自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計(jì)

自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計(jì)

1自錨式懸索橋自21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)自建懸索橋發(fā)展迅速，先后設(shè)計(jì)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(lán)旗松花江橋。還有佛山平勝橋、長(zhǎng)沙三桂灘橋、紹興濱海橋和寧波海豐橋。其中，平勝橋、長(zhǎng)沙三桂橋和寧波海豐橋具有相當(dāng)大的規(guī)模。德國(guó)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(guó)于1990年建成主跨300m永宗大橋(雙層)。美國(guó)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(gòu)造尺寸龐大,對(duì)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(jiǎn)稱主梁),無(wú)需設(shè)置錨碇,突破了錨碇對(duì)于懸索橋橋式適應(yīng)性的限制。另外,自錨式懸索橋外形簡(jiǎn)潔,可結(jié)合地形取得結(jié)構(gòu)與環(huán)境的協(xié)調(diào)一致,其獨(dú)特的懸吊受力體系給人深刻印象。當(dāng)今,工程建設(shè)追求人與自然的和諧、強(qiáng)調(diào)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(jìn)橋文化建設(shè),為自錨式懸索橋的發(fā)展提供難得的歷史機(jī)遇。與地錨式懸索橋不同,結(jié)構(gòu)受力方面:自錨式懸索橋主纜錨固于主梁端部一次導(dǎo)入巨大的壓力,主梁于主纜錨固點(diǎn)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(shè)形成連續(xù)的主梁,然后借助于落梁或反復(fù)張拉吊索完成主梁自重向吊索的轉(zhuǎn)移;設(shè)計(jì)構(gòu)造上,應(yīng)考慮主纜在主梁上分束錨固設(shè)計(jì),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(jié)構(gòu)行為、施工方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的顯著特點(diǎn),因而也是自錨式懸索橋設(shè)計(jì)構(gòu)思最基本的出發(fā)點(diǎn)。2纜錨固的構(gòu)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(jià)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(gòu)造尺寸。對(duì)于城市橋梁,當(dāng)橋梁較寬時(shí),還需要借助較大的矢跨比以獲得較高的主塔高度,進(jìn)而取得加勁梁與主塔尺寸上的協(xié)調(diào),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(shè)計(jì)構(gòu)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(diào)、主纜錨固點(diǎn)處切線角對(duì)錨固構(gòu)造尺寸的要求、主梁端部壓重實(shí)施可行性綜合考慮。當(dāng)邊跨不是懸吊跨時(shí),錨固位置主纜切線角較大,錨固構(gòu)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(shí),因錨固點(diǎn)附近主纜切線角小,讓短吊索保持合適的長(zhǎng)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?yàn)樽藻^式懸索橋本身跨度不大,吊索過(guò)于稀疏與粗壯的主塔塔柱形成對(duì)比;吊索間距適度減小,單根吊索拉力則相應(yīng)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(shè)計(jì)帶來(lái)便利。3主梁縱向慣性力對(duì)自錨式懸索橋而言,無(wú)論邊跨是否為懸吊跨,主纜錨固點(diǎn)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(fù)反力顯著、或?yàn)榭拐鹪O(shè)防需要,梁端上、下游設(shè)拉壓支座,以約束梁端豎向活動(dòng)和扭角。在主塔處,一般也設(shè)置上下游拉壓支座,借以減小主梁受壓區(qū)支點(diǎn)間梁長(zhǎng),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(shí),縱向慣性力不能像地錨式懸索橋那樣通過(guò)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(shì)必經(jīng)由主纜交給主塔塔頂。在主梁端部或主塔處,一般設(shè)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(shí),主梁縱向伸長(zhǎng),由于與主纜共用梁端錨固點(diǎn),主纜的縱向位移與地錨式懸索橋截然不同,對(duì)一定的跨度布置,體系升溫時(shí)主塔塔頂向岸側(cè)位移。地錨式懸索橋由于錨碇處主纜固定不動(dòng),體系升溫時(shí),由于主纜伸長(zhǎng),塔頂向跨中移動(dòng)。4主纜導(dǎo)入成本降低自錨式懸索橋當(dāng)跨度不大,比如說(shuō)在150m以內(nèi)或更小一些,又具有滿堂支架施工主梁的條件,選用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁作加勁梁有一定的比較優(yōu)勢(shì),主纜導(dǎo)入的壓力成為主梁的預(yù)應(yīng)力,主梁本身造價(jià)得以降低、維護(hù)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(fù)載,降低其工程造價(jià)和施工難度,尤其是可簡(jiǎn)化主纜錨固構(gòu)造,降低主纜錨固設(shè)計(jì)對(duì)總體設(shè)計(jì)的制約程度。對(duì)自錨式懸索橋而言,通常由于跨度不大,抗風(fēng)顫振穩(wěn)定性不會(huì)控制主梁選型,但主梁全長(zhǎng)范圍受壓,主梁當(dāng)具備合適的豎向抗彎與抗扭剛度。5主梁結(jié)構(gòu)分析以主梁受力、運(yùn)輸條件、主纜錨固方案、施工方法為構(gòu)思依據(jù)。就受力而言,自錨式懸索橋主梁全長(zhǎng)范圍受壓,汽車與溫度荷載作用時(shí)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(wú)軸向壓力,主梁主要作為橋面系,往往不設(shè)置通長(zhǎng)的直腹板、或僅設(shè)上下斜腹板。施工過(guò)程中,無(wú)論采用頂推法或是支架拼裝,自錨式懸索橋主梁內(nèi)力不可勿視,結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定與主梁截面形式、結(jié)構(gòu)剛度習(xí)習(xí)相關(guān),主梁的局部受壓穩(wěn)定也應(yīng)予以充分重視,主梁全寬范圍內(nèi)至少設(shè)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(shè)計(jì)。如采用頂推法施工主梁,下緣全長(zhǎng)范圍設(shè)置連續(xù)支承構(gòu)造,以滿足節(jié)段通過(guò)支點(diǎn)時(shí)受力需求。選取主梁高度,以結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和橫橋向強(qiáng)度檢算為基本依據(jù)。為減小主梁受壓的自由長(zhǎng)度,在主塔處常設(shè)置拉壓支座。6主纜纜面為復(fù)合面自錨式懸索橋主纜錨固于主梁,錨固構(gòu)造尺寸受限制,主纜每根束股的鋼絲數(shù)不宜過(guò)少;另一方面,當(dāng)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(zhǎng)度的少量調(diào)整不可避免,束股端部錨頭應(yīng)保留調(diào)整長(zhǎng)度的可能性。7自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)受壓,需從主塔處連續(xù)通過(guò),主塔設(shè)計(jì)限制因素較多,尤其當(dāng)主跨跨度相對(duì)不大、橋面又較寬時(shí),為獲得主塔外形與全橋結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)一致困難較多。以紹興濱海大橋?yàn)槔?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?qū)?、橋下凈空不足、主塔相?duì)不高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)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(cè)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(jiàn)圖1。長(zhǎng)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(jì)29m。設(shè)計(jì)中為方便主纜錨固,主梁于上下游設(shè)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(guò)和主鞍座置于塔柱中間,主塔橫橋向設(shè)斜坡,主梁高程以下向內(nèi)側(cè)收攏,見(jiàn)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(shè)計(jì)中須采取措施防止主纜將地震力傳到塔頂。全橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析也以主塔穩(wěn)定作為重點(diǎn),尤其當(dāng)塔頂不設(shè)橫梁時(shí)。8吊索拉索的選用自錨式懸索橋索夾的最大特點(diǎn)是下滑力大,以主纜矢跨比1/5為例,頂部主纜切線角可達(dá)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(qiáng)螺桿數(shù)量多,索夾長(zhǎng)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(duì)索夾長(zhǎng)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(yīng)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(shè)計(jì)構(gòu)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(shè)計(jì)。吊索的選型應(yīng)考慮近主纜錨固處短吊索的實(shí)際長(zhǎng)度,端部壓重對(duì)吊索拉力的影響程度。當(dāng)采用張拉吊索方法實(shí)現(xiàn)主梁由支架承載向主纜承載轉(zhuǎn)移時(shí),吊索應(yīng)從構(gòu)造上予以適應(yīng)。9主纜束股錨固充填料錨固方案主纜錨固設(shè)計(jì)乃是自錨式懸索橋設(shè)計(jì)構(gòu)思的重中之重,甚至一定程度上決定了總體設(shè)計(jì)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(nèi)實(shí)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(shè)張拉方便易行,各橋設(shè)計(jì)構(gòu)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力梁巨大的自重平衡了主纜拉力的豎向分力。長(zhǎng)沙三汊磯湘江大橋在主梁對(duì)應(yīng)主纜錨固位置設(shè)2道縱腹板,形成箱形截面,消除了主纜拉力對(duì)箱梁腹板的偏心彎矩。紹興濱海大橋主纜拉力相對(duì)較小,在箱梁縱腹板外側(cè)設(shè)置主纜錨箱實(shí)現(xiàn)主纜分束錨固,鋼梁錨固節(jié)段內(nèi)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(guò)多個(gè)轉(zhuǎn)向鞍座實(shí)現(xiàn)主纜轉(zhuǎn)向,到達(dá)箱梁內(nèi)部錨固,改善了箱梁錨固段的受力條件。10散束套設(shè)置的依據(jù)作為懸索橋鞍座所要求的承纜槽、豎向與側(cè)向受力要求、縱向預(yù)偏功能仍然是必須的。自錨式懸索橋鞍座的顯著特點(diǎn)是由于主纜切線角大,相對(duì)于同等主纜直徑而言,鞍座的長(zhǎng)度與高度更大一些,自然豎向反力對(duì)主纜水平拉力的比值也更大。一般認(rèn)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(diǎn),錨固附近的局部受力也更復(fù)雜。與索夾相似,散束套由兩半構(gòu)成,散束點(diǎn)以上為直段、散束點(diǎn)以下呈漏斗狀。主纜架設(shè)前,在散束套前端附近安放主纜成型器,臨時(shí)固定主纜各束股的相對(duì)位置。束股架設(shè)完畢,安裝散束套,因這時(shí)各束股拉力并不大,散束套左右兩半安裝對(duì)合并不困難,之后張拉高強(qiáng)螺桿,并于架設(shè)梁段前撤除主纜成型器。11獨(dú)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(jì)入恒載內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,與地錨式懸索橋沒(méi)有太大差別。安裝計(jì)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(dú)段吊裝的條