发展中的自锚式悬索桥

发展中的自锚式悬索桥孙立刚(辽宁省交通勘测设计院,沈阳110005) 摘　要　自锚式悬索桥因其优美的造型受到人们越来越多的关注,近年来已有多座自锚式悬索桥建成。

本文总结了自锚式悬索桥的特点,并介绍了自锚式悬索桥的建造历史、结构形式、理论研究、设计和施工等方面的发展状况。

关键词　自锚式悬索桥　发展　综述 悬索桥根据主缆锚固方式的不同可以分为两种:一种是锚固在基础上,主缆的水平分力和竖向分力通过锚固体传递给地基,这是地锚式悬索桥;另外一种是将主缆锚固于加劲梁的梁端锚固体上,主缆的水平力由加劲梁承受,竖向分力由桥墩和配重抵消,这种悬索桥称为自锚式悬索桥。

由于取消了庞大的锚碇,自锚式悬索桥不仅造型精致美观,满足城市空间小、对景观效果要求高的特点,而且也避开了在不良地质处修筑锚碇的技术难题。

1自锚式悬索桥的发展历程从建造历史来说,自锚式悬索桥并不是一种新桥型。

19世纪后半叶,奥地利工程师约瑟夫・朗金和美国工程师查理斯・本德提出了自锚式悬索桥的造型。

朗金于1870年在波兰建造了世界上首座小型铁路自锚式悬索桥。

20世纪初,自锚式悬索桥首先在德国兴起,自1915年在莱茵河上建造的第一座大型自锚式悬索桥—科隆-迪兹桥起,到1929年共修建了5座自锚式悬索桥,其中1929年建成的科隆-米尔海姆桥主跨跨径达到315m ,保持自锚式悬索桥跨径记录70余年。

在这期间美国和日本也建造了几座自锚式悬索桥。

图1日本此花大桥立面图40年代塔科马桥风毁事故后,悬索桥的建造步入了低谷阶段。

1954年德国工程师在杜伊斯堡完成了跨径230m 的自锚式悬索桥后,世界上没有再建造这种桥。

上世纪90年代,日本和韩国重新推出了这种桥型,并且注入了新的元素。

1990年建成的日本此花大桥为单索面自锚式公路悬索桥,跨径布置为120m +300m +120m ,主缆垂跨比1:6,采用倾斜吊杆,加劲梁为钢箱梁,主塔为花瓶型;1999年建成的韩国永宗大桥为双索面公铁两用自锚式悬索桥,跨径布置125m +300m +125m ,垂跨比1:5,采用竖直吊杆,索面倾斜,花瓶型主塔,加劲梁是桁架梁与钢箱梁的双层组合结构,上层通行汽车,下层铺设铁路。

这两座桥成为现代自锚式悬索桥的典型代表。

美国奥克兰海湾新桥重建计划中包括一座单塔2跨自锚式悬索桥和一座3跨双塔自锚式悬索桥,其中单塔悬索桥跨径达到385m 。

这几座桥的设计和建成拉开了新世纪自锚式悬索桥研究和建造的序幕。

2自锚式悬索桥在国内的迅速推广和发展2.1国内自锚式悬索桥的建造概况国内所建造的自锚式悬索桥的结构形式丰富多样,材料选择不拘一格。

从加劲梁的构造上来说,有钢混叠合梁、桁架梁、钢箱梁、混凝土箱梁、混凝土边主梁;有漂浮式体系,也有在桥塔处设置支座的支承体系;从造型上来说,多数采用了双塔多跨式结构,佛山平胜大桥为独塔单跨式结构,还建成了独塔双跨式的人行自锚式悬索桥;在加劲梁的材料使用方面,我国桥梁设计者首次提出了混凝土自锚式悬索桥的概念,即以钢筋混凝土代替钢作为加劲梁材料,并且成功地建成了几座这种类型的悬索桥。

2002年在金石滩金湾桥的建造中加劲梁首次使用了钢筋混凝土,随后建成的抚顺万新大桥和江山市北关大・13・第11期 北方交通桥也是这种悬索桥。

抚顺万新大桥的主跨跨径为160m ,是目前该类桥梁中跨度最大的,该桥另一创新之处是主缆以钢丝绳为材料连续绕过梁端,“兜”在锚固跨上,起到了主缆锚固的作用。

这是一次大胆的尝试,为自锚式悬索桥的锚体设计开辟了新的思路。

表1国内部分自锚式悬索桥桥名跨径布置加劲梁垂跨比建成年代苏州索山大桥33.0+90.0+33.0钢混叠合梁1:82003常州广化桥17.5+54.0+17.5钢混叠合梁1:71999金华康济桥36.0+100.0+36.0钢混叠合梁1:7.52004佛山平胜大桥5×40.0+30.0+350.0+30.0+30钢箱梁1:12.5建造中江山市北关大桥40.0+118.0+40.0混凝土1:72005大连金石滩金湾桥24.0+60.0+24.0混凝土边加劲梁1:82002抚顺万新大桥15+70+160+70+15混凝土箱梁1:62004 注:抚顺万新大桥现称作抚顺天湖大桥。

2.2形式多样的锚固体自锚式悬索桥主缆的拉力通过锚固体传递给加劲梁,因此对锚固体的设计和建造需要格外重视。

由于不同的设计构思和条件限制,自锚式悬索桥所采用的锚体形式多样。

大连金湾桥主缆为单根索股,直接锚固在锚体上,锚体下设拉压支座与下部墩相连,这种锚固方式适用于小跨径、主缆为单根索股的悬索桥;抚顺万新大桥则因为下部净空的限制,为了减小锚体尺寸,主缆采用钢丝绳“兜”在梁端锚固体上,锚固体是起到配重作用的加劲梁锚固跨;蓝旗松花江大桥(设计方案)利用散索鞍将主缆散开锚在锚固体上;绍兴滨海大桥将主缆分束锚固在箱梁腹板外侧的锚箱上,并在锚固节段内浇筑混凝土增加锚固体的自重;广东平胜大桥主缆锚固在加劲梁端部的预应力箱梁上,改善了束股锚固的传力,利用预应力梁的自重抵消主缆竖向分力;长沙三汊矶湘江大桥在加劲梁对应主缆锚固位置设两道腹板,形成箱形截面,改善了受力;奥克兰海湾新桥为空间索面,主缆利用多个转向鞍座转向,到达箱梁内部完成锚固。

3自锚式悬索桥的总体评价人们对自锚式悬索桥的认识还不成熟,从这个意义上来说,自锚式悬索桥还是一种新桥型。

随着这种桥的广泛修建和研究,人们的认识也在不断地深化。

图2抚顺万新大桥锚体构造图3金石滩金湾桥锚体构造3.1自锚式悬索桥的结构布局初探自锚式悬索桥边跨宜设置吊索,一方面能够减小边跨主缆在锚固处的水平角度,从而减小主缆的竖向分力,减小墩处的上拔力和配重;选择合适的边跨、主跨的跨径组合与垂跨比,以保持主塔两侧荷载平衡,如果边跨过短,则需加大边跨梁的截面尺寸,或者调整边跨的垂跨比,也可以考虑边跨梁材料采用混凝土,主跨梁采用钢材料,但对其连接处的设计要求较高;自锚式悬索桥主缆拉力减小,结构整体刚度增大,这一结论与地锚式悬索桥是相反的,所以自锚式悬索桥宜选择较大的垂跨比以减小主缆拉力,这样做也减小了加劲梁的压力,例如日本此花大桥和韩国永宗大桥的垂跨比分别为1:6和1:5,但是对于混凝土加劲梁,还需要保证足够的压应力,应选择合适的垂跨比;自锚式悬索桥的跨径不宜过大。

3.2混凝土自锚式悬索桥与传统钢梁自锚式悬索桥的比较自锚式悬索桥加劲梁使用混凝土是符合材料特性的。

混凝土适合受压,主缆传递给混凝土加劲梁的水平分力相当于施加了预应力,不需配置预应力筋;而钢受压后易发生失稳破坏,必须加大截面尺寸增加用钢量;混凝土比钢廉价,而且混凝土材料后期维护费用较后者低很多;混凝土自锚式悬索桥的刚度比钢梁自锚式悬索桥大。

但是混凝土自锚式悬索桥有两个缺点,一是混凝土存在收缩徐变,二是加劲・23・北方交通 2006梁自重大导致主缆截面尺寸大,用钢量增加。

3.3浅谈自锚式悬索桥优缺点优点:①没有锚碇,造型美观简洁,美化城市景观;②可以在地质条件较差的地区修建;③结构形式灵活多样;④采用混凝土加劲梁省去大量预应力器具。

存在的问题和缺点:①施工控制困难;②在支架上施工时需要大量支架;③锚固体应力分布复杂;④跨径受到限制;⑤混凝土加劲梁存在收缩徐变的问题,而采用钢梁则用钢量较大。

3.4关于跨径的探讨自锚式悬索桥的跨径一般不大,已建成的自锚式悬索桥跨径很少有超过300m的。

一方面材料性能上的缺点制约了跨径,钢加劲梁不适于承受压力,跨径不能太大,而混凝土梁存在收缩徐变的问题,跨径越大对结构的影响越显著;另一方面现在的分析手段和施工技术不能为大跨径自锚式悬索桥提供有效的技术支持;再者就造价而言,随着跨径的增大,加劲梁使用钢或混凝土都会使得用钢量增加、造价升高。

因此加劲梁采用合适的材料和构造形式,完善分析手段和施工技术是自锚式悬索桥向大跨径发展的关键性问题。

4自锚式悬索桥计算理论的研究和发展自锚式悬索桥的兴起推动了自锚式悬索桥计算理论的发展。

悬索桥的计算理论有三种,弹性理论、挠度理论和有限位移理论。

挠度理论是基于地锚式悬索桥发展起来的解析理论,而自锚式悬索桥由于主缆锚固在梁端,因此其解析解有所不同。

近几年我国科研人员针对自锚式悬索桥计算理论展开了深入的研究,取得了一定的成果。

在静力行为研究方面,提出了基于挠度理论的基础微分方程,在动力性能研究方面,提出了自由振动的基础微分方程。

上述的理论都是建立在一定的假设之上,有一定的局限性,适合于初步的分析,对于精细的分析还要使用有限元方法。

利用有限元软件对自锚式悬索桥的成桥运营阶段计算比较特殊,计算过程一般是:按照一定的方法得到合理的成桥状态,再将其作为初始状态赋予有限元模型,然后进行运营阶段的结构分析,其中关键的步骤是成桥状态的确定。

就施工过程的计算来说,几何非线性和接触非线性问题突出,现有的有限元软件还不能进行有效的模拟;当加劲梁采用混凝土时,收缩徐变增加了计算的复杂性。

5自锚式悬索桥施工方案的不断探索自锚式悬索桥的施工,是通过合理的施工步骤达到设计要求的成桥状态。

根据不同的设计要求和自然条件,出现了以下几种施工方案。

(1)设支架和临时墩,加劲梁在其上施工完毕,然后挂缆、张拉吊索。

自锚式悬索桥大多采用这种施工方案。

(2)采用顶推法,设置若干临时墩,将加劲梁顶推至成桥位置,省去大量的支架。

(3)采用地锚式悬索桥的施工方法,设临时锚碇,加劲梁吊装就位后,再将主缆锚于梁端。

另外还有人提出一种先架构临时的斜拉体系,然后逐步转换为悬索体系的方案。

第一种方案的施工过程与地锚式悬索桥施工过程相反,先架梁后挂缆,然后张拉吊索至成桥状态。

这种方案的缺点是需搭设大量支架,而且施工控制存在以下几个问题:①张拉过程中,主缆逐渐获得刚度,加劲梁逐渐落架,几何非线性和接触非线性问题突出,计算非常复杂,现有的有限元软件不能有效的模拟施工过程;②吊索需精确安装定位;③主缆与加劲梁的线形控制;④吊索张拉次数多;⑤混凝土自锚式悬索桥的收缩徐变使得施工控制更加复杂。

桥梁建造者们在实践中逐渐摸索出一些方法,在浙江金华康济桥的施工控制中,提出了交替前进张拉法,针对每一轮吊索的张拉设定不同的控制目标,经过三轮吊索张拉即获得了满足设计要求的成桥状态。

如果这种施工方法进一步完善,成为一套成熟的方法,那么对自锚式悬索桥的施工控制意义重大。

后两种方案还可以在不便搭设支架时采用。

采用临时锚碇的方案,由地锚式体系转换为自锚式体系的过程需要精心设计、精心施工。

6自锚式悬索桥的展望自锚式悬索桥优美的造型和不需修建锚碇的特点使得这种桥型具有较大的优势,越来越受到人们的关注和欢迎。

尽管有着其自身的缺点和局限,但是在科学技术高速发展的今天,这种曾被人忽视了的桥型,随着实践经验的逐渐积累、研究的不断深入、先进分析手段的应用和完善、施工技术的成熟、材料性能的不断改善,其跨越能力将会得到突破,也会得到更广泛的修建。