無背索斜拉橋結構體系與受力特點

韓海峰

摘 要：文章介紹了無背索斜拉橋結構體系的分類，分析了每種結構體系下索塔自重與主梁自重所產生的靜力效應平衡的問題。

關鍵詞：無背索斜拉橋；結構體系；受力特點

1 概述

無背索斜拉橋是斜拉橋的一種。其索塔向岸或向邊跨方向傾斜，并僅在靠主跨一側布置斜拉索，另一側無拉索，故稱為無背索斜拉橋。由于索塔傾斜，給人一種獨特的不對稱穩定感，因僅在索塔一側布置斜拉索，又有一種輕盈而又驚險的感覺，高聳的塔身更體現出氣勢和力度，形成了壯麗的畫面。

自從1992年西班牙塞維利亞建成世界上第1座無背索斜拉橋-Alamillo大橋以來，這種造型優美、結構獨特的橋梁立即引起世界橋梁界的普遍關注。

2 橋型示意及有關參數說明

圖1 無背索斜拉橋示意圖

圖1為無背索斜拉橋示意圖。主跨兩端可以有邊跨或無邊跨。圖中各符號含義說明如下。

H-橋面以上索塔的豎向高度，即最外一組斜拉索與塔中心交 匯點至橋面的高度；？茁-索塔軸線與水平線之間的夾角，即索塔的水平傾角；？酌-索塔的傾斜角，即索塔軸線與鉛垂線之間的夾角；？琢-最外一組斜拉索的水平傾角；a-主梁上相鄰兩根拉索的間距；b-索塔上相鄰兩根拉索的間距；LL-拉索區主梁重心至塔梁固結點K的水平距離；LT-主塔重心至塔梁固結點的水平距離；WL-拉索區主梁重量；WT-索塔重量。

3 結構體系

按塔、梁剛度比及受力特點，無背索斜拉橋的結構體系可以分為以下兩類：

（1）剛塔剛梁類。塔梁剛度相當，為一般斜拉橋的特殊情況，即無背索斜拉橋。它的力學特征是索塔自重效應完全平衡了主梁豎向荷效應后，主塔在恒載狀態下根部只有軸向力而彎矩為0。這種結構體系應用較早，例如西班牙Alamillo橋、哈爾濱太陽島橋。

（2）柔塔剛梁類。它的力學特征是橋塔自重效應不能完全平衡主梁豎向荷載效應。由塔、梁、索三者組成的結構依靠自身只能達到部分平衡。索塔可以成為一個軸心受壓構件，而梁只能達到部分平衡，還需依靠主梁的強度和剛度分擔一部分荷載效應。其力學特征與部分斜拉橋（亦稱矮塔斜拉橋）類似。因此可以引入豎向荷載分配系數f與拉索活載應力變幅？滓f來分別衡量恒載與活載狀態下拉索和主梁各自承擔豎向荷載的比值。因此，這類無背索斜拉橋，也可以稱為無背索矮塔斜拉橋（或部分斜拉橋），以區別于一般無背索斜拉橋。例如合肥銅陵路南淝河橋、河南新密市溱水路橋。

4 靜力平衡分析

無背索斜拉橋的靜力平衡問題，主要是指索塔自重與主梁自重兩者所產生的靜力效應如何平衡的問題。

（1）剛塔剛梁類。塔梁剛度相當，其整體平衡是指在恒載情況下，可使索塔根部只存在軸向力而彎矩為0的平衡狀態，是一個理想化的宏觀狀態平衡，用以初步擬定塔梁尺寸。

采用以下假定：①單根斜拉索豎向分力等于相應的索間距節段梁體恒載重量，全部拉索豎向分力等于拉索區梁體的恒載重量。②忽略無拉索區段梁體重量、剛度及支承情況對結構平衡的影響。

為了使恒載狀態下主塔根部處于軸心受壓狀態，索塔根部承受的拉索區主梁傾覆力矩應等于索塔自重產生的抵抗力矩，可得（參閱圖1）：

恒載彎矩M=WL×LL-WT×LT=0 （1）

此時塔、梁處于恒載總體平衡狀態。

對于某一根斜拉索，在塔、梁相當的情況下，處于局部平衡狀態。其局部平衡用下式表達：

（2）

式中：GT-對應于一根拉索的塔體局部區段的自重；GD-對應于一根拉索的梁體局部區段的自重；GL-對應于一根拉索的梁體局部區段的活載；？滋-考慮汽車荷載的比例系數，可近似取？滋=0.5（？滋在0～1之間變化）；C-塔梁重量比，即1t梁體自重完全由塔通過拉索予以平衡，則需Ct塔體自重。在相同荷載下，當各拉索均滿足局部平衡時，則整體結構必然滿足整體平衡，反之則不然。

C是一個反映了塔梁自重分布及索塔傾角影響的綜合因素，是描述無背索斜拉橋結構特征的重要參數。

（2）柔塔剛梁類

柔塔剛梁類屬塔輕梁重的情況。恒載狀態下，塔自重產生的抵抗力矩MT=WT·LT不能完全平衡梁體自重產生的傾覆力矩ML=WL·LL，此時上述第（1）項中的第①條假定不再成立，即單根斜拉索豎向分力不等于對應索距間梁體恒載重量，全部拉索的豎向分力也不等于拉索區的恒載重量，即WL·LL>WT·LT。

為了達到整體平衡，引入荷載分擔率f，定義f為：

f =拉索分擔的豎向荷載/全部豎向荷載，可理解為：f是在恒載狀態下，由索塔結構承擔的梁體豎向荷載占梁體全部豎向荷載的比值。

于是可得索塔根部彎矩為0，即整體平衡的公式為：

f·（WL·LL）-WT·LT=0 （3）

進一步引伸至局部平衡，可得

（4）

f的概念，與矮塔斜拉橋荷載分配的概念實質相同。因此，可以認為，柔塔剛梁類無背索斜拉橋是矮塔斜拉橋的一種特殊型式。歸納起來，可以這樣描述：無背索斜拉橋是斜拉橋的一種特殊型式。一般的無背索斜拉橋，為剛塔剛梁，塔梁剛度相當；當柔塔剛梁時，實質上為無背索矮塔斜拉橋，是無背索斜拉橋的一種特殊型式。

（3）設計要考慮三種平衡狀態

①施工過程中的塔梁平衡；

②成橋時塔梁結構的整體平衡；

③運營階段塔梁的局部平衡，此時應計入活載影響。

當三種平衡出現矛盾時，一般可在施工階段采取臨時措施加以解決。若第②、③種平衡矛盾較大時，則應考慮適當調整塔梁構造尺寸或幾何參數予以克服。

參考文獻

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