馬碧波，李 恒，廖劉算

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310006；2.中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢 430056)

多塔懸索橋受整體剛度與主纜抗滑移問題困擾，制約了其應用與發(fā)展。若能通過提高主纜與鞍座間抗滑能力，同時對結構體系進行合理設計，可從根本上解決“中塔效應”對多塔連跨懸索橋方案的設計制約[1-2]。目前國內已建成的3塔大跨度懸索橋分別在結構體系上進行了一些嘗試和創(chuàng)新，如泰州長江大橋在中塔處加勁梁上設置了縱向彈性索、馬鞍山長江大橋在中塔處采用塔梁固結體系、鸚鵡洲長江大橋采用4跨簡支體系[3-4]。

甌江北口大橋跨江主橋采用3塔4跨雙層鋼桁梁懸索橋，為世界上首次使用，相較國內已建成的3座3塔懸索橋，該橋在中塔和加勁梁結構形式等方面存在較大區(qū)別[5-7]，使得該橋的結構靜動力性能與之不同。為了使甌江北口大橋主橋設計安全合理、造價經濟、結構耐久，需對不同結構體系進行深入研究，徹底弄清不同結構體系對其結構行為特性的影響規(guī)律，得出合理的結構體系方案。

1 鋼桁梁懸吊方案比選

1.1 4跨吊與2跨吊橋跨布置

1) 主纜4跨吊方案[8]

跨度布置為(230+800+800+348) m，懸吊部分加勁梁的跨度為(213.6+800+800+273.6) m，主橋加勁梁全長2 087.2 m，如圖1所示。

單位：m圖1 4跨吊橋式布置Fig.1 General layout of four-span suspension bridge scheme

2) 主纜2跨吊方案

跨度布置與4跨吊方案相同，僅2個主跨的加勁梁懸吊在主纜上，加勁梁全長1 600.0 m。北岸邊跨引橋采用4×68.75 m的鋼混組合連續(xù)梁，頂推施工；南岸邊跨引橋為4×68.75 m的預應力混凝土梁橋，采用預制節(jié)段拼裝施工，如圖2所示。

單位：m圖2 2跨吊橋式布置Fig.2 General layout of two-span suspension bridge scheme

1.2 4跨吊方案與2跨吊方案比選

利用非線性有限元分析程序BNLAS建立結構整體空間模型，從主纜受力、索塔受力、整體剛度、錨碇規(guī)模、主纜抗滑移等各項主要受力指標進行綜合對比分析，結果見表1。

從表1可知：

表1 4跨吊與2跨吊方案計算結果對比Table 1 Calculation results comparision between four-span suspension bridge schemes and two-span suspension bridge scheme

1) 4跨吊方案主纜拉力增大，主纜索股需加大。4跨吊主跨及南邊跨通長索主纜規(guī)格為169-127Φ5.54，2跨吊主跨及南邊跨通長索主纜規(guī)格為169-127Φ5.46。

2) 4跨吊與2跨吊方案北塔及中塔應力變化不大，4跨吊方案南塔應力較2跨吊方案有所增加。

3) 2種方案主梁豎向剛度及梁端位移變化不大，但4跨吊方案梁端轉角大幅減小約47%，由于鋼桁梁梁高較高，轉角減小后伸縮縫的反復開合會得到改善，對行車有利。

4) 4跨吊與2跨吊方案相比，主纜入射角變化較大，主纜水平力基本不變，但4跨吊方案豎向力減小，可減少錨碇的規(guī)模，以北錨為例，可減少約4 300 m3混凝土。

5) 4跨吊方案對中塔處主纜抗滑移安全系數(shù)小幅提高，約3.6%，這主要是恒載纜力增大所致。

綜上所述，4跨吊方案較2跨吊方案受力性能更合理，同時結合引橋施工風險、船撞風險、景觀效果、工程量及造價等因素考慮[8]，甌江北口大橋最終采用鋼桁梁4跨吊方案。

2 約束體系研究

3塔懸索橋約束體系研究，主要包括中塔處主梁與中塔間縱向和豎向連接，邊塔處主梁與邊塔間縱向和豎向連接，跨中主梁與主纜的連接[9-11]；由于主梁與邊塔間縱向連接除須結合中塔綜合考慮外，豎向連接與中塔處沒有明顯區(qū)別，故豎向連接可以以中塔研究成果作為參考。

2.1 豎向支承體系

加勁梁在中塔處的豎向約束體系可分為2大類[12]：第1類為多跨簡支體系，即主梁在中塔處斷開，如圖3(a)方案1所示；第2類為多跨連續(xù)體系，即主梁連續(xù)通過中塔，根據(jù)吊索及支座的布置形式，可分為另外6種方案。

方案2：離中塔中心線20 m設置第1對吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(b)所示。

方案3：離中塔中心線10 m設置第1對吊索(吊索1#)，懸吊于主塔上塔柱上；離中塔中心線20 m設置第2對吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(c)所示。

方案4：在主塔中心處設置1對0#吊索(吊索0#)，懸吊于中塔橫梁上；離中塔中心線10 m設置第1對吊索(吊索1#)，懸吊于主塔塔柱上；離中塔中心線20 m設置第2對吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(d)所示。

方案5：在主塔中心處設置1對0#吊索(吊索0#)，懸吊于主塔橫梁上；離中塔中心線20 m設置第2對吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(e)所示。

方案6：離中塔中心線20 m設置第1對吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，在兩主塔柱中橫梁所對應的鋼桁梁下弦節(jié)點處沿縱向設置2排豎向支座，如圖3(f)所示。

方案7：離中塔中心線20 m設置第1對吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，在兩主塔柱中橫梁之間設置系梁，在塔柱中心線對應的鋼桁梁下弦節(jié)點處設置1排豎向支座，如圖3(g)所示。

針對上述7個豎向支撐方案建立有限元總體模型，分別研究主梁與中塔間不同的豎向連接方式對主纜、吊索、鋼桁梁、支座的影響，結論如下：

1) 各豎向約束體系方案主纜抗滑安全系數(shù)相差不大，均在2.0左右，方案6主纜抗滑移安全系數(shù)最大，為2.16。

單位：m

2) 方案1、方案6吊索力與普通吊索基本相當；方案7吊索力是普通吊索力的1.5倍左右；方案2、方案3吊索力非常大，單側吊索力達到12 000 kN以上，索夾的設計較為困難；方案4、方案5的0#索有卸載現(xiàn)象，且吊索力及應力幅值均很大，見表2。

表2 7種方案吊索內力和支座反力 kNTable 2 Internal force of sling and reaction force of bearing under seven different schemes

3) 各豎向約束體系方案，除方案5鋼桁梁豎桿應力較大之外，其他方案主梁的應力通過適當調整截面基本能滿足設計要求，其中方案1的主梁應力水平較低，見表3。

表3 7種方案中塔處鋼桁梁應力 MPaTable 3 Stress of steel truss beam of middle tower of seven different schemes

4) 方案1支座負反力較小，僅為3 084 kN；方案6支座負反力高達20 915 kN，負反力過大對支座以及支座錨栓附近混凝土的局部受力提出了非常高的要求；方案7負反力6 838 kN，處于可控范圍，采用局部少量壓重即可消除該處負反力。

綜合主纜抗滑移、吊索受力、主梁受力、支座受力以及運營舒適性等各方面因素考慮，甌江北口大橋中塔處的豎向約束體系最終采用方案7。為降低支座設計難度、支座及錨固區(qū)混凝土受力的運營風險，對中塔塔根附近梁段進行適當?shù)膲褐?，以徹底消除支座負反力?/p>

2.2 縱向支承體系

縱向支承體系主要包括塔梁連接形式和纜梁連接形式[13-15]。針對塔梁連接形式分別研究了主梁與中主塔間縱向不約束、彈性索約束、剛性限位擋塊約束3種情況，分析對中塔受力、主纜抗滑移安全、主梁受力、支座參數(shù)等因素的影響。針對纜梁連接形式分別研究了主跨跨中不設中央扣、設1對柔性中央扣、設3對柔性中央扣3種情況，分析跨中主梁與主纜間的連接對中塔受力、主纜抗滑移安全、主梁受力、支座參數(shù)以及動力性能方面的影響。分析計算結果可得到如下結論：

1) 加勁梁與中塔間是否設置縱向約束，對主纜與中主鞍座間抗滑移安全及中塔受力影響不大；彈性索、剛性約束方案的加勁梁縱向活載梁端位移基本相當，全飄體系位移稍大，見表4，加勁梁豎向剛度3種方式也基本一致；彈性索方案索力幅值較大，剛性約束方案支座往復作用力較大。由于全飄體系構造簡單，經濟實用，功能與其他約束方式差別不大，因此，甌江北口大橋加勁梁與中塔間縱向采用全飄體系，通過在邊塔處設置縱向阻尼器以遏制加勁梁在日常行車條件下梁端縱移的速度。

表4 活載作用下梁端位移 mTable 4 Displacements of beam end under live load

2) 設置中央扣后，中央扣內力非常大，且應力幅非常高，設置中央扣可減小結構縱向位移，提高結構豎向剛度，但提高值十分有限，約10%?；谥醒肟蹆攘皯Ψ^大的情況下，結構構造設計困難，疲勞應力幅高。

2.3 橫向支承體系

對于主塔處加勁梁的橫向約束方式，分別研究3種工況：在加勁梁下弦、上弦、以及上弦和下弦同時設置橫向抗風支座，其中中塔縱向設置2排橫向抗風支座，分別支撐在A型中塔縱向兩塔柱上。

根據(jù)計算分析可知：加勁梁僅在上弦或僅在下弦設置抗風支座時，腹桿面外彎矩較大，單項風荷載作用下其應力水平較高，弦桿應力也較高，見表5；在上、下弦同時設置抗風支座時，弦桿及腹桿受力大有改善，且抗風支座規(guī)模較小，對主梁和索塔局部受力均較為有利。因此，甌江北口大橋最終在上下弦同時設置抗風支座。

表5 極限風荷載作用下主梁應力 MPaTable 5 Stress of beam under ultimate wind load

3 結論

多通道合建的多塔連跨大跨度橋梁是我國未來在海峽、海灣、江口等深水條件下設計長大橋梁需重點研究和應用的橋梁方案，甌江北口大橋首次采用3塔4跨主梁連續(xù)結構，對其懸吊方案和結構體系進行系統(tǒng)研究，得到以下認識：

1) 4跨吊與2跨吊方案相比，主梁豎向剛度及梁端位移變化不大，但4跨吊方案梁端轉角大幅減小，對行車有利。

2) 加勁梁豎向支撐體系對支撐位置附近的吊桿及主梁局部受力有很大的影響，在采用混凝土中塔的情況下，支撐體系的選擇取決于支撐位置附近的吊桿受力及主梁局部受力。

3) 中塔處設置2排豎向支撐會形成很大的支座負反力，這是由于2排支座受結構尺寸限制距離太近，在其中1跨加載時，空載跨會上翹；中塔或邊塔處設置0#或1#吊索，均會產生卸載現(xiàn)象，其吊索應力幅很大；設單排豎向支座后，會產生支座負反力，但反力值不大，可采用主梁局部壓重的方式解決。

4) 設置中央扣后，可減小主梁縱向位移，可提高橋梁整體剛度約10%，但因中央扣自身及其布置范圍內吊索的應力幅很大，在未解決由此導致的疲勞、錨固及索夾滑移等問題前，不宜應用于大跨度多塔懸索橋工程實踐中。