固結(jié)后支承于橋墩上的結(jié)構(gòu)體系的多塔斜拉橋中，當(dāng)主跨跨度增大時，塔與梁在非對稱荷載作用下的變位不能得到有效的控制，因此，大跨度多塔斜拉橋不適宜采用這一結(jié)構(gòu)體系。

3)對梁墩塔固結(jié)而主梁連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系而言，梁與塔的固結(jié)可使多塔斜拉橋的位移，特別是在活載作用下的位移比飄浮體系中低;但溫度荷載將在梁與塔固結(jié)處及塔根產(chǎn)生較大的彎矩。因此，若多塔斜拉橋采用梁與全部墩塔固結(jié)體系，必須設(shè)法釋放結(jié)構(gòu)中混凝土收縮徐變及溫度變化等荷載引起的次內(nèi)力。此時，處理方法有三:方法1是將梁、墩、塔固結(jié)體系的多塔斜拉橋的橋塔在橋面以下一定區(qū)段設(shè)置為順橋向分離的兩根柱，既能獲得較大的抗彎剛度，又可降低橋塔的抗推剛度;方法2是連續(xù)主梁主跨跨中設(shè)鉸;方法3是將部分邊塔與梁的聯(lián)結(jié)改為支承聯(lián)結(jié)(鉸結(jié))而非固結(jié)，以釋放部分約束而減小混凝土收縮徐變及溫度荷載等引起的次內(nèi)力。

4)梁墩塔固結(jié)，主梁在跨中區(qū)段設(shè)置掛梁或鉸的結(jié)構(gòu)體系，每個橋塔受力相對獨立，故可修建任意多橋塔的斜拉橋。但這種體系大量的伸縮縫影響了行車舒適性并增大了維修及養(yǎng)護(hù)費用。因此，不建議采用主梁設(shè)置過多掛梁或過多鉸的非連續(xù)主梁結(jié)構(gòu)體系。

5)多塔斜拉橋采用墩塔固結(jié)，塔梁分離而主梁連續(xù)布置的支承體系或飄浮體系時，因降低了梁與塔間的相互影響，故更容易使用剛度較大的橋塔。而提高橋塔剛度是控制中間塔的變位最直接且有效的方法，因此，這一體系用在大跨度多塔斜拉橋中非常適宜，此時，若沒有采取其它加勁措施，橋塔應(yīng)保證有足夠的抗彎剛度。

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Study on structural system of multi-pylon cable-stayed bridge

YU Mei1，2，LIAO Haili2，LI Qiao2，MA Cunming2，LI Mingshui2
(1．Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he intermediate pylons of multi-pylon cable-stayed bridges cannot be anchored to fixed points by backstays，indicating that it is possible to cause greater horizontal displacements in the top of towers under the action of external loads．T herefore，it is important to obtain adequate structural stiffness in the design of multi-pylon cablestayed bridges．In this paper，the structural systems of multi-pylon cable-stayed bridges were investigated．T he effect of structural system on mechanical behavior of multi-pylon cable-stayed bridges was analyzed by using a three-pylon cable-stayed bridge and a four-pylon cable-stayed bridge model．T he deflection and internal force of models for different structural systems were compared．T he results indicated that the best structural system of multi-pylon cablestayed bridges was the system that had enough structural stiffness and less secondary internal force resulted from concrete shrinkage，creep and temperature effect．Recommendations were given for determining structural system in the design of multi-pylon cable-stayed bridges．

M ulti-pylon cable-stayed bridge;Structural system;Numerical analysis;Stiffness;M echanical behavior; Displacement;Internal force

U448.27;U441

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．04

1003-1995(2015)03-0012-05

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-06-20;

2014-12-05

國家自然科學(xué)基金資助(51378442，51278435)

喻梅(1968—)，女，云南昭通人，副教授，博士。