創(chuàng)建斜拉橋新輝煌(共9頁)

1、土木工程研究進展與施工方法課程(kchng)報告三講座(jingzu)題目： 如何(rh)創(chuàng)造斜拉橋的輝煌 報告人： 肖汝誠教授淺談現(xiàn)代斜拉橋發(fā)展中的幾個問題在11月14號的土木工程研究進展課上，來自同濟大學(xué)橋梁系的肖汝誠教授為我們介紹了現(xiàn)代斜拉橋的最新進展情況，使我感觸很深，于是課后又查閱了相關(guān)文獻，對斜拉橋這一大跨橋型有了更進一步的認識，基于這些，本篇文章將簡單總結(jié)一下自己對斜拉橋未來發(fā)展的一點淺薄認識，以供大家交流學(xué)習(xí)。1斜拉橋發(fā)展概述斜拉橋又稱斜張橋，是將HYPERLINK /view/139123.htm 主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種HYPERLINK /view/113819

2、.htm 橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種HYPERLINK /view/1195986.htm 結(jié)構(gòu)體系。斜拉橋可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁，通過調(diào)整拉索體系，可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度及主梁梁高，節(jié)省材料，減小自重，因此斜拉橋比梁式橋的跨越能力更大，是特大跨度橋梁的主要橋型之一。近些年來，隨著設(shè)計理論的完善和營造技術(shù)的發(fā)展，斜拉橋跨徑得到了進一步的發(fā)展，已經(jīng)突破千米級，除此之外，還出現(xiàn)了矮塔斜拉橋、異型塔斜拉橋、多塔斜拉橋以及斜拉懸索協(xié)作體系橋等形式多樣的斜拉橋結(jié)構(gòu)。斜拉橋跨徑的不斷提高及其形式的多樣化發(fā)展?jié)M足了人們交通需求的同時也導(dǎo)致其抗風(fēng)、抗震、

3、整體穩(wěn)定性、剛度問題和非線性等問題逐漸突出，限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對上述各類斜拉橋的問題進行了研究，本文將在此基礎(chǔ)上，針對斜拉橋在向大跨徑和形式多樣化發(fā)展過程中出現(xiàn)的各類問題進行簡單的分析和討論，以供大家交流學(xué)習(xí)。下面將主要針對以下三部分展開相關(guān)討論：1. 斜拉橋跨徑的進一步提高；2. 多塔斜拉橋的剛度問題；3. 斜拉懸索協(xié)作體系橋的發(fā)展；（如何提高斜拉橋的經(jīng)濟競爭性）2斜拉橋跨徑的進一步提高要研究如何增大斜拉橋跨徑這一問題，首先要找到限制其跨越能力的主要因素，根據(jù)文獻總結(jié)以下幾方面原因及解決措施。2.1鋼拉索的強度及松弛問題 鋼拉索的強度極限直接限制了斜拉橋的跨徑，而拉索

4、松弛導(dǎo)致主梁撓度過大，影響橋梁耐久性，除此之外，隨著拉索長度的增加，拉索的垂度效應(yīng)更為顯著，這將導(dǎo)致拉索效率下降。要解決這些問題，應(yīng)采用更高強更輕質(zhì)的拉索材料，如CFRP索替換普通鋼拉索以提高極限承載力，增加安全儲備，同時應(yīng)注意，理想的拉索材料除高強輕質(zhì)外，還需滿足低松弛，抗疲勞，耐腐蝕，耐久性良好等多方面要求。 另外(ln wi)有學(xué)者研究表明，拉索有效彈性模量隨其水平投影長度(chngd)的平方而降低，跨徑越大,彈模降低(jingd)越快, 因此，跨徑越大，鋼索松弛問題越突出，目前常用的有效的措施就是用二次索將各根拉索互相連起來, 并固定到主梁或索塔上，以下是幾種二次索布置方案的逐步改進發(fā)

5、展歷程。圖1 二次索的逐步改進作法2.2靠塔段主梁軸向力過大問題隨著斜拉橋跨徑增大，靠塔段軸向力成為妨礙斜拉橋跨徑增大的首要問題，軸向力過大可能導(dǎo)致混凝土主梁壓碎及鋼箱梁屈曲失穩(wěn)問題。1 王伯惠. 斜拉橋增大跨徑的技術(shù)措施J. 公路, 2003, 2(2):1-2.按現(xiàn)有材料技術(shù)條件,考慮軸向力不超過容許值, 單一材料鋼主梁跨徑只能做到1820 m, 混合梁可到2125 m，這個數(shù)值是控制鋼( 混凝土) 主梁面積標(biāo)準(zhǔn)段不超過439m2 ， 近塔段不超過1. 25 倍標(biāo)準(zhǔn)段得出的。如果允許更大的主梁面積 當(dāng)然還能得出更大的跨徑，但這是很不經(jīng)濟的作法。解決該問題比較經(jīng)濟合理的途徑主要有以下三條：一

6、是從材料入手，研發(fā)高強材料，提高主梁極限承載力；二是從截面形式入手，使用更為合理的構(gòu)造形式，如組合截面梁、鋼桁梁等；三是調(diào)整脊索布置方式以減少主梁軸向壓力，在這方面國內(nèi)外專家在早年提出了以下一些建議和設(shè)想：部分地錨法（丹麥J.Gimsing，1990）2）雙錨法（法國J. Muller，1991） 兩端張拉法（美國Yan Xiao，1994） 固定張拉法（日本Hisanori Ot suka，1991） 端錨法（中國周念先，20世紀80年代） 他錨法概念 可見解決主梁軸向壓力過大問題, 施加張拉力或預(yù)應(yīng)力是切實可行的辦法，減輕軸壓力對提高主梁剛度和承載能力皆有利。部分地錨法中段用纜索吊裝, 在

7、技術(shù)上跨徑基本不受限制, 在經(jīng)濟上其地錨比懸索橋為小, 而且初期纜索可利用斜拉索來組成, 都可大大降低造價。雙錨法和兩端張拉法要將主梁全部懸拼完成( 中段錨于地錨) , 然后在中段施加預(yù)應(yīng)力,因此主梁根部仍須承受全部一期恒載壓力, 因而增大跨徑受到限制, 只能達到原有的 1. 52. 5 倍2.3橫向穩(wěn)定性問題(wnt)（包括抗風(fēng)穩(wěn)定性問題）斜拉橋跨徑越大, 在靜、動風(fēng)力作用下的橫向穩(wěn)定問題(wnt)越突出。就靜風(fēng)力而言, 主梁除了(ch le)承擔(dān)自身所受的風(fēng)荷載以外, 還要承擔(dān)拉索所受的風(fēng)荷載, 跨徑越大, 拉索越多越長, 風(fēng)載就越大，容易引發(fā)風(fēng)振。解決這一問題，2 顧安邦. 橋梁工程（下

8、）M. 2008. 北京:人民交通出版社, 1999:252-276.可采用以下措施：主梁及拉索作成流線形截面,既可以提高風(fēng)動穩(wěn)定性又可提高斜拉橋靜力穩(wěn)定性。加大橋?qū)挘话闱闆r下，有以下四種做法：全橋面加寬、局部加寬（如靠塔附近梁段）、加大兩側(cè)風(fēng)咀長度（風(fēng)咀一般只用薄板彎制,重量較輕又經(jīng)濟）、采用分離式梁。以上幾種方法也可混合使用。改變拉索體系來提高橫向剛度,如采用傾斜索面，將原來的豎直拉索索面改成空間傾斜的索面,這時拉索既能承擔(dān)垂直力, 又能承擔(dān)側(cè)向力和扭矩, 主梁不必用抗扭剛度強大的箱梁而可用開口截面, 動力性能也得以提高。改變塔柱形式，采用抗側(cè)剛度較強的A型，梯型，倒Y型塔柱。圖 2 常

9、見塔柱形式2.4可施工性問題 3 沈炯偉. 可施工性對斜拉橋跨越能力的影響J. 結(jié)構(gòu)工程師, 2010, 26(2):168-1734 喻梅.多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特性分析D.西南交通大學(xué),20005 金立新.多塔斜拉橋發(fā)展綜述J.公路,20106 杜高明.大跨度自錨式斜拉一懸索協(xié)作體系橋結(jié)構(gòu)性能分析D.大連理工7 張哲.自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計與分析J.公路.2006目前已有學(xué)者從材料強度角度研究斜拉橋跨徑可以達到3 000 5 000m, 但是施工也是影響斜拉橋發(fā)展的一個重要因素。研究結(jié)果顯示, 采用蘇通大橋的橋型結(jié)構(gòu)和施工技術(shù), 從施工角度分析, 斜拉橋可以實現(xiàn)的跨徑為1 500 m。綜合

10、研究各種施工因素對斜拉橋極限跨徑的影響, 得到當(dāng)前條件下制約斜拉橋跨徑發(fā)展的因素主要有以下幾項：混凝土泵送設(shè)備(shbi)，對于(duy)混凝土索塔現(xiàn)澆施工，影響其可施工高度的主要因素是超高索塔混凝土泵送高度，由于二級泵送風(fēng)險較大，故現(xiàn)在多采用一級泵送方式(fngsh)?，F(xiàn)有的施工設(shè)備能力，可以實現(xiàn)的混凝土最大泵送高度以600 m計算，以蘇通大橋跨徑與塔高比3. 63作為判別標(biāo)準(zhǔn),得到最大跨徑為2 170 m。2）高空施工環(huán)境影響，高空施工環(huán)境也將影響混凝土索塔的可施工高度。對于千米級的斜拉橋，一般位于廣闊的江面、海面上,氣候條件比較惡劣，施工過程中風(fēng)成了第一大威脅。對于高空施工作業(yè)，為了保證

11、施工人員、施工設(shè)備的安全問題提出了更大的挑戰(zhàn)。3）施工精度控制，隨著斜拉橋跨徑的不斷增大,斜拉索長度也隨之增大,彈性模量降低,導(dǎo)致斜拉索定位精度和主梁線形精度下降，從而給施工控制帶來困難。4)施工階段全橋穩(wěn)定及非線性問題，斜拉橋施工階段隨著跨徑的增大，懸臂長度也隨之增大，結(jié)構(gòu)剛度下降，并且因為橫橋向風(fēng)荷載使塔根處主梁產(chǎn)生較大的橫向彎曲，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響越來越大，從而使主梁過早進入屈服狀態(tài)穩(wěn)定性隨著跨徑的增大而降低。因此，如果要進一步增大跨徑，從施工角度考慮可以采用以下措施：控制斜拉橋施工穩(wěn)定性，通過設(shè)置臨時墩，采用高強度鋼材等技術(shù)提高穩(wěn)定系數(shù)；保證施工質(zhì)量，提高施工控制精度；通過改善設(shè)備，提

12、高混凝土泵送設(shè)備、斜拉索張拉設(shè)備的工作能力。2.5總結(jié) 以上從四個方面研究了影響斜拉橋跨徑的因素及解決措施，主要有以下幾點：1）從材料角度，通過新工藝、新技術(shù)研發(fā)更為高強、高延性、低松弛的拉索和高強主梁材料是提高跨徑的根本措施。2）從設(shè)計角度，根據(jù)地質(zhì)條件選擇適合的抗側(cè)剛度較高的拉索和塔柱形式，探索更為合理高效的斜拉橋拉索形式及計算理論。3）從施工角度，采用新技術(shù)、新設(shè)備，加強施工監(jiān)測，提高施工精度，設(shè)置臨時墩以提高施工階段全橋穩(wěn)定性。3多塔斜拉橋剛度問題多塔斜拉橋, 國外也將其稱作多跨斜拉橋, 近些年來，多塔斜拉橋重新受到工程師的青睞，它尤其適用于峽谷中建造橋梁，可以有效減少橋墩數(shù)目，降低施

13、工難度，節(jié)省工程費用，但是多塔斜拉橋的體系剛度問題一直是制約其發(fā)展的重要因素，如何在確保多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)整體剛度的同時又使結(jié)構(gòu)顯得美觀，成為發(fā)展多塔斜拉橋這一橋型所面臨的關(guān)鍵問題。3.1 多塔斜拉橋的力學(xué)特性和常規(guī)斜拉橋相比, 多塔斜拉橋具有塔多聯(lián)長的布置形式(xngsh)，其主要構(gòu)件索、塔、梁受活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響均會有所增大。主要表現(xiàn)如下：結(jié)構(gòu)整體(zhngt)剛度降低隨著索塔數(shù)量增加，多塔斜拉橋的中間塔兩側(cè)既無輔助墩和過渡墩，也沒有邊錨索，缺少了對主梁和索塔剛度的有效(yuxio)幫助，使已經(jīng)是柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋柔性更大，并使結(jié)構(gòu)各響應(yīng)的活載影響線范圍和幅度增大，導(dǎo)致多塔斜拉橋的主梁撓

14、度、斜拉索疲勞應(yīng)力幅和塔底內(nèi)力比常規(guī)斜拉橋要大得多。圖3對比了雙塔斜拉橋和多塔斜拉橋在活載作用下的力學(xué)行為。圖3(1) 雙塔斜拉橋活載作用下力學(xué)行為圖3(2) 多塔斜拉橋活載作用下力學(xué)行為圖3 多塔斜拉橋和雙塔斜拉橋活載作用下力學(xué)行為對比溫度效應(yīng)顯著增加由于主梁長度變長, 因此溫度效應(yīng)影響增大。對主梁而言，過大的溫度變形不僅影響結(jié)構(gòu)的合理性與安全性, 也影響結(jié)構(gòu)的適用性; 對索塔而言, 溫度效應(yīng)處理不當(dāng)將導(dǎo)致邊塔塔底內(nèi)力過大,增加索塔、基礎(chǔ)等主要受力構(gòu)件的設(shè)計難度。3.2 改善(gishn)多塔斜拉橋體系剛度的方法(1)橋跨布置(bzh)Leonhar dt 和 Schlaich 把多孔斜拉橋

15、按 L 及 0.8 L 跨徑布孔， 即塔高由中間塔向邊塔高度遞減， 中塔塔高采用邊塔高度的約 1.25 倍。已建或在建三塔斜拉橋多采用此種處理方式，一方面兩個或多個主跨已能滿足跨越需要(xyo)，另一方面采用較矮的邊塔在一定程度上對提高體系剛度有幫助，因為一般說來, 邊、中跨的比例越小， 邊跨主梁的剛度越大，邊跨拉索較短、剛度也相對越大，邊跨對索塔的錨固作用也就越大，從而使主跨的剛度增大，并可減小拉索應(yīng)力幅。因此這是一種經(jīng)濟合理的處理方式, 在橋跨布置時宜優(yōu)先考慮。研究表明, 雙塔三跨公路斜拉橋邊最優(yōu)中跨比為 0.33 0.50, 其中鋼主梁為 0.30 0.40, 組合梁為 0.40 0.5

16、0，混合梁為 0.30 0.45, 混凝土主梁為 0.40 0.45。對于鐵路斜拉橋, 由于活載所占比重較大，且對結(jié)構(gòu)剛度要求高，故通常邊中跨之比不大于 0.34, 大多為 0.20 0.25。針對多塔斜拉橋受活載效應(yīng)影響較大的特點, 在滿足跨越需要并兼顧橋梁景觀的前提下, 宜根據(jù)主梁材質(zhì)盡可能取較小的邊中跨比。(2) 邊跨設(shè)置輔助墩在邊跨設(shè)置輔助墩對多塔斜拉橋的作用機理是使得在活荷載作用下邊跨主梁的撓度得以控制, 使錨于其上的斜拉索的尾索效應(yīng)得以更好地發(fā)揮, 使邊塔頂位移減小、塔柱內(nèi)力降低, 進而影響中塔。其改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的效果沒有雙塔斜拉橋顯著, 僅能對邊跨、邊塔及次邊跨產(chǎn)生直接影響,

17、對中間塔和中間跨的影響要通過次邊跨來逐步向中間跨傳遞,這種作用越接近中跨影響越小, 且與傳遞過程中相關(guān)構(gòu)件的剛度有關(guān)。另外, 邊跨設(shè)置輔助墩不僅有利于提高多塔斜拉橋的剛度, 大大減小由于活載引起的梁端轉(zhuǎn)角, 避免伸縮縫受損; 而且可使邊跨主梁提前上墩, 從而使雙懸臂施工狀態(tài)盡早變?yōu)閱螒冶凼┕顟B(tài), 加強施工階段的安全性。(3)采用剛性塔橋塔作為錨固拉索并與基礎(chǔ)直接相連的壓彎構(gòu)件, 控制塔頂縱向水平位移對減小主梁的撓度、活載內(nèi)力幅及降低塔中的壓彎效應(yīng)均有重要意義, 而增大橋塔剛度則是改善這一問題最直接的措施。故多塔斜拉橋的橋塔, 特別是中間塔, 應(yīng)考慮采用較大的橋塔剛度。M orandi 體系中

18、的橋塔構(gòu)造是典型的剛性主塔, 有效地解決了多塔斜拉橋剛度弱的問題, 但也造成下部結(jié)構(gòu)造價增大。在以后的實踐中, 縮減基礎(chǔ)規(guī)模、節(jié)省造價成為工程師們改進這一體系的主要方向。Finster Walder 的大貝爾橋方案和 Leonhardt 的恒河大橋方案以及已建成的法國米約高架橋采用橋面以上為剛性塔, 橋面以下為兩分離柔柱的設(shè)計; 加拿大諾森伯蘭海峽多塔斜拉橋方案采用縱橋向呈鉆石形的橋塔, 即橋面以上為剛性塔、下塔柱( 墩柱) 內(nèi)收, 在一定程度上也降低了下部結(jié)構(gòu)造價。通常情況下, 綜合比較經(jīng)濟性和適用性, 多跨斜拉橋宜采用剛性塔, 或適當(dāng)增加橋塔剛度。另外, 采用剛性塔比柔性塔能承擔(dān)更大的不平

19、衡彎矩, 可增加施工中的安全性。(4) 設(shè)置(shzh)塔間加勁索在橋塔間設(shè)置水平加勁(ji jn)索或傾斜加勁索, 能將中間塔柱塔頂受到的不平衡力最為直接地傳遞到剛度較大的構(gòu)件, 對各種體系均能有效降低橋塔和主梁內(nèi)的彎矩和撓度, 是提高多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度的有效措施, 尤其對漂浮體系影響顯著。圖4 斜拉橋加勁(ji jn)索布置方案(5)橋塔處主梁采用雙支點這是一種從 Morandi 體系演變而來的構(gòu)造措施, 其通過橋塔處設(shè)置雙支點對橋塔兩側(cè)主梁受活載作用下的豎向位移和轉(zhuǎn)角位移加以約束, 增加了荷載的傳力途徑, 降低了由主梁傳遞到上塔柱的荷載比例, 從而減小了上塔柱的內(nèi)力和變形。另外, 置雙支

20、點也在一定程度上相當(dāng)于縮小了橋梁跨度,提高了主梁剛度。浙江嘉紹大橋橋塔處雙支點間距達 46 m, 成為改善多塔斜拉橋受力特性的主要措施。計算表明, 采用設(shè)置雙支座后跨中活載位移幅由 11127 m 降低為原來的76.6% , 即 0.864 m, 塔頂位移和中塔柱內(nèi)力降低為原來的 62% 66% , 而由于雙支點僅改變了活載傳力途徑, 對塔根內(nèi)力影響較小, 邊塔降低約 22% , 次邊塔降低約 17%, 中塔降低約 10%。(6) 中間跨跨中區(qū)段布置交叉重疊索將斜拉索在橋跨中央?yún)^(qū)段交叉布置, 這也是一種對提高結(jié)構(gòu)整體剛度有一定作用的措施,但效果并不明顯。這是因為重疊索下端錨固于主梁上, 而主梁

21、剛度有限, 無法有效控制中間塔塔頂縱向位移。但若將主梁的剛度和重量在跨中拉索重疊區(qū)段加大, 并適當(dāng)增大邊跨背索及中間跨外索的剛度,則加勁效果會有所改善。 (7) 增大(zn d)主梁和斜拉索剛度主梁和斜拉索是斜拉橋除橋塔外的另外兩個支承構(gòu)件(gujin), 也是體系剛度的主要提供者, 因此, 增大其剛度對提高體系剛度一定是有效的。但是, 單純增大主梁剛度而不改變主梁重量是很困難的, 主梁重量增加將導(dǎo)致斜拉索用量增加; 單純增大斜拉索面積( 剛度) 而不改變主梁形式, 不能使斜拉索保證一定的應(yīng)力水平, 不僅達不到增加體系剛度的目的, 也是不經(jīng)濟的。因此, 主梁型式?jīng)Q定斜拉索用量, 兩者共同影響結(jié)

22、構(gòu)的剛度, 不是孤立的。對于同等橋跨布置的多塔斜拉橋, 混凝土梁和(鋼) 混結(jié)合梁比鋼箱梁自重大, 相應(yīng)的斜拉索用量也多, 結(jié)構(gòu)體系剛度也會顯著提高。多塔斜拉橋由于其跨度不是特別大, 處于混凝土梁和鋼混結(jié)合梁的適用范圍, 因此從經(jīng)濟性和改善體系剛度更為有利出發(fā), 宜優(yōu)先選用混凝土梁和鋼混組合梁形式。4. 斜拉-懸索協(xié)作(xizu)體系橋發(fā)展懸索橋和斜拉橋是兩種最常見的大跨徑纜索承重體系橋梁形式，但是當(dāng)這兩種橋型向更大跨徑發(fā)展時，它們各自有自己的優(yōu)點和缺點。對于懸索橋而言，當(dāng)其跨度進一步增大時，一是要修建龐大的錨碇，工程造價高；二是整體剛度隨著跨度的增加顯著降低，風(fēng)動穩(wěn)定性問題突出。對于千米級以上的斜拉橋而言，其主要缺點是:施工狀態(tài)穩(wěn)定性難以保證，斜拉索垂度效應(yīng)明顯，加勁梁軸向壓力很大，加勁梁的屈曲穩(wěn)定性問題突出，若要滿足穩(wěn)定性需求，需要增大加勁梁截面面積和高度，這是不經(jīng)濟的，同時也會導(dǎo)致拉索效率降低，除此之外，當(dāng)斜拉橋跨徑很大時，橋塔將很高，橋塔抗風(fēng)穩(wěn)定性下降，施工難度增加。鑒于以上