張靜林

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁系，上海200092)

1 概 述

目前，無論國內(nèi)還是國際，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對跨越海峽的建橋技術(shù)提出了更高的要求，以往單一追求大跨徑已不能滿足實際海峽、海灣及連島工程建橋技術(shù)的要求，必須尋求新的適應(yīng)橋型.

當(dāng)橋位處水域?qū)拸V時，通常有兩種方式可以實現(xiàn)跨越:一是采用一座大跨度主橋(懸索橋或斜拉橋)和一系列長橋相結(jié)合的方式;二是僅采用長橋的方式.由于長橋每跨的跨度較小，所以其橋墩和基礎(chǔ)的數(shù)目較多，相應(yīng)的造價也較高;如果水域較深且又環(huán)境惡劣，那么下部結(jié)構(gòu)的施工幾乎成為一種不可能.當(dāng)跨度過大，即使使用懸索橋一跨也很難跨越，或使用一跨會大幅增加造價和施工難度時，工程師就采用了兩三座傳統(tǒng)懸索橋，通過共用錨碇而前后相連的辦法來完成跨越. 但是，這種結(jié)構(gòu)形式增加了至少一個中部錨碇及其基礎(chǔ)，不僅有人工島的施工困難和昂貴費用，而且還會占用航道.于是，多塔連跨懸索橋的出現(xiàn)就成為必然.

多塔連跨懸索橋是一種全新結(jié)構(gòu)，它是在兩塔單主跨懸索橋的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)中間塔的方式，實現(xiàn)多主跨連續(xù)布設(shè)的懸索結(jié)構(gòu)，從而使跨越能力大為增大.從雙塔懸索橋走向多塔連跨懸索橋是結(jié)構(gòu)設(shè)計上質(zhì)的飛躍，尤其對超過千米后的多塔連跨懸索橋更是如此.多塔懸索橋中最基本的形式就是三塔懸索橋，三塔懸索橋的關(guān)鍵問題有:懸吊跨數(shù)，支撐體系，跨度比，垂跨比，加勁梁的形式，邊中塔的形式，邊中塔塔頂高程差，以及一些特殊位置的連接等.

對于多塔懸索橋，在恒載狀態(tài)下，主纜對中塔塔頂?shù)募s束較邊塔弱得多.當(dāng)一個主跨加基本可變荷載，另一個主跨不加載時，如果中間主塔剛度很大，則中塔所受縱向剪力大，中塔兩側(cè)主纜纜力差值大，對主纜的抗滑移要求高;如果中間主塔剛度小，則中塔產(chǎn)生一定的塔頂縱向位移，非加載跨主纜纜力增加，中塔的撓曲形成加載跨的豎向位移，因而加載跨豎向位移大.因此，三塔懸索橋中主塔的選型，對實現(xiàn)三塔懸索橋合理設(shè)計而言至關(guān)重要.

圖2 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)段

在將要建成的泰州長江公路大橋中，由于A形中塔剛度太大，抗滑移安全難以滿足，因此采用了倒Y 形中塔. 但是隨著跨徑的增大恒載所占比重隨之加大，中塔在活載作用下兩邊的不平衡力相應(yīng)減小，因此使得A 形中塔的使用成為一種可能.本次研究計算了A 形、倒Y 形和I 形中塔，分別分析了他們在2000m 跨徑下的適用性.

2 計算模型

本次計算一泰州大橋為參考，主橋立面圖見圖1.其中，采用與其相同的矢跨比:1/9;相同的主纜材料:抗拉強度為1670MPa 的5.2mm 鍍鋅高強鋼絲;相同的封閉式流線型扁平鋼箱梁(圖2);相同的吊桿間距:16m;相同的邊中塔材料:邊塔塔柱為C50 混凝土，中塔塔柱為Q420qD;相同的鞍座-主纜摩擦系數(shù):0.2. 另外，邊中塔截面形式見圖3 ～圖5.

圖3 邊塔截面形式

圖4 人形上塔柱及I 形塔柱結(jié)構(gòu)形式

圖5 下塔柱結(jié)構(gòu)形式

本次研究采用有限元分析軟件ANSYS 進行非線性有限元分析，移動荷載采用非線性加載.邊塔混凝土強度設(shè)計值為22.4MPa，中塔鋼結(jié)構(gòu)塔柱強的設(shè)計值取為240Mpa，中塔抗滑移系數(shù)滿足公式(1)的要求，計算簡圖見圖6，撓跨比限值取為1/250.

圖6 主纜抗滑移安全系數(shù)示意圖

主纜抗滑移安全系數(shù)見公式1:

式中:μ 為主纜與槽底或槽壁間的摩擦系數(shù)，本文采用0.2;αs為主纜與鞍槽的包角(弧度);Fcl為主纜松邊拉力;Fct為主纜緊邊拉力

3 縱向為A 形的橋塔適應(yīng)性分析

當(dāng)橋塔采用A 形塔時，塔頂縱向不平衡力對中塔不同高度處產(chǎn)生的彎矩可以由A 形的兩個分支塔柱的軸力與張開距離所產(chǎn)生的抵抗矩承受.當(dāng)橋塔截面尺寸和張開距離取值合理時，可使塔柱截面彎矩很小. 因此，對于A 形塔，通過改變塔底張開量，塔柱截面尺寸等參數(shù)，對加勁梁撓度、中主塔的縱向剛度、中主鞍座內(nèi)主纜抗滑移安全系數(shù)、塔頂縱向位移、塔身截面最大拉壓應(yīng)力等的影響. 計算結(jié)果見下表1，其中計算所用鋼材厚度為60mm.

圖7 塔柱張開量對橋塔剛度的影響

從表1 及圖7 可以看出，隨著塔柱張開量的減小，塔身縱向剛度也跟著逐漸減小，在活載作用下的抗滑移安全系數(shù)逐漸增大，中塔頂最大位移逐漸增大，加勁梁最大撓度逐漸增大，截面上的最大拉壓應(yīng)力也都逐漸增大. 對于抗滑移安全系數(shù)而言，塔柱張開量在12m ～50m 之間時，其值都能滿足規(guī)范要求. 中塔撓度也僅當(dāng)塔柱分開量小至12m，截面尺寸為7m* 6m 是略微超出1/250 的控制條件.由此可見，當(dāng)三塔懸索橋跨徑達到2000m，中主塔采用A 型時，中塔在活載下的抗滑移安全性及加勁梁撓度都能很好滿足要求. 由上表可知，不論截面尺寸大小，塔柱張開量對截面最大壓應(yīng)力影響很大. 截面最大壓應(yīng)力基本在200MPa ～300MPa 之間.當(dāng)塔柱張開量小于30m 時，不論采用哪兩種截面，塔柱最大壓應(yīng)力均超過240MPa.由此可知，對于2000m 跨徑的三塔懸索橋，如果采用A 形鋼中塔，應(yīng)采取合理的塔柱張開量以控制截面最大壓應(yīng)力.

4 縱向為倒Y 形的橋塔適應(yīng)性分析

對于倒Y 形塔，本研究通過改變分支點高度、塔底張開量，塔柱截面尺寸、鋼板厚度等參數(shù)，對加勁梁撓度、中主塔的縱向剛度、中主鞍座內(nèi)主纜抗滑移安全系數(shù)、塔頂縱向位移、塔身截面最大壓應(yīng)力等的影響.計算結(jié)果見表2.

表1 2008m 跨徑A 形塔計算結(jié)果

表2 2008m 倒Y 形塔計算結(jié)果

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由表2 可以看出，抗滑移安全系數(shù)都滿足規(guī)范要求，加勁梁撓度只有當(dāng)上塔柱截面尺寸過小、分支點高度較低時(#14、#18)超出限值.因此對于倒Y 形中塔而言，也能夠很好的滿足抗滑移和加勁梁撓度的要求.但是塔柱的壓應(yīng)力普遍較大，上塔柱壓應(yīng)力基本大于240MPa，只有當(dāng)鋼板厚度為80mm，上塔柱截面尺寸較大(15m)且分支點高度及張開尺寸取值合理時可以滿足.而下塔柱截面最大應(yīng)力均能滿足要求，只有當(dāng)上塔柱截面取值過大(#9、#10)時，會超過允許應(yīng)力.

通過分析鋼板厚度、分支點高度、下塔柱張開量的大小，可以得出如下規(guī)律:

1、通過比較#2、#11、#12，可知鋼板厚度對上下塔柱的最大應(yīng)力影響較大.在其他條件相同的情況下，80mm 厚鋼板相對于60mm 厚鋼板能明顯減小上下塔柱截面最大壓應(yīng)力.2、通過分別比較#1 ～#4以及#13、#15 ～#17 可知，當(dāng)分支點高度不變，鋼板厚度不變，上塔柱尺寸不變時，下塔柱張開量減小，對橋塔縱向剛度、抗滑移安全系數(shù)、加勁梁撓度以及上塔柱截面最大壓應(yīng)力沒有非常明顯的影響，但是會使得下塔柱最大壓應(yīng)力逐漸減小.3、當(dāng)其他條件不變，分支點高度逐漸升高時，橋塔縱向剛度明顯增大，抗滑移安全系數(shù)和加勁梁撓度明顯減小，上塔柱最大壓應(yīng)力有一定的增大，下塔柱最大壓應(yīng)力變化不大.

5 縱向為I 形的橋塔適應(yīng)性分析

對于I 形塔，本研究通過改變幾面尺寸、鋼板厚度等參數(shù)，對加勁梁撓度、中主塔的縱向剛度、中主鞍座內(nèi)主纜抗滑移安全系數(shù)、塔頂縱向位移、塔身截面最大壓應(yīng)力等的影響.計算結(jié)果見表3.

表3 2008m 跨徑I 形塔計算結(jié)果

由表3 可以看出，對于I 形中塔，當(dāng)壁厚采用60mm 時，主纜抗滑移安全系數(shù)均大大滿足規(guī)范要求，但是如果不采用很大的截面以提高剛度，其加勁梁撓度難以達到1/250 的限值，而且截面最大壓應(yīng)力很大，在限值附近.如果采用80mm 壁厚，當(dāng)截面達到15m* 8m 以上，可以滿足抗滑移、加勁梁撓度和塔柱最大壓應(yīng)力限值的要求. 此外，單純的加大截面時，橋塔縱向剛度會隨之增大、抗滑移安全系數(shù)和加勁梁撓度隨之減小，但是最大壓應(yīng)力并不一定隨之按一個方向變化. 這是因為截面加大后，中塔剛度增大，導(dǎo)致橋塔兩邊在活載作用下的不平衡力增大，從而在塔身產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力增大，于是最大壓應(yīng)力有可能增加.反之減小截面也有可能減小最大壓應(yīng)力(如#7).

6 結(jié) 語

本次研究以泰州長江公路大橋為參考，在泰州長江公路大橋的設(shè)計中，為了同時滿足加勁梁撓度和抗滑移安全性的要求而采用了倒Y 形塔. 如果要采用A 形塔，則要么塔柱張開量不能大于15m，要么主纜與鞍座的摩擦系數(shù)不能低于0.345，均不太容易滿足.通過本次研究可以發(fā)現(xiàn)，在2000m 跨徑下，A 形和倒Y 形橋塔在合力選取壁厚和各參數(shù)的情況下均可采用，最大應(yīng)力對結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制要大于抗滑移安全性和撓跨比的限值的控制，而I形塔相對而言需要較大的截面尺寸以滿足應(yīng)力和撓跨比的要求，這種塔形比較廢材料.

［1］ 羅喜恒.復(fù)雜懸索橋施工過程精細(xì)化分析研究［D］.上海:同濟大學(xué)，2004.

［2］ 泰州長江公路大橋設(shè)計項目組. 泰州長江公路大橋—三塔兩跨懸索橋結(jié)構(gòu)分析研究(內(nèi)部資料)，2007.

［3］ 交通運輸部公路科學(xué)研究院.多塔懸索橋結(jié)構(gòu)體系與剛度適宜性研究—國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)研報告(內(nèi)部資料)，2010.

［4］ 中交公路規(guī)劃設(shè)計院. 公路懸索橋設(shè)計規(guī)范(報批稿)(JTJ xxx-2002)［S］，2002.

［5］ 朱本瑾.多塔懸索橋的結(jié)構(gòu)體系研究［D］. 上海:同濟大學(xué)，2007.