陽紫大橋設計與計算分析

黃 寧

(成都市溫江區交通運輸局)

1 自錨式懸索橋的特點

自錨式懸索橋是以承受拉力的纜索作為主要承重構件的一類橋梁。這類大橋主要由索塔、懸索、吊桿和橋面等部分組成。其中要求懸索必須要有足夠的強度，目前制作懸索的材料一般為鋼絲、鋼絞線和鋼纜等。

由于目前的材料技術相當發達，懸索大橋可以充分利用材料的優異性能實現用料省、自重小的特點，此外，懸索橋還具有受力性能好，跨越能力大(日本明石海峽橋跨徑已達1 990 m)，抗震能力強，造型優美和適應地形能力強等優點。

但自錨式懸索大橋也有缺點，例如:對地質條件和施工人員綜合素質的要求較高;前期的設計工作量較大等。

2 工程概況

某省境內的陽紫大橋，建造于2002 年中旬。該橋為雙塔雙索面自錨式懸索橋，索塔由鋼筋混凝土澆筑而成，主跨距離為90 m，邊跨距離為45 m，整座橋的長約180 m，吊索間距為3 m，橋寬約為25 m。整座橋梁投資約2 000 萬元，建成后各項指標均滿足相關規定要求，而且從通車到現在沒有出現任何質量問題。

3 自錨式懸索橋各部分設計要點和計算方法

自錨式懸索橋的設計核心及難點當屬主纜系和吊索系。再次分別對其設計和計算工作進行分析說明。

3.1 主纜系的設計和計算

主纜承受著懸索橋的大部分重力，它的設計將直接決定著整座橋的安全性和造價。關于主纜的設計內容包括主纜的線形及結構。在主纜的線形確定后便可根據基準來計算載荷量，進而確定各個構件需要達到的剛度。

(1)確定矢跨比

矢跨比指的是高度和跨徑的比值。它的大小對懸索橋的整體剛度有著直接影響。矢跨比越小，橋梁的剛度越高，但主纜承受的拉力也會增大，對主纜的要求會更高，經濟性會受到影響。

陽紫大橋的橋梁高度為1.5 m，主跨距離90 m，主梁的剛度較大，對主纜的拉力要求不是太大，所以設計采用較大的矢跨比來減小主纜的投資，最后選定的矢跨比為1∶7.5。

(2)確定主纜的線形

陽紫大橋采用雙吊塔形式，整體呈幾何對稱。由大橋的7 個基本點為依據，設計其他的結構數據。

根據吊桿的最小凈空要求，中跨主纜中點D 應至少距離橋面1.5 m，吊塔高度由矢跨比計算出為12 m(從橋面算起)。由此可得出陽紫大橋7 個基本點的坐標(以A 點作為原點)。

表1 陽紫大橋基本點坐標

由得出的坐標點可以看出陽紫大橋錨固點A 和G 高程相差很小，地勢的平坦也為大橋的設計和建造減少了很多麻煩。

(3)確定主纜的最大拉力

目前，自錨固懸索橋主纜材料分為鋼絲繩和平行鋼絲束兩大類。小跨度懸索橋為了建造方便和節約投資，多使用鋼絲繩作為主纜繩，陽紫大橋采用的就是鋼絲繩，其具體規格見下表2。

表2 陽紫大橋主纜規格

主纜拉力最大值按照橋面布滿載荷和溫度最低時進行計算，其水平分力和最大拉力分別按照公式(1)、(2)計算。

式中:γ 為主纜比重;Ac為主纜的橫截面積;β 為主纜承受的活載荷;k 為無量綱參數。

經過計算，陽紫大橋主纜應具備的最大拉應力強度約為11465KN，遠小于主纜的破斷載荷，所以選取的主纜設備滿足使用要求。

4.2 吊索系的設計和計算

吊索系的主要作用是將橋梁載荷傳遞給主纜，主要的設計內容有索夾的選擇和索夾與吊索的連接。

(1)索夾的選擇

目前索夾的形式主要有兩種:鞍掛式和銷連式。本項目考慮到鞍掛式索夾存在成本高、形式多樣不便于管理、會產生彎曲應力從而降低吊桿強度等缺點，因而選擇了銷連式夾索。

索夾的個數確定可保證吊桿不受主纜水平分力影響而產生滑動，按照公式(3)可計算出每根吊桿中需要的索夾個數。

式中:n 為需要索夾的個數;m 為與索夾內壓力分布狀態相關系數，取值范圍2.0～3.0;u 為索夾與主纜的摩擦系數，取值范圍0.15～0.2;N 為螺栓的上緊力;v 為抗滑安全系數，取值范圍2.0～3.0;Tn 為吊桿的拉力;α 為主纜的傾斜角。

在確定了索夾的個數之后，還要對其進行應力校核，以保證索夾的安全性。校核公式按照(4)進行計算。

式中:L 為索夾長度;t 為索夾厚度;σr為索夾材料的屈服極限。

經過計算，陽紫大橋索夾設置3 個較為合理，且校核之后其安全性完全滿足使用要求。

(2)吊索的設計

吊索的拉力受橋上的活動載荷和溫度的影響較大，計算方法也分兩種:①不考慮加勁梁的載荷分布效應，吊索全部承受這相應段的載荷;②考慮加勁梁的載荷分布效應，此時吊索的拉力只承擔部分載荷。由于陽紫大橋的跨度較小且剛度較大，故采用第二種計算方法。

陽紫大橋的主梁形式為普通鋼筋混凝土梁，其自重較大，為了保證主梁的安全性及穩定性，設計人員將吊索間距設置為3.0 m，布置方式為豎向垂直，吊索的具體規格見下表3。吊索上端通過耳板和索夾連接，下端使用冷鑄錨頭固定在加勁梁上。

表3 陽紫大橋吊索具體規格

經過在多種工況條件下對吊索進行測試，得出其載荷組成形式為:恒載+收縮徐變+溫度+基礎沉降。估計得出吊索的最大拉力為450 kN 左右，安全系數約為2.55，保證了有足夠的安全儲備。

4 結束語

隨著我國國民經濟和城鎮化的不斷發展，交通建設必須緊跟時代前進的步伐，以此為經濟建設創造有利條件。目前，自錨式懸索橋以其特有的優勢正在受到行內專家的青睞，尤其在城市內部道路中小型自錨式懸索橋已經成為首選橋型。作為工程技術人員，我們應當努力做出經濟、科學、合理的設計，還應時刻關注行業內最新的研究成果，積極與國外相關專家進行技術交流，為我國橋梁事業的發展貢獻自己的力量。

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