矮塔斜拉橋研究的新進展

1、矮塔斜拉橋研究的新進展 陳從春1,周海智2,肖汝誠1 (1. 同濟大學橋梁工程系,上海200092 ; 2.同濟大學建筑設計研究院,上海200092) 摘 要:簡要敘述矮塔斜拉橋在國內外的應用及研究狀況,討論該種橋型的中文和英文關鍵詞,提出索梁恒載 比、 索梁活載比和名義剛度的概念,并對這種橋型進行界定,試圖揭示這類橋梁的力學本質,最后對該種橋型的發(fā) 展作了展望。 關鍵詞:矮塔斜拉橋;應力幅;索梁恒載比;索梁活載比;名義剛度 中圖分類號: U448. 27文獻標識碼:A文章編號:1671 - 7767(2006)01 - 0070 - 04 收稿日期:2005 - 11 - 22 作者簡介:陳

2、從春(1970 - ) ,男,博士生,1992年畢業(yè)于湖南大學公路與城市道路專業(yè),工學學士,1999畢業(yè)于武漢理工大學巖土工程專業(yè),工 學碩士。 0 引 言 隨著橋梁技術的發(fā)展,橋梁應用的兩大趨勢是 十分明顯的,即傳統(tǒng)橋梁的輕型化和組合化。組合 體系橋梁極大地豐富了橋梁造型。組合體系橋中比 較有代表性的是拱梁組合體系、 斜拉-連續(xù)梁(剛 構)體系等,其中斜拉-連續(xù)梁(剛構)體系是一種比 較新穎的橋型,近10年來應用較多,受到廣泛的關 注。普遍認為,由Christian Menn設計的建于1980 年的的甘特( Ganter)大橋,是斜拉-連續(xù)(剛構)體 系橋的先驅,其混凝土箱形梁由預應力混凝土

3、斜拉 板 “懸掛” 在非常矮的塔上,這種板可以看成是一種 剛性的斜拉索,該橋的出現(xiàn)形成了斜拉橋的一個分 支 板拉橋,由于其與環(huán)境的完美結合,成為一道 風景。甘特大橋的出現(xiàn)為其后的矮塔斜拉橋的出現(xiàn) 奠定了基礎。甘特大橋之后,又有墨西哥的帕帕加 約(Papagayo)大橋、 美國得克薩斯州的巴頓河 (Bar 2 ton Creek)大橋及葡萄牙的索科雷多斯(Socorri2 dos) 大橋等相繼建成1。 1988年法國工程師Jacgues Mathivat在設計 位于法國西南的阿勒特 達雷 (Arr t Darr)高架 橋的比較方案時,首次明確提出了矮塔斜拉橋的方 案。該方案是跨度為100 m的預

4、應力混凝土等截 面箱梁,塔、 梁固結,斜拉索穿過矮塔上的鞍座與主 梁錨固。 與此同時,1990年德國的Antonie Naaman提 出了一種組合體外預應力索橋,體外索的一部分伸 出主梁之上,錨固在墩頂處主梁的剛柱上2。這一 種體系與法國Jacgues Mathivat的方案十分類似。 目前這種橋在各國得到廣泛應用,日本已建成 此類橋梁20多座,中國大陸地區(qū)已建和在建的已達 10多座,中國臺灣地區(qū)有2座,瑞士、 菲律賓、 老撾、 帕勞群島、 克羅地亞各1座,美國珍珠港在建1座; 其中,中國在建的惠青黃河公路橋、 江珠高速荷麻溪 大橋分別達到220 m和230 m(預應力混凝土梁 ) , 蕪湖長

5、江大橋達到340 m(鋼桁梁 ) , 分別為同類橋 梁最大跨徑。 盡管這種橋梁發(fā)展很快,但仍然有很多問題沒 有很好地解決,本文將就研究的最新情況作一論述。 1 矮塔斜拉橋的稱謂 對于這種橋型的稱呼尚未統(tǒng)一,法國工程師 Jacgues Mathivat在提出他的方案時,命名為 “ex2 tra2dosed PC bridge”,直譯為 “超劑量預應力混凝土 橋梁”;日本工程界一直采用這種名稱(? ? ? ? ? ) ; 在美國,這種橋有稱為 “extra2dosed PC bridge” 的,也有稱為 “extradosed cable2stayed bridge” 的;在我國臺灣,最初將這種結

6、構稱為 “外置 預應力橋”,后來根據(jù)其外形類似恐龍高聳的脊背, 而稱為 “脊背橋” 、“拱背橋” 。國內的稱呼一直存在 爭論,學者嚴國敏將其稱為 “部分斜拉橋”,理由是這 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,斜拉索主要起體外預應力的作 用;王伯惠、 顧安邦、 徐君蘭等學者認為應該稱為 “矮 塔斜拉橋”,而 “部分斜拉橋” 不夠明確,沒有道出其 外在的形狀與內在的結構特征,早期的稀索結構也 有 “部分” 的性質。 目前,這種體系與最初相比又豐富了很多,主梁 不僅采用預應力混凝土結構,還可采用鋼結構(如中 國的蕪湖長江大橋 ) , 以及鋼與混凝土的組合結構 (如波形鋼腹

7、板梁及結合梁 ) , 不僅可以采用剛性梁, 07世界橋梁2006年第1期 也可以采用柔性梁如瑞士的森尼貝格(Sunniberg) 橋 ,所以無論是英文的 “extra2dosed PC bridge”,還 是中文的 “超劑量預應力混凝土橋梁” 、“外置預應力 橋” 都不合適;而 “脊背橋” 、“拱背橋” 使人有一種 “拱、 梁、 吊” 體系以外的誤解,而這種橋型不過是索 梁的一種組合體系;另外,對這種塔、 梁、 索組成的組 合結構來說,塔高的變化,直接影響索、 梁的受力。 因此,“矮塔斜拉橋” 是比較貼切的稱呼,不僅從外 形上概括了這種結構最主要的特征,而且能將其與 常規(guī)斜拉橋分開,而不會發(fā)生

8、歧義,也能為工程界接 受。同樣基于上述的原因,認為比較合適的英文名 稱是 “extradosed cable2stayed bridge”,既有繼承, 也有揚棄。 2 矮塔斜拉橋的界定 橋梁結構的基本形式,根據(jù)主要受力構件分為 3種,即梁式橋、 拱式橋和索式橋。由幾個不同體系 的結構組合而成的橋梁稱為組合體系橋,斜拉橋就 是一種主梁與斜纜相結合的組合體系,塔、 梁、 索是 主要結構。懸掛在塔上的斜纜和吊扣的主梁緊密協(xié) 作,使主梁像多點彈性支承的連續(xù)梁一樣工作,在這 個體系里,塔成為索、 梁兩個基本構件協(xié)作受力的關 鍵。改變塔的高度,就會改變索、 梁兩個基本構件受 力的協(xié)作關系。這就是矮塔斜拉橋

9、的本質,同時也 成為最重要的特征之一。另外,由于塔高的變化致 使索、 梁受力分配的變化,根據(jù)國內外已建斜拉橋的 資料可以看出,斜拉橋的塔高為跨度的1/ 51/ 4 , 而矮塔斜拉橋的塔高約為跨徑的1/ 121/ 8 ,后者 約為前者的1/ 21/ 3。 關于矮塔斜拉橋,日本對此作了較多研究。山 崎淳,山縣敬二等(1995)提出了兩個指標來描述矮 塔斜拉橋的特征,即和 3 : 為纜索豎向剛度與主梁剛度的比值: = i (1/si) / (1/Gmax) = i EciAcisin2/ Lci EGIG/ LG3 (1) 式中,si為i號纜索單位張力的伸長量的豎直分量; Gmax為該纜索處主梁在單

10、位豎向力作用時的豎向位 移;Eci、Aci、Lci、i分別為第i根索的彈性模量、 截面 積、 長度、 角度;EG、IG、LG分別為主梁的彈性模量、 截面慣性距、 中孔跨度。 為豎直荷載分擔比例: = 纜索分擔的豎直荷載 全部豎直荷載 100(%)(2) 圖1為矮塔斜拉橋、 斜拉橋的應力變幅隨變 化的情況。山崎淳,山縣敬二等認為,等于30 %為 矮塔斜拉橋和斜拉橋的分界點,小于30 %時為矮塔 斜拉橋,反之則為常規(guī)斜拉橋。圖1的研究表明,矮 塔斜拉橋拉索的應力變幅在50 MPa以下,而常規(guī) 斜拉橋拉索的應力變幅在50 MPa以上。 圖1 應力變幅隨變化情況 但拉索豎向荷載分擔率的概念是不夠明確

11、的,因為對于斜拉體系橋梁來說,活載索力由結構剛 度分配,而恒載索力由人為確定,不同的優(yōu)化方法得 出來的索力是不一樣的。換句話說,對同樣參數(shù)的 結構,可得出不同的拉索豎向荷載分擔率 。所以 不能以拉索豎向荷載分擔率來界定矮塔斜拉橋。 盡管索力是與人為因素有關,但索力的應力幅 只與結構參數(shù)有關,應力變幅大小又是決定拉索容 許應力的惟一因素,這正是矮塔斜拉橋與斜拉橋不 同的地方。因此,可以用應力變幅來界定矮塔斜拉 橋。日本學者研究表明,日本的矮塔斜拉橋大都在 50 MPa ,國內矮塔斜拉橋中,漳州戰(zhàn)備大橋為42 MPa ,蘭州小西湖黃河大橋為84. 5 MPa ,吳淞江大 橋為82. 3 MPa。而

12、斜拉橋一般最大應力幅都達到 150 MPa?？梢?矮塔斜拉橋的最大應力幅一般為 常規(guī)斜拉橋的1/ 21/ 3。 因此,矮塔斜拉橋是一類塔高約為跨度的1/ 8 1/ 12 ,應力幅值一般為常規(guī)斜拉橋的1/ 21/ 3的 斜拉體系結構。 3 索梁恒載比和索梁活載比的概念 矮塔斜拉橋的荷載分為恒載與活載,恒載狀態(tài) 下的索力由設計狀態(tài)確定,而活載狀態(tài)下的索力由 結構參數(shù)確定。雖然決定索力的方法不一樣,但索 力的豎向分量總是存在的,因此提出索梁荷載比的 概念來研究其力學行為。 索梁荷載比定義為: = 纜索分擔的豎直荷載 主梁分擔的豎直荷載 (3) 17矮塔斜拉橋研究的新進展 陳從春,周海智,肖汝誠 對應

13、于恒載狀態(tài),可以稱為索梁恒載比;對應于 活載狀態(tài),可以稱為索梁活載比。 3. 1 經(jīng)濟索梁恒載比 由于恒載狀態(tài)下的索力由設計狀態(tài)確定,所以 只有確定矮塔斜拉橋的恒載狀態(tài),索梁恒載比才是 惟一確定的。 對于矮塔斜拉橋,在眾多的恒載索力中,必然有 一種狀態(tài)的索力使得(上部)結構造價最小,稱之為 經(jīng)濟索力。這個狀態(tài)下的索梁恒載比稱為經(jīng)濟索梁 恒載比。 經(jīng)濟索梁恒載比有助于研究矮塔斜拉橋的拉索 與梁體的預應力鋼筋的最佳比例。 3. 2 索梁活載比 索梁活載比由結構參數(shù)決定,因此根據(jù)矮塔斜 拉橋的各部分的結構尺寸,就可以計算出索梁活載 比,而不必進行有限元分析。拉索的應力變幅也是 由結構參數(shù)決定的,需要

14、通過有限元分析才能確定。 可以通過研究索梁活載比來研究其應力變幅。 根據(jù)各種體系的(矮塔)斜拉橋的邊界條件不 同,筆者將其分別比擬為梁式結構,可以推導出索梁 荷載比的公式。 等效的思路是:當均布荷載q作用在矮塔斜拉 橋全橋時,q可以看作兩部分:一部分由纜索承擔 (q c ) , 一部分由主梁承擔(qG ) , 由纜索承擔的部分qc 應該在數(shù)值上等于纜索的豎向分力,但方向相反,如 果把拉索的豎向分力等效成均布荷載作用在主梁 上,則將會與qc抵消,主梁上將只有均布荷載qG的 作用,這時矮塔斜拉橋就可以近似看作受均布荷載 作用的梁式橋。 對于塔梁墩固結的多跨體系,可以看作是多跨 的兩端固結梁;塔梁固

15、結和塔墩固結的多跨體系可 以看作是多跨連續(xù)梁;塔梁墩固結的兩跨體系,可以 看作是一端固結、 一端鉸接的雙跨梁。根據(jù)索梁變 形協(xié)調,可以導出: = qc qG = i EciAciisin2cos EGIG (4) 式中,Eci、Aci、i分別為第i根索的彈性模量、 截面 積、 角度;EG、IG分別為主梁的彈性模量、 截面慣性 距;i為拉索在主梁上的布置參數(shù),與跨徑和支承條 件有關。 從上式可以看出,當拉索面積、 間距、 主梁剛度 及邊界條件都相同時,索梁活載比由拉索的傾角 確定。 4 名義剛度的概念 在豎直荷載作用下,矮塔斜拉橋的撓度由4部 分組成:主梁的撓度、 拉索的彈性變形引起的位移、 主

16、塔的轉動引起的主梁豎向位移,以及塔的彈性壓 縮。根據(jù)比擬梁的思想,可以把前二者綜合起來考 慮,同時由于塔的彈性壓縮較小而忽略。 矮塔斜拉橋是高次超靜定結構,要精確求出其 幾何剛度是困難的,取塔和主梁剛度之和為名義 剛度: = ( 1/T) + (1/Gmax)(5) 式中,Gmax為主梁在單位豎向力作用時的最大撓度; T為主塔在單位水平力作用下,因轉動而引起的主 梁豎向位移。塔上荷載作用點由主梁Gmax處通過 拉索對應。 根據(jù)前面提出的比擬梁法,同時把塔看作彈性 支承的懸臂梁,可以導出矮塔斜拉橋的名義剛度: = ( 1/T) + (1/Gmax) = EcAcsin2tg Lc + nETIT

17、 L3Gtg2 + mEGIG L3G (6) 式中,Ec、Ac、Lc、分別為鄰跨尾索的彈性模量、 截 面積、 長度、 角度;EG、IG、LG分別為主梁的彈性模 量、 截面慣性距、 中孔跨度;ET、IT分別為塔的彈性 模量、 截面慣性距;為主梁最大位移處拉索的傾 角;m、n為由主梁邊界條件決定的系數(shù)。塔梁墩全 固結時,m= 192、n= 24 ;塔梁墩一端固結、 一端鉸接 時,m= 107. 3 ,n= 17. 74 ;墩、 梁為支承體系,邊跨與 中跨比例為0. 5時,m= 109. 7 ,n= 24 ;墩、 梁為支承 體系,邊跨與中跨比例為0. 6時,m= 103. 4 ,n= 24。 觀察

18、式(6)可以看出,要減小斜拉橋體系中跨的 撓度,有3種途徑:增加背索的尺寸(常規(guī)斜拉橋采 用的途徑)、 增加塔的剛度(森尼貝格橋采用的方法, 即剛塔柔梁)、 增加主梁的剛度(現(xiàn)在常用的剛梁柔 塔類矮塔斜拉橋)。 名義剛度的變化可以區(qū)分剛梁柔塔和柔梁剛塔 兩類矮塔斜拉橋。 5 矮塔斜拉橋的發(fā)展趨勢 近期矮塔斜拉橋的發(fā)展有4個方面值得注意: (1)跨徑不斷增大。早期建成的矮塔斜拉橋的 跨徑都不大。預應力混凝土結構的矮塔斜拉橋,日 本最大跨徑的是沖原橋和蟹澤大橋,為180 m ,菲律 賓第二曼達-麥克坦大橋為185 m ,國內的蘭州小 27世界橋梁2006年第1期 西湖黃河大橋為136 m ;而預應

19、力混凝土與鋼的混 合結構,最大跨徑是日本的木曾川橋,為275 m。國 內目前正在將這一跨徑向前推進,在建的山東惠青 黃河公路大橋,是預應力混凝土結構,主跨為220 m ,而在建的江珠高速荷麻溪特大橋主跨為230 m。 對比連續(xù)剛構橋,預應力混凝土結構的矮塔斜拉橋 在350 m仍然具有競爭力。 (2)主梁結構多元化。主梁結構由早期的預應 力混凝土結構發(fā)展為混凝土和鋼的混合結構、 波形 鋼腹板的結合梁以及鋼桁梁等。日本的木曾川橋和 揖斐川橋,是最早采用混凝土和鋼的混合結構矮塔 斜拉橋。兩座橋的跨徑布置分別為(160 + 3275 + 160) m、(154 + 4271. 5 + 127) m。以

20、木曾川橋為 例,275 m的跨,靠近橋塔87. 5 m為預應力混凝土 箱梁,跨中110 m為鋼箱梁,接頭位置在上翼緣受 壓的正彎矩區(qū)段內。 波形鋼腹板箱形梁也在日本早有應用,而應用 于矮塔斜拉橋則是在栗東橋和日見橋4。主梁的頂 板和底板都采用混凝土,腹板采用制成波浪形的鋼 板,混凝土板內不配或配有少量的預應力鋼筋,而以 體外預應力鋼筋為主。波形鋼腹板箱梁的特點是可 以顯著減少結構的自重。 (3)主梁結構的輕薄化。主梁的高度是根據(jù)受 力來確定的,矮塔斜拉橋的主梁內力可以用斜拉索 進行調整,而不像連續(xù)剛構橋僅由跨徑?jīng)Q定,因此主 梁尺寸的靈活性要大一些。由于梁過于笨重之后一 定程度上影響景觀,所以目

21、前有輕薄化的趨勢。日 本的栗東橋和日見橋都采用等截面,沒有在根部增 大梁高,國內的廈門銀湖大橋也基本上是等截面的。 最值得推崇的是瑞士森尼貝格橋5,主跨為140 m , 主梁采用肋板式梁,跨中板高0. 32 m ,塔根部板高 0. 4 m ,兩個邊肋高為0. 80 m ,高跨比只有1/ 175。 由于輕柔主梁的結構更符合人們的審美觀點,受到 人們的喜愛,因此,理應得到推廣。遺憾的是,目前 國內還沒有一座柔性梁的矮塔斜拉橋。 (4)索、 塔錨固構造多樣化。常規(guī)斜拉橋的拉 索一般采取在主塔上設錨具直接錨固的方式,而矮 塔斜拉橋則采用鞍座來固定拉索。鞍座的常用形式 是兩根內外相套的鋼管。但現(xiàn)在矮塔斜

22、拉橋也有采 用錨具方式錨固的。二者各有優(yōu)缺點。除此之外, 最近有一種集束管式錨固方式,這種錨固方式是將 每一束鋼絞線穿入一個小鋼管,如圖2所示,然后將 圖2 集束管構造示意 這些鋼管并列焊在一起,固定在塔上。 這種錨固方式克服了以往套管式鞍座中索股不 能固定成形的情況,有一定的優(yōu)勢,但效果還需檢驗。 6 結 語 (1)矮塔斜拉橋是介于連續(xù)剛構和斜拉橋之間 的一種橋型,建議其中文名稱采用矮塔斜拉橋,對應 的英文名稱采用 “extradosed cable2stayed bridge” 。 (2)矮塔斜拉橋和斜拉橋結構的區(qū)別在于前者 的塔比較矮(約為跨徑的1/ 12 1/ 7) 以及索的應力 變幅

23、較小(主要組合下不超過80 MPa)。 (3)索、 梁荷載比和塔、 梁剛度比這兩個概念能 比較直觀地反映矮塔斜拉橋和斜拉橋結構的力學本 質,而索梁荷載比為40 %是界定矮塔斜拉橋和斜拉 橋的分界點。 (4)柔梁剛塔型的矮塔斜拉橋是一種很有前景 的橋型,應得到廣泛的應用。 (5)混凝土和鋼的混合結構、 波形鋼腹板的結 合梁比較有優(yōu)勢,值得推廣。 參 考 文 獻: 1申明文.部分斜拉橋靜力性能研究(碩士學位論文) D.上海:同濟大學, 2002. 2王伯惠.斜拉橋結構發(fā)展和中國經(jīng)驗M.北京:人民 交通出版社, 2003. 3山崎淳,山縣敬二,春日昭夫,等,斜材 ? ? ? - 造特性J . 梁 基

24、礎,1995 ,12 :33 - 38. 4小宮正久.? ? ? ? ? 道路 設計 関 - 考察J .土木工程學 論文集,1995 ,516 (VI227) :27 - 39. 5胡 南 譯.瑞士Klosters鎮(zhèn)Sunniberg橋J .國外公路, 1997 ,17(5) :39 - 41. (下轉第80頁) 37矮塔斜拉橋研究的新進展 陳從春,周海智,肖汝誠 造價低25. 2 %。 5 結 論 (1)土工格柵加筋土擋墻屬柔性結構物,比重 力式擋墻更能適應地基輕微變形,在不良地基處采 用具有結構上的優(yōu)勢。 (2)重力式漿砌塊石擋墻其圬工體積大,造價 較高,對石料緊張的城市道路工程來說,土工

25、格柵加 筋土擋墻具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢。 (3)組成土工格柵加筋土擋墻的面板可預先制 作,然后在現(xiàn)場安裝,因此施工簡單、 快速,但必須控 制施工質量。 (4)土工格柵加筋土擋墻造型美觀,作為城市 人文景觀,具有很好的社會效益。 參 考 文 獻: 1陸士強,王 釗,劉祖德,等.土工合成材料應用原理 M.北京:水利電力出版社,1994. 2 J TJ 035 - 91 ,公路加筋土工程施工技術規(guī)范S. 3王 進,張曉紅.土工格柵加筋支擋結構在三峽庫區(qū)港 口建設中的應用J .吉林大學學報(地球科學版 ) , 2004 ,(7) :163 - 165. Application of Geogrid Rein

26、forced Soil Retaining Wall to Guanshan Road No. 2 Interchange Project WANG J i2lian1, L I Lu2ping1, YUAN Pei2jin2 (1. Wuhan Engineering Company , China Zhongtie Major Bridge Engineering , Inc., Wuhan 430050 , China ; 2. Administration of Highways , Jining City , Shandong Province , Jining 272600 , C

27、hina) Abstract : By way of example of Guanshan Road No. 2 Interchange Project on the Third Ring Road , Wuhan City , the construction process of geogrid reinforced soil retaining wall used for the project is presented in considerable details , the control of construction quality of the retaining wall

28、 is illustrated , and the economy of the wall is analyzed and compared to that of the gravity re2 taining wall made up of stone blocks and cement mortar. The presentations in the paper are of practical significance to popularize application of the geogrid reinforced soil retaining walls. Key words : geogrid ; reinforced soil retaining wall ; quality control ; economy comparison (上接第73頁) Recent Research Advancement o