《廣義結(jié)構(gòu)力學(xué)及其工程應(yīng)用》陳燊

PAGEPAGE10第三篇工程應(yīng)用第16章結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)§16．１輕型樁框式橋臺(tái)工程背景橋梁墩臺(tái)輕型化是近代國(guó)內(nèi)外橋梁工程界的主要討論課題。各國(guó)橋梁建設(shè)的飛快進(jìn)展，不僅反映在上部結(jié)構(gòu)的新穎造型上,還反映在下部結(jié)構(gòu)的輕型化和合理化上。五十年月以來(lái),橋墩和梁橋橋臺(tái)的輕型化取得進(jìn)展,消滅了埋置式和鋼筋混凝土薄壁臺(tái)。在拱橋方面，由于存在強(qiáng)大的水平推力，仍多用重力式U臺(tái),后來(lái)也消滅了適用于中小跨徑和淺基礎(chǔ)的八字形,背撐式和靠背框架式橋臺(tái),還有空腹式和齒檻式橋臺(tái).用于深基礎(chǔ)的有組合式橋臺(tái)，這里,樁基以承受豎向力為主，水平推力則主要由后座基底摩阻力及臺(tái)后土側(cè)壓力來(lái)平衡。在地基土質(zhì)較差時(shí)，后座基礎(chǔ)還得適當(dāng)處理,因此不是實(shí)際意義上的輕型橋臺(tái)。福建省沿海地區(qū)多屬基巖深埋的淤泥軟土地質(zhì),山區(qū)也存在不少斷層坡積的不良地質(zhì)條件，樁基的使用是第一選擇.但長(zhǎng)期以來(lái)，樁基僅作為基礎(chǔ)看待，而不是作為樁結(jié)構(gòu)物體系的一個(gè)主要承力構(gòu)件。為協(xié)作自重輕，造型美觀的剛架拱等新橋型設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)力學(xué)構(gòu)思和分析計(jì)算，提出拱橋樁框式輕型橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案[１］。設(shè)計(jì)原則（1）傳遞荷載路徑最短結(jié)構(gòu)的主要作用在于支承荷載,并把它傳遞到地基。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一就是考慮如何使傳力路徑盡可能短，越是簡(jiǎn)捷，效率越高,材料就越省.(2）各構(gòu)件截面應(yīng)力圖面積最大結(jié)構(gòu)全部構(gòu)件截面的應(yīng)力圖總面積最大，則材料將得到充分利用，如桁架桿,工字梁等。因而,要節(jié)省材料,降低造價(jià)，勢(shì)必采納合理結(jié)構(gòu)和合理構(gòu)件截面。（3）按結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)選擇材料結(jié)構(gòu)所用材料不同，其力學(xué)性能也就不同,有時(shí)差異甚大。高強(qiáng)鋼耐拉、省材卻容易失穩(wěn)；混凝土耐壓卻怕拉;鋼筋混凝土，預(yù)應(yīng)力混凝土普適性好,但屬?gòu)?fù)合性材料，需要考慮不同材料的性能，計(jì)算也較簡(jiǎn)潔;還有些材料性能雖好，價(jià)格卻無(wú)法接受。因此,材料的選擇要與使用條件、設(shè)計(jì)要求及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相全都.（４)發(fā)揮結(jié)構(gòu)體系的整體功能高次超靜定結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)受力范圍大，易于通過(guò)調(diào)整、優(yōu)化實(shí)現(xiàn)內(nèi)力重分布，有利于削減內(nèi)力峰值和平緩變形。但應(yīng)注意削減局部應(yīng)力和次應(yīng)力。（５)挖掘主要受力構(gòu)件的潛力主要受力構(gòu)件成本高，不宜多。合理設(shè)計(jì)應(yīng)注意發(fā)揮其在不同場(chǎng)合、不同結(jié)構(gòu)體系中的力學(xué)性能,以達(dá)到節(jié)省材料的目的。樁框結(jié)構(gòu)體系樁框式輕型橋臺(tái)（圖1６。1。1)能充分發(fā)揮樁框結(jié)構(gòu)體系的整體承載(尤其承受水平荷載）能力.在計(jì)算中,應(yīng)討論分析結(jié)構(gòu)在拱座荷載和土抗力作用下，樁、框架、承臺(tái)梁、土的相互作用.該結(jié)構(gòu)體系的主要構(gòu)造如下：（１)空間框架由壓桿(斜撐梁），拉桿(聯(lián)系梁）和前后排樁組成三角框架，橫向由前后承臺(tái)梁和橫隔板聯(lián)結(jié)，形成一個(gè)空間框架。（２）前后承臺(tái)梁由塊狀承臺(tái)轉(zhuǎn)變成梁狀承臺(tái),大大削減了圬工數(shù)量。后承臺(tái)梁作為深埋的地基梁，同時(shí)起到施加土側(cè)壓力的后擋板作用．前承臺(tái)梁上設(shè)拱座,如果受樁距限制,橫向樁數(shù)少于拱座,承臺(tái)梁成為斜彎曲的連續(xù)梁，承臺(tái)梁的設(shè)計(jì)還要考慮薄壁臺(tái)身的橫向作用。如果拱座與樁—一對(duì)應(yīng)，傳力路徑會(huì)更短。圖16．1。1樁框式輕型橋臺(tái)圖1６.1.２結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖(3）柔性樁縱向前后兩排柔性樁間距較大，樁頂與拉壓桿和承臺(tái)梁剛結(jié)，形成空間框架的一部分，等代固端樁長(zhǎng)由樁的局部分析決定.樁采納線彈性地基反力法計(jì)算。（4)前擋土板由于前承臺(tái)梁高出地面，需在樁間設(shè)置擋土板以擋住臺(tái)后填上.除作臺(tái)前裝飾外,可利用臺(tái)前臺(tái)后靜土壓力差，抵抗拱腳的水平推力。（5）薄壁臺(tái)身前承臺(tái)梁上的薄壁臺(tái)身類似梁橋薄壁橋臺(tái)的臺(tái)身,用以擋住臺(tái)后填土，支持兩端的耳墻，并將部分豎向荷載傳遞給樁基。臺(tái)帽與剛架拱弦桿錨栓連結(jié),作為對(duì)臺(tái)身的支撐,視為一次超靜定，可偏平安取單寬懸臂梁驗(yàn)算。(6）超常耳墻為使橋臺(tái)輕型化，原U臺(tái)的側(cè)墻簡(jiǎn)化為兩側(cè)的超常耳墻，墻頂長(zhǎng)度大大超過(guò)梁橋埋置式橋臺(tái)的耳墻.耳墻與臺(tái)身和承臺(tái)梁頂固結(jié)，協(xié)同臺(tái)身?yè)跬?。在臺(tái)內(nèi)和錐坡填土未到位前,墻根的應(yīng)力按三角形懸臂梁（板）驗(yàn)算,用純?nèi)问綉?yīng)力函數(shù)可求得彈性力學(xué)解.兩側(cè)錐坡，圍擋墻作為橋臺(tái)的附屬結(jié)構(gòu)。分析方法與構(gòu)造措施樁框式輕型臺(tái)作為空間框架形式受力,發(fā)揮高次超靜定結(jié)構(gòu)體系的整體力學(xué)性能.但橋臺(tái)為橫向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu),且以縱向受力為主，因此,可在縱向取半結(jié)構(gòu),甚至分片取平面框架體系分析,以簡(jiǎn)化計(jì)算（圖16。１。2）。兩側(cè)的平面框架應(yīng)考慮耳墻作用，土壓力和拱推力按安排荷載施加。臺(tái)后在前承臺(tái)梁下計(jì)算靜土壓力;臺(tái)后在薄壁臺(tái)身一段偏平安地按主動(dòng)土壓力計(jì)算；臺(tái)前地面以下須計(jì)反向靜土壓力。為確保輕型橋臺(tái)的平安，設(shè)計(jì)中應(yīng)采納一系列構(gòu)造措施，留有足夠的平安儲(chǔ)備?？刹杉{繞樁身頂部開挖深2米的圓形坑，換填級(jí)配砂石或灰土等低壓縮性材料并夯實(shí)，以提高m值;后承臺(tái)梁的后測(cè)與土壁間隙也同樣回填灰土并夯實(shí)，以增強(qiáng)后擋板效果；橫系梁基底表層夯填1５ｃm左右的碎石墊層，以增加梁底摩阻力。輕型橋臺(tái)的三角框架穩(wěn)定性好,傳力合理，嵌固樁頂并產(chǎn)生有利的反向彎矩.由于框架的整體作用，前樁安排荷載略少于后樁,但前排樁頂水平位移卻略大于后排樁頂水平位移.對(duì)于某實(shí)際工程計(jì)算，最大水平位移為0。7ｃｍ,在平安范圍之內(nèi)。該新型橋臺(tái)“將好鋼用在刀刃上"，與重力式橋臺(tái)相比，大幅度削減混凝土數(shù)量,因而具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果［2］?！欤?。2混凝土懸索橋●懸索橋進(jìn)展概況懸索橋（或稱吊橋SusｐeｎsionＢriｄge）通常由上部結(jié)構(gòu)(包括鋼纜、塔、加勁梁及吊桿）和下部結(jié)構(gòu)(包括支承塔的橋墩、錨固鋼纜的錨碇、錨臺(tái)）組成.加勁梁(包括行車和行人的橋面系）懸吊在鋼纜(也稱大纜或主索)上，鋼纜兩端用錨碇固定。錨碇用大體積混凝土做成,或置于地面,或深埋于地下,或固結(jié)于沉井基礎(chǔ)之內(nèi),或利用橋頭地形錨固于山崖巖層之中，統(tǒng)稱為地錨;還有將鋼纜錨固于加勁橋面系，常稱為自錨。通常還建筑兩個(gè)高塔為鋼纜供應(yīng)中間支承,塔、墩多為固結(jié)，甚至融為一體.懸索橋的承重主要通過(guò)鋼纜及其支承錨固系統(tǒng)傳遞給大地，因此，懸索橋的跨越能力格外大，目前跨徑超1０00m的橋型非懸索橋莫屬，跨徑在６00m上下時(shí)也頗具競(jìng)爭(zhēng)力。懸索橋的進(jìn)展可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。依據(jù)史書記載,古代懸索橋起源于我國(guó)西部山區(qū)深壑的溜索，利用自然高差溜索過(guò)人。雖是單索,卻屬以索承載的橋。以后進(jìn)展為多索，側(cè)索攀扶，平行索面上鋪板形成懸鏈線形的橋面,供人畜通過(guò).藤、竹索是初期造懸索橋的好材料，但不耐久，隨著鐵器時(shí)代的到來(lái)才逐漸被鐵鏈索所取代.懸鏈線形橋面不便行車,于是多索系統(tǒng)被古人分成兩組,分置兩側(cè)再垂掛若干吊索，懸吊起一個(gè)較為水平的橋面系(包括邊梁和橋面板）,進(jìn)展為古代的懸索橋。有文獻(xiàn)記載，早在公元前５0年(漢宣帝甘露４年)，我國(guó)四川就消滅了跨長(zhǎng)百米的鐵索橋。此時(shí)中國(guó)的懸索橋走在世界前面。進(jìn)入1９世紀(jì)后,經(jīng)歷文藝復(fù)興和資產(chǎn)階級(jí)革命的歐洲,格外是英國(guó)，修建了不少跨度稍大于中國(guó)古橋的懸索橋.獨(dú)立后的美國(guó)也緊隨其后修建了一批鐵索橋，并消滅了銅絲、鐵絲纜索橋。隨著大城市的興起,美國(guó)人在紐約市東河上花了40年時(shí)間完成幾座跨度在450～４90m的鋼纜懸索橋，消滅了具有現(xiàn)代意義的懸索橋.２０世紀(jì)３0年月又相繼建成跨度超千米的華盛頓橋（主跨10６7ｍ)和金門橋（主跨12８０m，保持跨度紀(jì)錄27年)。但Tacoｍa橋的風(fēng)毀（見第２0章),使懸索橋的進(jìn)展臨時(shí)擱淺.半個(gè)世紀(jì)后，美國(guó)從毀橋陰影中走出來(lái),再一次刷新世界跨度紀(jì)錄，并形成了以鋼桁架加勁大跨懸索橋的美國(guó)風(fēng)格。英國(guó)在２０世紀(jì)6０年月以后引進(jìn)美國(guó)技術(shù),于1964年建成跨徑10０6ｍ的福斯公路懸索橋，并做出兩點(diǎn)改進(jìn)：鋼主塔采納具有加勁肋條的大型鋼板焊接而成,以削減用鋼量;橋面板采納鋼正交異性板（而不是鋼筋混凝土板)以減輕恒載。1966年建成的塞文橋結(jié)合抗風(fēng)討論成果，推出流線型扁平全焊連續(xù)鋼箱代替美國(guó)式懸索橋中的高大鋼桁架加勁梁，削減用鋼量又獵取良好的抗風(fēng)性能;另外還采納斜吊索,以提高全橋剛度和結(jié)構(gòu)阻尼。但這給吊索、鋼箱帶來(lái)的疲憊損壞卻是始料不及的。盡管如此，塞文橋首創(chuàng)了英國(guó)式懸索橋。１９81年英國(guó)建成當(dāng)時(shí)世界第一大跨度（主跨１410m）的恒比爾懸索橋，把英國(guó)式懸索橋進(jìn)展推向顛峰.堪稱現(xiàn)代懸索橋之鄉(xiāng)的日本，對(duì)美英風(fēng)格兼收并蓄，以美式為主.它起步雖晚,進(jìn)展卻很快.日本懸索橋的進(jìn)展主要是通過(guò)本州四國(guó)聯(lián)絡(luò)橋的修建開頭的。本四聯(lián)絡(luò)線中有22座大橋，其中11座是懸索橋.在積累了豐富的建橋閱歷后,于1998年建成了令世人矚目的明石海峽大橋（主跨達(dá)19９0m)，寫下了2０世紀(jì)的懸索橋跨度世界紀(jì)錄.20世紀(jì)7０年月，丹麥也充分汲取美國(guó)式和英國(guó)式懸索橋的優(yōu)點(diǎn)，形成了獨(dú)特的丹麥懸索橋風(fēng)格，其主要特點(diǎn)是:采納豎直吊桿、流線型扁平鋼箱梁加勁，既保存了鋼箱梁的抗風(fēng)優(yōu)點(diǎn),又避開使用有爭(zhēng)議的斜吊桿。由于結(jié)構(gòu)合理，用鋼量省,造價(jià)低，丹麥?zhǔn)綉宜鳂蝻@示了強(qiáng)勁的進(jìn)展勢(shì)頭,接連建筑了幾座主跨上千米的超級(jí)橋，１997年大貝爾特橋以主跨16２4ｍ打破恒比爾橋保持了16年的跨度世界紀(jì)錄，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷一年之久。中國(guó)現(xiàn)代懸索橋建設(shè)如同異軍突起。五年之內(nèi)，相繼建成西陵、虎門、宜昌、江陰、青馬等１１座大跨度懸索橋?，F(xiàn)正滿懷信心地建設(shè)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋(主跨1４9０m），規(guī)劃設(shè)計(jì)青島海灣大橋(主跨1６5２ｍ）。丹麥?zhǔn)綉宜鳂驅(qū)^起直追的中國(guó)現(xiàn)代懸索橋的影響不行低估。我國(guó)的虎門大橋(主跨８８8m)、江陰長(zhǎng)江公路橋(主跨１385m)和香港青馬大橋(主跨1３７7ｍ）均借鑒了丹麥風(fēng)格.各國(guó)懸索橋進(jìn)展道路盡管各不相同，但有一點(diǎn)卻是共同的，那就是立足于本國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。今日，日本的明石海峽橋以接近2０0０m的跨度獨(dú)占鰲頭，但跨度達(dá)３３００m的意大利墨西拿海峽橋正呼之欲出,主跨5000m的直布羅陀海峽懸索橋方案也有人問(wèn)津。大跨度懸索橋盡管耗資驚人，但畢竟是國(guó)家綜合實(shí)力和科技水平的重要標(biāo)志。●混凝土懸索橋型式混凝土懸索橋指以鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土為加勁梁的懸索橋，也有自錨式和地錨式兩種基本形式［3]。最早消滅在上世紀(jì)20年月，在５０年月有所進(jìn)展,至今修建得還不多，目前在跨度上中國(guó)處于領(lǐng)先地位.福建省混凝土懸索橋的建筑與進(jìn)展鮮為人知，198３年建成跨閩江、連接九峰山公園的南平九峰山橋，該橋全長(zhǎng)32５。3m,主跨徑為200m,橋面凈寬4ｍ，為柔性人行橋。由于橋址位于三江交匯處，江面風(fēng)、颮線風(fēng)的瞬時(shí)陣風(fēng)可達(dá)1２級(jí)以上.該橋主索每側(cè)由10根Ａ3φ3３鋼索組成,加勁斜拉索每側(cè)4根,材料也為A３φ33鋼索?？癸L(fēng)主索由2根A3φ3３鋼索穿過(guò)橋面中央挑臺(tái)下的外伸橫梁的滑槽,固定于兩岸墩塔的伸臂框架上.北塔高4６。9４m,南塔高4６。27ｍ,塔架用鋼筋混凝土澆筑，塔墩及引道擋土墻則用片石混凝土澆筑。吊桿用A３φ32鋼索，每側(cè)65根.橋面系由工字鋼橫梁、縱梁和預(yù)制鋼筋混凝土空心板組成，橋面設(shè)２%縱坡。該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是依據(jù)ＡＤＩNA程序動(dòng)力分析和工程實(shí)踐閱歷設(shè)置了簡(jiǎn)易可行的空間索系來(lái)增強(qiáng)其動(dòng)力穩(wěn)定性，空間索系由兩側(cè)斜拉加強(qiáng)索與反向交叉索以及垂直吊桿系組成。由于增大結(jié)構(gòu)阻尼力，不僅抑制了豎向振型的振幅，在側(cè)向強(qiáng)勁陣風(fēng)作用下也有主動(dòng)抑制效果。工程投入使用十幾年來(lái)，經(jīng)歷數(shù)次大風(fēng)作用，均未觀測(cè)到危及橋系平安的振動(dòng)。該橋工程造價(jià)低,以98萬(wàn)元投資為游客增添巡游情趣是值得的。1９89年9月建成的福建泰寧金湖懸索橋［4］是我國(guó)首次嘗試采納鋼筋混凝土加勁桁架的工程范例。鋼筋混凝土桁架加勁懸索橋與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁加勁的汕頭海灣大橋同屬混凝土懸索橋.它具有省鋼材、造價(jià)低、工期短，后期維護(hù)費(fèi)用低、耐久性較好的特點(diǎn)。施工中，人們不難選擇砂石料來(lái)源近、質(zhì)量好、運(yùn)費(fèi)低的地方分片預(yù)制加勁桁架,運(yùn)至橋址后組拼成吊裝單元，逐節(jié)吊裝；然后沿橋縱向焊接預(yù)埋鋼板成橋,再作橋面鋪裝。建筑這類懸索橋時(shí),上下結(jié)構(gòu)可以同時(shí)施工，施工工藝簡(jiǎn)潔。金湖懸索橋主跨２8６m，橋面凈寬6ｍ，設(shè)計(jì)荷載:汽車-１0級(jí)，人群荷載3.5kN／m，工程造價(jià)僅為196萬(wàn)元。對(duì)于中等跨徑的懸索橋來(lái)說(shuō)，下部結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)一般約占總造價(jià)的4０％左右。然而，金湖橋一端全部取消索塔,把主索直接錨固于懸崖峭壁之上,另一端則取消索塔基礎(chǔ),利用地勢(shì)和良好的地質(zhì)，只澆筑少量混凝土體積的墩身（圖１6.２．1）。因地制宜地簡(jiǎn)化甚至取消某些下部結(jié)構(gòu)是該橋造價(jià)大大降低的關(guān)鍵。金湖橋因建于聞名的福建泰寧金湖風(fēng)景區(qū)而得名,因此該橋尤其注意景觀設(shè)計(jì)，運(yùn)用橋梁美學(xué)原理進(jìn)行藝術(shù)造型設(shè)計(jì),使得從平面、立面或從各個(gè)側(cè)面來(lái)看，跟周圍環(huán)境和諧協(xié)調(diào),與遠(yuǎn)山近水融為一體,給人以壯觀、美麗、流暢的感覺.圖16。2.１福建泰寧金湖懸索橋１９94年5月竣工的福建沙縣懸索橋是我國(guó)首座單塔懸索橋（圖16.2。2）.橋梁凈跨２×１12m，全長(zhǎng)2６８m,橋?qū)?m＋2×１。５m人行道（市政橋梁），設(shè)計(jì)荷載：汽車－15級(jí)，人群荷載3。５ｋN/ｍ,工程造價(jià)6２５元，工期１３個(gè)月.該橋利用沙溪河中的天然巖盤為基礎(chǔ)設(shè)置橋塔,以降低造價(jià)。設(shè)計(jì)中注意橋梁自身對(duì)稱協(xié)調(diào)并與橋址周圍的自然環(huán)境和諧。該橋的另一特色是：充分利用索塔周圍空間來(lái)建筑五層樓層建筑.除了行車道一層外,其余四層的使用面積為1０80㎡，用于市民、游客休閑觀景,設(shè)茶屋、咖啡廳、衛(wèi)生間,擴(kuò)展了懸索橋的使用功能,基建投資很快得以回收。除了采納鋼筋混凝土桁架加勁外，該橋結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特之處是將主索約三分之一長(zhǎng)度設(shè)置在加勁桁下緣，使此段成為上承式體系。這樣處理，除了使橋梁體系與兩岸地勢(shì)吻合之外,還削減錨臺(tái)高度,相應(yīng)降低工程造價(jià)，也使橋型更為壯觀.圖16。2.2福建沙縣懸索橋1999年國(guó)慶節(jié)正式剪彩通車的龍海市錦江懸索橋位于閩南金三角，是在九龍江入?？诳缃幼夏鄭u的三跨簡(jiǎn)支鋼筋混凝土桁架加勁懸索橋（圖16．２.3)。設(shè)計(jì)荷載：汽車—２０級(jí),人群荷載３．5kＮ/m，橋面凈寬10m,中跨２0８m，桁高僅為1．８m,全橋長(zhǎng)46６ｍ,是目前福建沿海最大的一座混凝土懸索橋.橋址的自然條件是河床淤泥掩蓋層厚，基巖埋于掩蓋層５0m以下,潮水漲落幅度大，而且處于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū).該橋是紫泥鎮(zhèn)為進(jìn)展經(jīng)濟(jì)，集資籌建的。工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是錨臺(tái)設(shè)計(jì)。為了節(jié)省投資,曾探究過(guò)后帶平衡箱的樁框式錨臺(tái)方案.由于施工條件的限制，最后不得不改用沉井為基礎(chǔ)的重力式錨臺(tái),主索錨固板嵌固于井壁之間,錨臺(tái)前后設(shè)加勁桁和連續(xù)彎箱梁引橋的支座.為了通航,橋面系設(shè)３％縱坡，形成預(yù)拱度。由于錦江懸索橋采納鋼筋混凝土桁架加勁，重力剛度大，使該橋獲得良好的使用性能。試通車時(shí),該橋經(jīng)受了超載救火車隊(duì)高速行駛過(guò)橋的檢驗(yàn)。正式通車時(shí)又恰遇9914號(hào)12級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)正面攻擊。在路樹被吹倒80%的情況下,橋梁經(jīng)受了嚴(yán)峻考驗(yàn)，并未封閉交通，顯示出相當(dāng)大的抗風(fēng)潛力。圖16.2．3福建龍海錦江懸索橋近幾年,我國(guó)曾對(duì)中小跨徑混凝土薄壁箱梁加勁懸索橋作過(guò)很多嘗試，也完成了結(jié)構(gòu)體系堪稱世界第一的三跨兩鉸預(yù)應(yīng)力混凝土扁箱梁加勁的廣東汕頭海灣懸索橋(主跨452m,圖1６．２.4）,該橋在初步設(shè)計(jì)時(shí)曾與若干橋型進(jìn)行深化比較,其造價(jià)最低。當(dāng)然預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁結(jié)構(gòu)的若干缺陷還有待解決.圖１6。２．4廣東汕頭海灣懸索橋在橋塔上布置斜拉索，將橋塔兩側(cè)連續(xù)長(zhǎng)度內(nèi)的橋身恒載和其它荷載傳給橋塔而不傳到錨碇，并形成“自錨",僅主跨中間一段橋身仍懸吊于主纜,這樣不但可以減小主纜斷面，而且“地錨"的錨碇受力小，處理也簡(jiǎn)潔。實(shí)際上，這是一種斜拉橋與懸索橋組合的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)加勁梁吊拉組合體系（圖１6．２.5)，已建成的烏江“三鋼”混凝土箱梁吊拉組合橋?qū)υ擉w系作了嘗試，布設(shè)的拉索與懸索比狄辛格體系更為連續(xù),并在斜拉體系與懸吊體系的結(jié)合部施加預(yù)應(yīng)力預(yù)壓合龍，以克服兩結(jié)構(gòu)體系的間斷性和不連續(xù)性。圖1６．2．5吊拉組合體系建筑雙層兩用橋(包括公、鐵兩用和公路高、普兩用）可節(jié)省基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)，是低投入、高收益的橋型方案。在這方面，混凝土桁架加勁懸索橋比混凝土扁箱梁加勁懸索橋更容易分層布置?！窕炷翍宜鳂蚪Y(jié)構(gòu)性能混凝土桁架加勁與混凝土箱梁加勁的懸索橋都有很好的抗風(fēng)性能.由于主索重力剛度大，在同跨徑、同荷載作用下其結(jié)構(gòu)變形比鋼懸索橋小.除了重力剛度外，鋼筋混凝土加勁梁橫向抗彎和抗扭慣性矩也大，其抗風(fēng)穩(wěn)定性比鋼懸索橋要好。格外是混凝土桁架加勁梁透氣性好，結(jié)點(diǎn)剛性大,容易在橋面開孔,削減橋面上下壓力差,也可以加風(fēng)嘴或做成箱式桁架,因此它在淺加勁的情況下就可獲得良好的氣動(dòng)穩(wěn)定性，增加了橋型的競(jìng)爭(zhēng)力?；炷凌旒芗觿艖宜鳂虻纳喜拷Y(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土的加勁桁梁、橋面板、平縱聯(lián)（抗風(fēng)桁）、橫聯(lián)預(yù)制組合而成。加勁桁架內(nèi)力以軸力為主，應(yīng)力分布較均勻,材料的利用率較高。上下弦桿中容易施加預(yù)應(yīng)力,如在分片預(yù)制時(shí)可用“先張法”，在橫聯(lián)拼裝時(shí)可用“后張法"，不必象薄壁箱梁那樣布置“體外索”而消滅工作裂縫和維護(hù)困難等問(wèn)題。混凝土懸索橋恒重大，在供應(yīng)重力剛度的同時(shí)也增加主索鋼纜的用量以及巨大的纜力對(duì)地錨條件的要求。若改“地錨”為“自錨”,則混凝土橋面為自錨供應(yīng)了這種可能.或者采納雙錨體系，布置凹凸鏈主纜。高鏈適用于地錨索,選用較大垂跨比，以削減地錨受力；低鏈適用于自錨,取較小的垂跨比時(shí),可向加勁梁施加較大預(yù)應(yīng)力.雙錨體系的地錨索與自錨索所占的比例可依據(jù)橋址的地質(zhì)條件和加勁梁的預(yù)應(yīng)力需要來(lái)確定?；炷良觿帕哼€可以與鋼加勁梁混合，以增大跨越能力，這也是混凝土懸索橋的一個(gè)進(jìn)展方向。采納吊拉組合體系,結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。與增設(shè)邊段斜拉索不同,由于省去橋塔四周的諸多長(zhǎng)吊索（桿），因此并未增加斜拉索的用鋼量。橋塔處負(fù)彎矩區(qū)由斜拉索自然施加了預(yù)應(yīng)力，而對(duì)增加了豎向承載的橋塔基礎(chǔ)處理并不困難。由于降低了橋塔高度，節(jié)省了主纜和預(yù)應(yīng)力鋼索，因而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。此外，應(yīng)用高效預(yù)應(yīng)力和高強(qiáng)度輕骨料混凝土后，完全可以在更大跨徑(300～600m)、更寬橋面、更大交通量、更輕型、更經(jīng)濟(jì)合理等方面尋找一個(gè)匯合點(diǎn)。對(duì)新型材料輕質(zhì)高強(qiáng)碳纖維纜的討論和高分子塑料纖維混凝土的使用,將解決主纜用鋼量和抗腐蝕問(wèn)題，并改善混凝土桁架的使用性能，加大懸索橋的跨越能力。在向大中跨度進(jìn)展過(guò)程中,預(yù)應(yīng)力混凝土桁架加勁懸索橋?qū)⑹卿摻罨炷凌旒芗觿艖宜鳂蜻M(jìn)展的必定結(jié)果。不過(guò),混凝土懸索橋欲進(jìn)展為有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型,還需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度和耐久性給予足夠的關(guān)注?！?６．3閉合環(huán)板結(jié)構(gòu)與環(huán)形立交在現(xiàn)代城市交通中存在自行車與汽車爭(zhēng)道,形成了人、車混合行駛，相互干擾,造成交通阻滯、事故頻繁的嚴(yán)重局面,迫使道路從平面對(duì)立體進(jìn)展,以保證城市的快速交通和非機(jī)動(dòng)車輛及行人的平安。全互通式立交橋，交通功能好,但占地拆遷規(guī)模大、建設(shè)投資多。當(dāng)交通量不大時(shí)采納分離式雙層或多層環(huán)形立交，上層為機(jī)動(dòng)車道，下層供非機(jī)動(dòng)車輛及行人使用，投資較省,也行之有效。國(guó)內(nèi)修建完全分行的環(huán)形立交橋是在2０世紀(jì)８０年月初,當(dāng)時(shí)將環(huán)形立交橋梁結(jié)構(gòu)分解成幾塊異型板或幾聯(lián)彎梁橋，結(jié)構(gòu)整體性差且受力不合理，橋面設(shè)置多道伸縮縫,不僅行車不夠順暢,維護(hù)困難,伸縮縫位置處的橋墩要進(jìn)行特殊處理。a)平面布置(b）圓環(huán)半斷面圖圖16.３。１洋頭口環(huán)形立交環(huán)形立交進(jìn)展的其次代是以1987年1０月建成通車的福州洋頭口立交橋(圖16。３.1)為代表,這是我國(guó)首例采納大型鋼筋混凝土閉合圓環(huán)板(內(nèi)徑4０m，外徑６8m，切向等截面,徑向變截面）和點(diǎn)式多向活動(dòng)支承的飄浮式空間結(jié)構(gòu)(環(huán)板與獨(dú)立墩柱之間采納盆式橡膠支座)，應(yīng)用雙樣條子域法電算程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間分析［5］,引橋采納鋼筋混凝土連續(xù)板和點(diǎn)式支承的空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)造美觀，橋下通視好。整體閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)不僅免去了伸縮縫和橋墩特殊處理,更主要的是整體性好、受力合理。雙樣條子域法[6]采納三次和一次B樣條來(lái)構(gòu)成橋梁結(jié)構(gòu)受力后的位移模式,借助變分直接法(結(jié)構(gòu)總勢(shì)能泛函一階變分為零，即最小勢(shì)能原理），逼近結(jié)構(gòu)的真實(shí)位移狀態(tài),并確定橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。對(duì)于洋頭口立交橋，在圓環(huán)板中面建立Ｒ－θ極坐標(biāo)系，先將結(jié)構(gòu)按徑向和切向離散成多個(gè)子域(等厚度的扇形薄板,圖16。３．２)，然后在子域上采納Ｒ、θ兩個(gè)方向上的乘積型樣條函數(shù)來(lái)構(gòu)造子域位移模式。如(１6。3．1)式中,｛δu｝{δv｝{δw｝為子域樣條插值結(jié)點(diǎn)上u、ｖ、w方向位移參數(shù)的集合；符號(hào)表示張量積,或稱Kronecker乘積，如［A]［B]=[aｉj[B]]，其中aij為矩陣[A］的元素.圖16.３．２扇形子域樣條插值結(jié)點(diǎn)在有邊界條件的位置（如墩柱支承處，圓環(huán)內(nèi)外邊緣）,布置樣條插值結(jié)點(diǎn),便于邊界條件的處理。圓環(huán)板內(nèi)外側(cè)懸臂斜變截面部分變換為階梯形。加載時(shí)考慮面荷載(環(huán)板和鋪裝層的自重)、線荷載(欄桿和護(hù)輪帶重量)、汽車活載、不均勻支座沉陷和溫差影響工況及其組合.由于雙樣條子域法占內(nèi)存少，可在微機(jī)上進(jìn)行大型橋梁結(jié)構(gòu)的空間分析,用于結(jié)構(gòu)方案比選具有實(shí)際意義.該橋建成后，整體閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)逐漸被人們所熟識(shí),很多城市也相繼消滅此類結(jié)構(gòu)的立交橋。但是鋼筋混凝土整體閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)也存在著缺點(diǎn)：內(nèi)、外環(huán)弧長(zhǎng)差值較大,在溫差變化、混凝土收縮、徐變作用下,結(jié)構(gòu)內(nèi)、外環(huán)變形量差值大,相互制約，產(chǎn)生較大的軸向拉力,橋梁跨度較小.環(huán)形立交進(jìn)展的第三代是以199７年12月建成通車的福建順昌水南路立交橋?yàn)榇怼Ｔ摌蚴俏覈?guó)首例采納預(yù)應(yīng)力混凝土整體閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)立交橋梁,它不僅充分發(fā)揮整體閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且預(yù)應(yīng)力徑向力轉(zhuǎn)化成環(huán)向壓力，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了套箍作用(圖16．３．3),有效克服了鋼筋混凝土整體閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)受力更加合理。與洋頭口立交比較，節(jié)省了１３。4%的工程投資,并增大跨越能力,削減下部支墩工程數(shù)量，改善橋下使用功能。在設(shè)計(jì)環(huán)形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)時(shí)，直梁橋中習(xí)慣用的線性變換定理、吻合索定理、次彎矩分析方法均不再適用，要憑閱歷反復(fù)調(diào)整驗(yàn)算,為此，進(jìn)展了新的梁格系理論。梁格系理論是一種較為精確的三維空間分析方法,采納影響面直接加載方法來(lái)確定最不利荷載位置，能夠精準(zhǔn)反映橋梁各部位的受力情況。梁格系理論是將橋梁上部結(jié)構(gòu)用一種等效梁格來(lái)代替，彎梁、斜梁和異型梁與比擬梁格之間的等效關(guān)系主要表現(xiàn)在梁格各構(gòu)件剛度計(jì)算上。預(yù)應(yīng)力束的作用轉(zhuǎn)化為在梁格各結(jié)點(diǎn)上的等效荷載，分析該等效梁格后將結(jié)果還原到原結(jié)構(gòu)中即可得到所需的計(jì)算結(jié)果。由于結(jié)構(gòu)類型各異，“等效”抱負(fù)狀況的模擬只能是近似的.梁格分析是橋梁空間分析常用的有用計(jì)算方法，力學(xué)概念簡(jiǎn)明。使用中可依據(jù)不同的橋型進(jìn)行梁格劃分,在較為特殊的異型部位以及中間支承四周、內(nèi)力變化猛烈處應(yīng)加密網(wǎng)格，最終離散成空間非線性復(fù)合梁?jiǎn)卧?。在包括環(huán)形板的異型橋梁中，預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用與分析不僅繁瑣，而且較難確定預(yù)應(yīng)力空間位置的損失，及徐變、收縮、結(jié)構(gòu)彈塑性變形、預(yù)應(yīng)力松弛等非線性因素的影響。文獻(xiàn)[７］采納按坐標(biāo)點(diǎn)輸入和按導(dǎo)線點(diǎn)輸入兩種方法來(lái)描述空間變化。對(duì)于按梁序布置的預(yù)應(yīng)力束,在每一分析步長(zhǎng)中通過(guò)樣條擬合曲線和直線（導(dǎo)線法)。按公式精準(zhǔn)計(jì)算空間位置和各預(yù)應(yīng)力損失,并按施工齡期描述預(yù)應(yīng)力，分析追蹤橋梁施工和運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程.（a)環(huán)板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（b)預(yù)應(yīng)力及恒載作用位移圖16。3.3預(yù)應(yīng)力環(huán)板有限元分析§1６．4可拆裝翼板式托架托架構(gòu)造特點(diǎn)當(dāng)橋墩不高時(shí),橋梁界習(xí)慣于使用帶落地式支架或支墩的膺架來(lái)現(xiàn)澆混凝土梁。羅長(zhǎng)高速公路某高架橋墩高(35。0７~41.３７m）、跨大(墩距４1ｍ)、梁重(每孔單幅外加施工荷載計(jì)１360t)、孔多（共計(jì)３0孔）、工期緊。施工中提出墩頂托架代替原支墩(架)的方案。該方案直接利用已完工的橋墩，比臨時(shí)搭設(shè)支墩更平安牢靠，且省去作支墩的３６0t萬(wàn)能桿件，節(jié)省效果明顯，也避開了臨時(shí)墩壓縮變形的影響[8］。該高架橋位于半徑726m的曲線段上，托架承力點(diǎn)須在距墩表面30~90㎝之間變動(dòng)，為了曲線內(nèi)外側(cè)各托架能夠通用和便于拆裝,構(gòu)思出一種可拆裝的翼板式托架。每個(gè)橋墩設(shè)兩副托架，每副翼板式托架由兩塊帶翼鋼板、一根下橫擔(dān)和一個(gè)上拉桿組成,橋墩頂部預(yù)留四個(gè)孔洞(圖16．4。１）。翼板式托架可供橋墩前后側(cè)同時(shí)受力使用,也可單側(cè)承力。托架設(shè)計(jì)計(jì)算原則忽視橫向剪刀撐對(duì)兩副托架的相互作用，對(duì)每副托架作平面分析。取靜定的力學(xué)模型計(jì)算（圖１6。4。２)，墩左右側(cè)的翼板式托架由上拉桿聯(lián)系,可認(rèn)為底翼固定鉸支于下橫擔(dān),頂翼集中荷載經(jīng)芯板壓力線傳至