矮塔斜拉橋結構特點及動力特性分析

李曉龍

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

通常在中小跨徑橋梁中主要采用預應力混凝土梁橋,大跨度橋梁主要考慮斜拉橋和懸索橋。近年來,在預應力混凝土梁橋與斜拉橋之間興起了一種新的橋梁結構形式——矮塔斜拉橋(也稱部分斜拉橋),并在日本、菲律賓、瑞士、韓國得以應用。在我國,矮塔斜拉橋將成為中小跨徑橋梁中的主流橋型之一。本文首先簡要的介紹矮塔斜拉橋的發展歷程及結構特點,并以四川某矮塔斜拉橋為例進行了結構動力特性分析,加深對矮塔斜拉橋的理解。

1 矮塔斜拉橋的發展概況

矮塔斜拉橋是 1988年法國工程師JacguesMathivat在設計位于法國西南的阿勒特·達雷高架橋的比較方案時提出的,并將之命名為“Extra-dosed PC bridge”,直譯為“超劑量預應力混凝土橋梁”。1990年德國的Antonie Naama提出了一種組合體外預應力索橋,體外索的一部分伸出主梁,錨固在墩頂處主梁的剛柱上,這種體系與 JMathivat的方案十分相似。日本第一座矮塔斜拉橋是 1994年建成的小田原港橋,以后 10年間,日本建成的矮塔斜拉橋有 20多座,橋梁跨度從初期的 122m發展至 275m,橋寬從 13m發展到 33m。如果從正式建造來判定,可以說矮塔斜拉橋起源于日本。

我國第一座矮塔斜拉橋是 2000年 9月建成的蕪湖長江大橋,主跨 312m,主梁采用鋼桁梁。2001年建成的漳州戰備大橋是國內第一座預應力矮塔斜拉橋,主橋的孔跨布置為80.8m+132m+80.8 m。繼而矮塔斜拉橋在中國發展迅猛,先后建成通車的PC矮塔斜拉橋有廈門銀湖大橋、蘭州小西湖黃河大橋和山西離石高架橋。迄今,國內已建或在建的主跨L≥100m的矮塔斜拉橋有十幾座,其中主跨超過 200m的有惠青黃河大橋和珠海荷麻溪大橋。實際上,關于這種橋型的名稱在國內外至今未能得到統一。橋梁專家嚴國敏認為這種橋型受力特性介于斜拉橋和連續梁之間,橋的剛度主要由梁體提供,斜拉索起到體外預應力的作用,相當部分的荷載由梁的受彎、受剪來承受,因此稱之為部分斜拉橋;王伯惠、顧安邦等學者認為應稱之為矮塔斜拉橋。矮塔斜拉橋的界定成為學者關心的問題。

2 矮塔斜拉橋的特點

部分斜拉橋是介于連續梁橋和斜拉橋之間的半柔性橋梁,因而它兼有連續梁橋與斜拉橋的優點。與連續梁橋相比,它有如下優點:(1)跨越能力較連續梁橋大。當中支點梁高相同時,部分斜拉橋的跨度可比連續梁橋大 1倍以上;(2)對于大跨度梁而言,相同跨度的部分斜拉橋比連續梁橋經濟。與斜拉橋相比,它有如下優點:(1)塔高較矮,塔身結構簡單,施工方便;(2)斜拉索應力變化幅度小,可采用較高的應力,一般情況下,斜拉橋拉索的應力為標準強度的 0.4～0.45倍,而部分斜拉橋可用至 0.5～0.6倍,從而減少鋼材用量;(3)主梁抗彎剛度大,可采用梁式橋施工方法,無需象斜拉橋那樣采用大型牽索掛籃,極大地方便了施工;(4)整體剛度大,變形小,尤其適用于荷載大、標準高的鐵路橋梁。由于部分斜拉橋的這些優點,就決定了其有獨特的特點。

2.1 外形特征

(1)加勁梁的高度由于有斜拉索的幫助而比一般梁橋低,但又比常規斜拉橋的柔性梁高大;

(2)塔高比常規斜拉橋塔高小,因為斜拉索只起體外索作用,1/9～1/11的梁高已可使體外索具有相當大的偏心距;

(3)由于加勁梁已具有一定剛度,因此作為體外索之間的斜拉索不需象常規斜拉橋那樣有端錨索,對塔頂水平位移進行約束,布索區段也無需覆蓋全部加勁梁;

(4)由于其受力更接近梁式橋,因此邊中跨比更接近于梁式橋的 0.5～0.6,而不是常規斜拉橋的 0.4左右。

2.2 受力特征

部分斜拉橋中的拉索應力幅比常規斜拉橋中的拉索應力幅小,因此其拉索的允許應力是采用體外預應力索的允許應力,即極限應力的 60% ～70%,安全系數 17;而常規斜拉橋中的拉索允許應力僅 40%,安全系數 25。也就是說,部分斜拉橋中的拉索從受力特征上講更接近于一般PC梁橋的體外預應力索。

2.3 構造特征

部分斜拉橋中的拉索在構造上與常規斜拉橋中的拉索不同之處在于塔上的錨固形式。常規斜拉橋中的拉索在塔頂上錨固或張拉,而部分斜拉橋則基本采用鞍座式,斜拉索在塔頂連續通過,但由于摩擦力存在及設有固定裝置,實際上拉索在塔頂是不能滑動的。一般采用圓弧形雙套管形式,斜拉索從內鋼管穿過,施工完成后在內鋼管內壓入高強度環氧水泥漿。雙套管形式可以使換索工作易于進行。

2.4 適應場合

(1)跨度超過梁式橋而建斜拉橋不經濟時;

(2)對剛度要求較大,常規斜拉橋不能滿足要求,如多跨斜拉橋或鐵路斜拉橋。

(3)塔高受限制的地方,如飛機場附近。

3 矮塔斜拉橋動力特性分析

3.1 工程概況

本文以四川某矮塔斜拉橋為例,該橋為雙塔雙索面,跨度為 128m+248m+128m,墩、塔、梁固結體系。雙向六車道,橋面寬 34m,橋塔根部橋面寬 37m。主梁為單箱四室變高度箱型截面,墩頂處梁高 9m,跨中梁高 3.8m。塔墩高 45 m,塔柱高 31m,柱頂 6m為空心裝飾段。橋塔橫橋向按圓弧形設計,兩側各布 10根斜拉索,梁上索距 4m,塔上索距 1 m。本橋采用懸臂施工,主梁、橋塔同時分節段澆筑,斜拉索張拉完畢后拆除臨時塔架。

3.2 有限元模型

利用大型有限元軟件 MIDAS/CIVIL2006建立全橋空間有限元組合模型,其中主梁、塔柱、橋墩、樁基礎采用空間梁單元模擬,斜拉索采用空間桁架單元模擬,預應力索作為等代荷載施加于梁體。全橋共計節點 1019個,單元 873個。有限元模型如圖 1所示。

圖1 有限元模型

3.3 計算結果及分析

在結構動力性能分析中,一般情況下結構前幾階自振頻率和振型起控制作用,所以只需求結構的前幾階自振頻率和振型。本文采用子空間迭代法進行橋梁模態分析,計算模態數量取 20,前十階計算結果列如表1,限于篇幅本文只給出前 6階振型圖,如圖 1所示。

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該橋第一階振型為主梁橫向反對稱彎曲,頻率為 0.373 Hz。根據相關資料得知,目前國內幾座典型混凝土矮塔斜拉橋的一階自振周期分別為:廈門銀湖大橋為 1.05 s,蘭州小西湖矮塔斜拉橋為 1.75 s,平頂山市湛河一橋(88+72)m僅為0.726 s,惠青黃河公路大橋(133+220+133)m為2.099 s,均小于同等跨度的普通斜拉橋。而通常大跨度普通斜拉橋的基本周期遠遠大于 5 s。該橋的一階自振周期為2.68 s,也小于普通大跨斜拉橋,與上述矮塔斜拉橋的特點吻合。所以,從這一點上也可以看出,矮塔斜拉橋的一階自振周期基本介于連續梁(剛構)與普通斜拉橋之間,屬于剛柔相濟的橋型。

由于邊墩支座為只受壓支座,對主梁和邊墩的橫向及縱向約束相對較弱,所以主梁的橫向振動和邊墩的縱向振動出現的較早,頻率較低。主梁的豎向抗彎剛度大于橫向抗彎剛度;前十階振型沒有出現主梁的扭轉,說明箱形主梁有足夠大的抗扭剛度。

4 結束語

矮塔斜拉橋是橋梁向輕型化、復合化發展的過程中出現的介于預應力混凝土梁橋與斜拉橋之間的過渡橋型,其剛柔相濟的特性,符合結構受力特點,因此具有經濟、美觀、剛度大、施工方便的優點,其發展具有很大潛力,尤其適合于對剛度要求較高的鐵路橋。與梁橋相比,這種橋型造型美觀,結構的表現內容豐富,而且具有良好的經濟指標,越來越顯示出巨大的發展潛力。由于主梁具有足夠大的剛度,可容易設計成三塔或多塔橋梁,這一點是斜拉橋所不具有的優點。在今后的橋梁建設中,矮塔斜拉橋將得 到越來越廣闊的應用。

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