自錨式懸索橋的結構行為與設計

自錨式懸索橋的結構行為與設計

1自錨式懸索橋自21世紀以來，中國自建懸索橋發(fā)展迅速，先后設計并建造了大連金石灘金灣懸索橋、延福哈通河局子街橋和藍旗松花江橋。還有佛山平勝橋、長沙三桂灘橋、紹興濱海橋和寧波海豐橋。其中，平勝橋、長沙三桂橋和寧波海豐橋具有相當大的規(guī)模。德國在1915年和1929年分別建成主跨184.5m的科隆—迪茲橋、主跨315m的科隆—米而海姆橋,日本于1990年建成主跨300m的此花大橋,韓國于1990年建成主跨300m永宗大橋(雙層)。美國在建的奧克蘭新海灣橋,為主跨385m單塔空間索面自錨式懸索橋。一般而言,懸索橋錨碇由于承受主纜巨大的水平力,需要有合適的地基條件,加之錨碇構造尺寸龐大,對景觀、水流造成一定影響(尤其行洪河段)。自錨式懸索橋主纜錨固于加勁主梁(簡稱主梁),無需設置錨碇,突破了錨碇對于懸索橋橋式適應性的限制。另外,自錨式懸索橋外形簡潔,可結合地形取得結構與環(huán)境的協(xié)調一致,其獨特的懸吊受力體系給人深刻印象。當今,工程建設追求人與自然的和諧、強調以人為本,城市橋梁則多要求一橋一景、利用同一河流上不同的橋式促進橋文化建設,為自錨式懸索橋的發(fā)展提供難得的歷史機遇。與地錨式懸索橋不同,結構受力方面:自錨式懸索橋主纜錨固于主梁端部一次導入巨大的壓力,主梁于主纜錨固點之間必須保持連續(xù),主纜與主梁間協(xié)同受力(其間聯(lián)系不像地錨式懸索橋那樣依靠吊索);施工順序方面,一般必須先架設形成連續(xù)的主梁,然后借助于落梁或反復張拉吊索完成主梁自重向吊索的轉移;設計構造上,應考慮主纜在主梁上分束錨固設計,主梁須具備頂推、落梁或張拉吊索的可行性。上述因素促成自錨式懸索橋在結構行為、施工方法、結構構造上的顯著特點,因而也是自錨式懸索橋設計構思最基本的出發(fā)點。2纜錨固的構造尺寸地錨式懸索橋矢跨比一般取1/9~1/12,以滿足全橋豎向剛度要求并與節(jié)省造價方面取舍;自錨式懸索橋一般跨度不大,加勁梁高跨比較大,豎向剛度往往不成為控制性因素,在此前提下采用較大的矢跨比,一則最大限度減少主纜用鋼量,二則減小主纜恒、活載拉力以方便錨固、減少主纜錨固的構造尺寸。對于城市橋梁,當橋梁較寬時,還需要借助較大的矢跨比以獲得較高的主塔高度,進而取得加勁梁與主塔尺寸上的協(xié)調,故此,主纜矢跨比通常選用1/5~1/6。邊、中跨主纜跨度比值是自錨式懸索橋總體設計構思的重要因素,需兼顧主纜近主鞍處的切線角、全橋比例協(xié)調、主纜錨固點處切線角對錨固構造尺寸的要求、主梁端部壓重實施可行性綜合考慮。當邊跨不是懸吊跨時,錨固位置主纜切線角較大,錨固構造的豎向尺寸較之主梁梁高大得多,主纜向上的分力也極為可觀;邊跨是懸吊跨時,因錨固點附近主纜切線角小,讓短吊索保持合適的長度顯得尤其重要。選用稍密的吊索間距有助于突出懸索外形的根本特征,因為自錨式懸索橋本身跨度不大,吊索過于稀疏與粗壯的主塔塔柱形成對比;吊索間距適度減小,單根吊索拉力則相應減小,由于采用較大的主纜矢跨比、主纜最大切線角常在38~39°之間,因而減小吊索拉力可為索夾設計帶來便利。3主梁縱向慣性力對自錨式懸索橋而言,無論邊跨是否為懸吊跨,主纜錨固點之間的主梁必然為三跨連續(xù)。在主梁梁端,如梁段本身重量不足以抵消主纜向上的拉力、或活載負反力顯著、或為抗震設防需要,梁端上、下游設拉壓支座,以約束梁端豎向活動和扭角。在主塔處,一般也設置上下游拉壓支座,借以減小主梁受壓區(qū)支點間梁長,改善受壓穩(wěn)定性;為避免主塔下塔柱承受縱向水平力,不宜采用塔梁固接。受地震荷載時,縱向慣性力不能像地錨式懸索橋那樣通過主纜傳遞至錨碇,如果主梁縱向采用全漂體系,縱向慣性力勢必經(jīng)由主纜交給主塔塔頂。在主梁端部或主塔處,一般設阻尼支座,一則按要求分配地震縱向力,還兼起抗震消能作用。全橋體系升溫時,主梁縱向伸長,由于與主纜共用梁端錨固點,主纜的縱向位移與地錨式懸索橋截然不同,對一定的跨度布置,體系升溫時主塔塔頂向岸側位移。地錨式懸索橋由于錨碇處主纜固定不動,體系升溫時,由于主纜伸長,塔頂向跨中移動。4主纜導入成本降低自錨式懸索橋當跨度不大,比如說在150m以內或更小一些,又具有滿堂支架施工主梁的條件,選用預應力混凝土主梁作加勁梁有一定的比較優(yōu)勢,主纜導入的壓力成為主梁的預應力,主梁本身造價得以降低、維護工作量減小。大多數(shù)情況下,采用帶正交異性板橋面、具有合理剛度的鋼加勁梁作主梁,可最大限度減小主梁自重,從而減小主纜、主塔、吊索的負載,降低其工程造價和施工難度,尤其是可簡化主纜錨固構造,降低主纜錨固設計對總體設計的制約程度。對自錨式懸索橋而言,通常由于跨度不大,抗風顫振穩(wěn)定性不會控制主梁選型,但主梁全長范圍受壓,主梁當具備合適的豎向抗彎與抗扭剛度。5主梁結構分析以主梁受力、運輸條件、主纜錨固方案、施工方法為構思依據(jù)。就受力而言,自錨式懸索橋主梁全長范圍受壓,汽車與溫度荷載作用時主梁出現(xiàn)截面彎矩,顯然與地錨式懸索橋不同。通常,地錨式懸索橋主梁恒載僅產(chǎn)生很小的彎矩、無軸向壓力,主梁主要作為橋面系,往往不設置通長的直腹板、或僅設上下斜腹板。施工過程中,無論采用頂推法或是支架拼裝,自錨式懸索橋主梁內力不可勿視,結構的整體穩(wěn)定與主梁截面形式、結構剛度習習相關,主梁的局部受壓穩(wěn)定也應予以充分重視,主梁全寬范圍內至少設置2道直腹板,除橋面板以外各板件的加勁按滿足局部穩(wěn)定要求設計。如采用頂推法施工主梁,下緣全長范圍設置連續(xù)支承構造,以滿足節(jié)段通過支點時受力需求。選取主梁高度,以結構整體穩(wěn)定和橫橋向強度檢算為基本依據(jù)。為減小主梁受壓的自由長度,在主塔處常設置拉壓支座。6主纜纜面為復合面自錨式懸索橋主纜錨固于主梁,錨固構造尺寸受限制,主纜每根束股的鋼絲數(shù)不宜過少;另一方面,當跨度不大(如紹興濱海橋)、主纜束股數(shù)很少,盡量選用規(guī)則的正六邊形,以利主纜截面成型。主纜外表面越接近圓形,索夾安裝越方便、索夾與主纜鋼絲之間的摩擦面更容易得到保證。為使主纜各束股受力均勻,束股長度的少量調整不可避免,束股端部錨頭應保留調整長度的可能性。7自錨式懸索橋結構及設計主塔高聳于江面,是自錨式懸索橋景觀控制元素,除滿足受力要求外,結構選型以景觀為基本考量。主塔塔頂承載主鞍座,受集中壓力;因主梁通長受壓,需從主塔處連續(xù)通過,主塔設計限制因素較多,尤其當主跨跨度相對不大、橋面又較寬時,為獲得主塔外形與全橋結構的協(xié)調一致困難較多。以紹興濱海大橋為例,該橋自錨式懸索橋橋面總寬38m,中跨跨度188m,主塔高67m。該橋具有橋寬、橋下凈空不足、主塔相對不高的特點,設計中采用以下措施優(yōu)化主塔外觀:①選用1/5的主纜矢跨比以增加主塔高度;②人行道從塔柱外側繞行、以減小塔柱間凈距;③塔柱直立、鞍座置于塔柱正上方;④在塔柱穩(wěn)定和橫向受力安全的前提下,取消塔頂橫梁,見圖1。長沙三汊磯湘江大橋自錨式懸索橋主跨328m、分跨為(70+132+328+132+70)m,橋面凈寬為雙向各3m寬人行道、雙向6車道23m、總計29m。設計中為方便主纜錨固,主梁于上下游設封閉箱,橋面頂板總寬33m,主纜中心線間距25m。為方便主梁全斷面從主塔中間穿過和主鞍座置于塔柱中間,主塔橫橋向設斜坡,主梁高程以下向內側收攏,見圖2。主塔受力方面,因主纜錨固于主梁,地震力不像地錨式懸索橋那樣經(jīng)主纜傳給地錨,設計中須采取措施防止主纜將地震力傳到塔頂。全橋結構穩(wěn)定分析也以主塔穩(wěn)定作為重點,尤其當塔頂不設橫梁時。8吊索拉索的選用自錨式懸索橋索夾的最大特點是下滑力大,以主纜矢跨比1/5為例,頂部主纜切線角可達38°、其正弦值0.615,即下滑力是吊索拉力的61.5%。由此,索夾高強螺桿數(shù)量多,索夾長度必然不小;另一方面,主纜矢跨比大曲率半徑必然小、主纜切線角變化快,直的索夾夾緊曲的主纜,客觀上要求對索夾長度作出限制,以保障索夾與主纜鋼絲間摩擦力,并使索夾處主纜的二次應力得到控制。鑒于自錨式懸索橋跨度通常不大、主纜外徑較小,設計構思中常采取措施減小吊索拉力,以降低主纜局部彎折程度、方便索夾設計。吊索的選型應考慮近主纜錨固處短吊索的實際長度,端部壓重對吊索拉力的影響程度。當采用張拉吊索方法實現(xiàn)主梁由支架承載向主纜承載轉移時,吊索應從構造上予以適應。9主纜束股錨固充填料錨固方案主纜錨固設計乃是自錨式懸索橋設計構思的重中之重,甚至一定程度上決定了總體設計布局。巨大的主纜拉力集中作用于主梁梁端、主纜要在有限的空間內實現(xiàn)分束錨固。圍繞保障主纜、主梁傳力順暢,主纜錨固可靠,主纜束股架設張拉方便易行,各橋設計構思各有特色。廣東平勝大橋主梁采用混合梁,主梁除端部以外為鋼箱梁,主纜錨固在端節(jié)段預應力箱梁上,束股錨固傳力得以改善,錨固凈空要求容易得到滿足,端節(jié)段預應力梁巨大的自重平衡了主纜拉力的豎向分力。長沙三汊磯湘江大橋在主梁對應主纜錨固位置設2道縱腹板,形成箱形截面,消除了主纜拉力對箱梁腹板的偏心彎矩。紹興濱海大橋主纜拉力相對較小,在箱梁縱腹板外側設置主纜錨箱實現(xiàn)主纜分束錨固,鋼梁錨固節(jié)段內腔灌注混凝土集中壓重。奧克蘭新海灣橋空間索面主纜通過多個轉向鞍座實現(xiàn)主纜轉向,到達箱梁內部錨固,改善了箱梁錨固段的受力條件。10散束套設置的依據(jù)作為懸索橋鞍座所要求的承纜槽、豎向與側向受力要求、縱向預偏功能仍然是必須的。自錨式懸索橋鞍座的顯著特點是由于主纜切線角大,相對于同等主纜直徑而言,鞍座的長度與高度更大一些,自然豎向反力對主纜水平拉力的比值也更大。一般認為,自錨式懸索橋選用散束套散開主纜更合適一些,若采用散束鞍,需要為支承散束鞍提供支點,錨固附近的局部受力也更復雜。與索夾相似,散束套由兩半構成,散束點以上為直段、散束點以下呈漏斗狀。主纜架設前,在散束套前端附近安放主纜成型器,臨時固定主纜各束股的相對位置。束股架設完畢,安裝散束套,因這時各束股拉力并不大,散束套左右兩半安裝對合并不困難,之后張拉高強螺桿,并于架設梁段前撤除主纜成型器。11獨段吊裝的能力采用非線性有限元法作全橋靜力分析、全面計入恒載內力對結構的影響,與地錨式懸索橋沒有太大差別。安裝計算需根據(jù)施工方案而定,或是張拉吊索或是落梁,不像地錨式懸索橋那樣具有獨段吊裝的條