大跨度桥梁结构选型调研报告

大跨度桥梁结构选型调研报告摘要: 大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式,如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。本文针对大跨度桥梁结构选型和设计这一问题做了综合性的总结和归纳。

关键词: 大跨度桥梁; 斜拉桥; 悬索桥; 桥梁造型设计;

1 引言

20 世纪90 年代以来, 随着世界经济和科学技术的高速发展, 大跨度桥梁的建设出现了前所未有的高潮。目前, 悬索桥的最大跨径已经达到1 991m , 斜拉桥的最大跨径达到890 m。随着桥梁跨径的逐步增大, 桥梁结构的柔性化趋势日趋明显, 桥梁结构的安全性、行车舒适性、架设方便性等一系列问题开始变得愈来愈突出。如何更好地解决伴随着桥梁跨径长大化而出现的这些问题, 成为21世纪世界桥梁工作者共同面对的挑战。本文简要回顾了大跨度桥梁的发展历史, 对现有大跨度桥梁建设的成就与问题进行了系统的分析, 在此基础上, 提出了有关大跨度桥梁设计的一些新构想, 希望对未来桥梁设计的发展有所帮助。

2 现代斜拉桥的发展与演变

2.1早期的斜拉桥

斜拉桥由索塔、拉索、主梁三部分组成。从历史上看, 影响斜拉桥发展的技术因素主要有三个第一, 力学分析手段的进步。第二, 材料性能的改进。第三, 施工技术的发展。从力学分析的角度讲, 斜拉桥属于多次超静定体系, 在没有电子计算机帮助的条件下, 手工进行力学分析相当复杂。现存的早期斜拉桥中, 较有代表性的是1867 年建造的新加坡Cavenagh 桥和1874 年建造的伦敦Albert 桥。二十世纪五、六十年代, 斜拉桥获得了较快的发展。1955 年, 瑞典建成了主跨183m 的Stromsund桥; 1959 年, 联邦德国建成了主跨302 m 的Severin桥。早期建造的斜拉桥有两个比较显著的特点: 一是单柱式索塔比较多; 二是斜拉索很少

2.2密束斜拉体系的出现

随着有限元技术的发展和计算机技术的普及, 高次超静定结构的力学分析开始变得简单易行。1967 年, 联邦德国建成了主跨280m 的Friedrich2E2bert

桥, 从此拉开了密束体系斜拉桥建设的序幕。通过将导入拉索的预应力分布式地传递给主梁, 可显著减小梁中的弯矩, 并且易于采用悬臂法进行施工。因此, 密束体系斜拉桥的出现加速了斜拉桥跨度, 特别是预应力混凝土斜拉桥跨度的迅速增长。1986 年, 加拿大建成了主跨465 m 的An2nacis 桥; 1991 年, 挪威建成了主跨530 m 的Skaron2sundet 桥。

二十世纪九十年代, 世界斜拉桥的建设进入了一个鼎盛时期。1993 年, 中国建成了跨度位居当时世界第一的主跨602 m 的上海杨浦大桥; 1995 年,法国建成了主跨856 m 的Normandy 大桥; 1999 年, 日本建成了跨度位居世界第一的主跨890m 的多多罗大桥。九十年代的大跨度斜拉桥建设有两个特点: 一是大部分出现在中国; 二是倒Y 型和分离式倒Y型(有文献称之为钻石型) 索塔被广泛采用。倒Y型和分离式倒Y型索塔的广泛使用, 既有技术方面的原因, 也有审美习惯和技术传统的影响, 下文将对此做具体的分析。

2.3斜拉桥索塔的造型与选择

索塔的形态可以多种多样, 需要指出的是, 索塔的形态通常和斜拉索的配置密切相关。如果采用单索面, 则通常会选用单柱塔或倒Y型塔。单柱塔可能存在的问题主要有两点: 一是从人体工程学的角度看, 如果桥面不是太宽的话, 单柱塔相对宽大的塔柱会对汽车驾驶员的运动视线产生一些阻断,给人某种程度的压迫感。二是从建筑美学的角度看, 由于单柱塔上塔柱和下桥墩的剖面尺寸有时相差悬殊, 给人以整体不协调的感觉.

单索面的使用通常有两个前提条件: 一是主梁 (桥身) 要有固定拉索的中央分割带; 二是主梁本身要有比较大的抗扭刚度。虽然采用单索面的日本鹤见翼大桥, 其主梁跨度达到了510 m , 但对于大多数桥梁设计师来说, 在设计大跨度斜拉桥时, 处于技术和心理感受两方面的考虑, 他们通常更倾向于选择双索面布置。和单索面桥构造上最接近的是双侧单索面桥, 即在桥面的两侧各布置一根互不相连的塔柱, 每根塔柱独立张拉出一面索。象荷兰的Waal 大桥这样采用双根单柱桥塔的斜拉桥实际上并不多见, 原因有技术方面的, 也有心理感受方面的。从技术的角度看, 由于垂直索面的结构刚度相对比较弱, 风载作用下存在发生振动发散的可能。从心理学的角度看, 设计师通常更倾向于结构在横桥向存在某种形式上的连接。

一方面是出于结构受力方面的考虑, 另一方面是出于寻找视觉上的支撑, 两种因素汇合起来的结果, 使设计师们更倾向于用横梁将两根独立的单柱联接在一起, 以形成垂直于桥面纵轴的框架型桥塔支撑体系。当横梁在塔顶将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了门型桥塔。而当横梁在塔的中部将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了H 型桥塔。将门型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限,可形成倒V 型桥塔; 将H 型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限, 则形成了倒A 桥塔。究竟是什么原因促使设计师纷纷将塔柱向内倾斜? 塔柱向内倾斜的直接好处是什么? 不利之处在哪里? 有什么办法能够平衡兼顾, 扬长避短。加斜拉索的最初目的是给主梁提供一个竖向支撑, 从而减小主梁由于重力荷载而产生的竖向弯矩和变形, 使主梁在跨度增加的同时, 并不显著增加梁的内力和变形。仅从抵抗重力荷载的角度考虑, 索平面应尽可能地和主梁平面垂直, 以保证斜拉索在沿桥向(纵向) 铅垂面上的投影, 和水平面的夹角最大。因此, 单柱塔、双根单柱塔、门型塔和H 型塔是该条件下比较合适的塔型选择。但实际面对的问题是, 主梁除了要承受竖向重力荷载外, 还必须承受横向风荷载等其它方向的荷载, 并且横向风荷载的影响程度随主梁跨度的增加迅速增长。从力学分析的角度看, 要有效地抵抗横向风荷载, 索平面应和主梁平面保持比较适当(注意, 不是最大) 的夹角, 以保证索力在横桥方向上的投影, 有比较合适的大小。因此, 此时的最优塔型,应当是适度扁平的倒V 型或倒A 型桥塔。随着桥面宽度的增大, 相对扁平的倒V 型和倒A 型桥塔, 会使桥墩基础的占用空间增大。比较简单的解决办法有两种: 一是在增大塔柱陡度的同时增大索力; 二是将柱塔在主梁以下向内收缩间距, 形成所谓的钻石型塔身。显然, 抵抗竖向重力荷载和抵抗横向风荷载对最优塔型的要求存在一些矛盾。另外, 大跨度斜拉桥还需要考虑抗扭曲的问题。综合几个方面的因素, 人们发明了一种最简单和最直接的解决办法, 即在倒V 型(包括钻石型)桥塔的顶部向上增加一根垂直立柱, 并将斜拉索锚固在新增加的垂直立柱上。倒V 型桥塔加垂直立柱形成的新塔型, 就是目前在大跨度斜拉桥建设中广

泛采用的倒Y型桥塔

当桥梁跨度比较大的时候(500 m～600 m 以上) , 倒Y型桥塔中的垂直立柱会变得比较粗, 结果使桥塔沿桥向和横桥向的风阻大大增加。降低桥塔风阻的最