大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計優(yōu)化

李 龍 胡湘艷 劉 鵬 郭紅鑠

(湖南交通工程學(xué)院 交通運輸工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

20世紀(jì)30年代以來，隨著社會發(fā)展的需求，世界上大跨徑橋梁建設(shè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。不同橋型大跨徑橋梁的發(fā)展，日益被各國橋梁界人士所關(guān)注。20世紀(jì)90年代以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，大跨度橋梁的建設(shè)出現(xiàn)了前所未有的高潮，大跨度橋梁在公路交通中的角色越來越重要。懸索橋的最大跨徑已經(jīng)達(dá)到1991m(日本明石海峽大橋)，斜拉橋的最大跨徑達(dá)到1104m(俄羅斯島大橋)。而限制橋梁發(fā)展的一個原因就是結(jié)構(gòu)體系設(shè)計問題，而不斷增多的大跨度橋梁工程數(shù)量致使其結(jié)構(gòu)形式逐步向多樣化、復(fù)雜化發(fā)展。但隨著大跨度橋梁使用年限的增長和運輸量的增多，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了或多或少的問題，結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題越發(fā)突出。因此，必須對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)實行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而避免相關(guān)質(zhì)量問題及安全問題的出現(xiàn)，促進(jìn)我國交通事業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。本文針對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系模型進(jìn)行設(shè)計，對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出跨度大，結(jié)構(gòu)安全的橋梁模型，對橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 大跨度橋梁發(fā)展現(xiàn)狀

我國幅員遼闊、地形復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對大跨度橋梁的需求也日益凸顯，現(xiàn)如今大跨度橋梁技術(shù)比較成熟，橋梁跨越能力越來越強(qiáng)，比如矮寨特大懸索橋，主跨為1176m的跨峽谷大橋；武漢楊泗港長江大橋，主跨跨徑1700m，為世界最大跨度雙層公路懸索橋；蘇通大橋，主跨跨徑1088m，是世界位居第二大跨徑斜拉橋；重慶朝天門長江大橋，主跨552m，為世界第一大跨徑拱橋。以及正在建設(shè)的南京仙新路大橋，主跨跨徑1760m的單跨懸索橋；常泰過江通道，為世界上首座一橋三用的過江通道，集六車道高速公路、城際鐵路和一級公路于一體，橫跨長江的主航道橋主跨長達(dá)1176m，將成為世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋。由此可以看出目前大跨度橋梁主要是懸索橋、斜拉橋、拱橋，這三種橋型跨越能力強(qiáng)，技術(shù)較為成熟。限制大跨度橋梁進(jìn)一步發(fā)展主要有兩個因素：一是輕質(zhì)、高強(qiáng)的新型材料；二是橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化更新。但是新材料的開發(fā)利用仍舊不能滿足大跨度橋梁的需求，所以大跨度橋梁的進(jìn)一步發(fā)展，需要對橋梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出更加穩(wěn)定合理的結(jié)構(gòu)體系。

2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

2.1 斜拉-拱橋

斜拉-拱橋根據(jù)斜拉橋、拱橋各自的有點進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

(a)斜拉橋

(b)拱橋

(c)斜拉-拱橋圖1 斜拉-拱橋的結(jié)構(gòu)模型

索-拱結(jié)構(gòu)最初應(yīng)用在一些建筑中，比如體育館等，近幾年隨著大跨度橋梁的發(fā)展，索-拱結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)中。拉索是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)的柔性結(jié)構(gòu)，只能承受拉力作用，抗震性能相對較差；拱結(jié)構(gòu)以受壓為主，拱腳水平推力較大，對地基基礎(chǔ)要求較高。斜拉-拱橋充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，且能夠彌補(bǔ)彼此的缺點，揚長避短，造型優(yōu)美。斜拉-拱結(jié)構(gòu)與單斜拉、拱結(jié)構(gòu)相比，由于拉索與拱相連，通過控制拉索的水平傾角以及預(yù)應(yīng)力調(diào)整拱結(jié)構(gòu)中的壓力和最大彎矩，使主梁內(nèi)力分布更均勻合理，從而可以降低拱肋的橫截面積，降低結(jié)構(gòu)自重，使結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性與剛度，充分利用了索受拉、拱受壓的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)構(gòu)更加合理，跨越能力增大。

斜拉-拱橋在我國橋梁中已有應(yīng)用，例如湘潭蓮城大橋(湘江四橋)(圖2)采用了雙索斜拉-飛燕式鋼管混凝土拱橋橋型，主拱采用中承式雙肋無鉸平行拱，斜拉索以扇形布置。主拱圈的作用提高了斜拉橋的剛度，拉索內(nèi)力減小，降低索塔高度；而索塔既能傳遞拉索內(nèi)力，突破傳統(tǒng)飛燕式拱橋的造型，又能在施工過程中作為纜索吊塔和扣索塔架使用；通過調(diào)整斜拉索的預(yù)張力，可以調(diào)整拱圈軸線減小拱圈壓力、彎矩以及拱腳的水平推力。

圖2 湘潭蓮城大橋(湘江四橋)

2.2 斜拉-懸索橋

斜拉-懸索體系橋梁顧名思義是由斜拉橋和懸索橋組合而成的橋梁，主要由主纜、吊桿、加勁梁、斜拉索、主塔、副塔以及基礎(chǔ)等組成。斜拉-懸索體系的研究由來已久，從1883年約翰·埃·羅勃林提出羅勃林體系開始，斜拉-懸索體系橋梁經(jīng)歷多次修正，具有代表性的主要有羅勃林體系、狄辛格體系、修正的狄辛格體系、斯坦因曼形式、林同炎形式、吉姆辛形式以及斜拉-自錨式懸索體系。

近年來，學(xué)者們更熱衷于研究斜拉-自錨式懸索體系的應(yīng)用。斜拉-自錨式懸索體系橋梁主跨一定范圍內(nèi)為懸吊結(jié)構(gòu)，橋面荷載由吊桿傳遞給主纜，再由主纜傳遞給主塔以及基礎(chǔ)，同時部分橋面荷載由拉索傳遞給主塔和基礎(chǔ)，故與同跨徑橋梁相比，主纜相對較短，內(nèi)力減小，降低錨碇混凝土用量以及主塔高度。所以，采用自錨式斜拉-懸索體系可以降低工程造價，懸臂施工段縮短，增加結(jié)構(gòu)剛度和抗震、抗風(fēng)穩(wěn)定性，施工安全性能提高，跨越能力明顯增強(qiáng)。

現(xiàn)在大多數(shù)斜拉-懸索橋仍處于理論研究階段，當(dāng)然也有部分橋梁提出斜拉-懸索體系并被采納，比如大連莊河市建設(shè)大橋(圖3)、漢中龍崗大橋(圖4)均采用了自錨式斜拉-斜拉體系橋梁。

圖3 大連莊河市建設(shè)大橋模型

圖4 漢中龍崗大橋模型

2.3 懸索-拱橋

1992年我國學(xué)者初醒悟在全國橋梁結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)大會首次提出懸索-拱橋的構(gòu)想，并對其靜力位移、低階固有頻率、振型等各方面進(jìn)行了分析。

懸索-拱橋以懸索和拱圈作為主要受力結(jié)構(gòu)(圖5)，拱圈為承壓的剛性結(jié)構(gòu)，懸索為受拉的柔性結(jié)構(gòu)，故由懸索承擔(dān)橋面結(jié)構(gòu)的一期荷載，拱圈承擔(dān)橋面結(jié)構(gòu)的二期荷載和活載，二者共同作用，具有造型優(yōu)美、剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、跨越能力大等特點。在采用懸臂法或者轉(zhuǎn)體法進(jìn)行施工時，需要在拱座設(shè)立較高的索塔，由于拱腳會產(chǎn)生較大的水平推力，所以往往需要設(shè)置錨固于邊跨端部的水平系桿，若將系桿轉(zhuǎn)換成自錨于邊跨端部的懸索結(jié)構(gòu)，不僅可以平衡一部分拱腳的水平分力，還可以承擔(dān)一部分橋面豎向荷載，所以結(jié)構(gòu)的跨越能力顯著增強(qiáng)。

圖5 懸索-拱橋

張家口通泰大橋(圖6)是世界上跨度最大的下承式鋼結(jié)構(gòu)懸索拱橋，也是國內(nèi)第一例主梁為下承式鋼結(jié)構(gòu)懸索拱橋。

圖6 張家口通泰大橋

2.4 穩(wěn)定型懸索橋

由于主纜為柔性結(jié)構(gòu)，所以懸索橋存在穩(wěn)定性差、變形大的缺點，因此有學(xué)者在普通懸索橋的基礎(chǔ)上在橋面下方增加了由倒張索和拉桿組成的倒張結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定性懸索橋(圖7)。由于倒張索與主纜結(jié)構(gòu)中的預(yù)張拉力方向相反，所以穩(wěn)定型懸索橋形成了預(yù)張拉結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性和剛度均有所提高。在設(shè)和施工中，可以通過調(diào)整倒張索的預(yù)張拉力對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行優(yōu)化，由于穩(wěn)定性懸索橋不再需要依靠結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的重力剛度來維持橋梁的整體穩(wěn)定性，因此與普通懸索橋相比可以通過優(yōu)化加筋梁減輕橋面自重，節(jié)省造價。

圖7 穩(wěn)定性懸索橋

3 結(jié) 語

綜上所示，大跨度橋梁體系也在不斷更新優(yōu)化，研究理論也在不斷完善，但大多數(shù)仍處于理論研究階段，但隨著技術(shù)的不斷完善以及我國經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的需要，這些結(jié)構(gòu)體系終將在未來的橋梁建設(shè)中大放光彩，促進(jìn)我國橋梁建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。