斜拉-懸索協作體系橋的施工與設計優化方案研究

朱永暉

（滄州市交通運輸局，河北 滄州 061000）

1 引言

斜拉-懸索協作體系橋是將斜拉橋與懸索橋相互結合而形成的一種新型橋梁，適用于大跨徑和特大跨徑橋梁。同時，該協作體系橋兼具斜拉橋和懸索橋的優點，其梁端縱向位移大幅度減小，擁有更好的經濟效益性能，能夠較好地滿足各類交通工具的過江需求[1]。隨著大跨徑斜拉-懸索協作橋建設需要的逐漸增加，其關鍵構件在風雨和交通活載影響下容易發生振動，并且在較低的風速下容易導致拉索的復雜振動，對橋梁的安全和可靠性造成嚴重破壞[2-3]。在工程實踐中，斜拉-懸索協作體系橋往往因其相關設計方法不完善而導致工程進度延誤，從而給工程帶來了很大的經濟壓力。鑒于此，本文對斜拉-懸索協作體系橋的施工問題進行分析，并著重探討了其設計優化方案，以期進一步提升該類橋梁的建設技術，確保道路與橋梁的安全性。

2 斜拉-懸索協作體系橋合理成橋狀態優化

斜拉橋合理成橋狀態中，成橋索力優化的方法大致可以分為零位移法、剛性支撐連續梁法、影響矩陣法以及彎曲能量最小法等。不同方法的特點、使用范圍以及不足均不相同。懸索橋合理成橋狀態的重點在于主纜成橋的線形，因為其與主纜的無應力長度計算以及索夾位置計算等關系緊密，所以尤為重要。在懸索橋發展歷程中，主纜線形計算方法主要經歷了近似計算法、解析迭代法以及有限元法3 個階段。隨著技術的突破，解析迭代法與有限元法因其計算精度的優越逐漸成為主流方法。

考慮斜拉-懸索協作體系橋的跨越長度較大，同時含有斜拉索密集、過渡區域的交叉索目數量較多等結構特征，因此，協作體系橋的合理成橋狀態優化目標與原則應符合具體建設要求。將斜拉橋合理成橋狀態的剛性支撐連續梁法、零支反力法以及懸索橋索力優化的有限元法作為基本方法，并以協作體系橋的建設目標與原則為具體優化方向，本文總結了一種應用于協作體系橋合理成橋狀態計算的方法，并將其命名為分布優化法。實驗過程中拆解橋梁結構構件，并使用ANSYS軟件進行模型的系統迭代計算，按照一定的順序對橋梁的吊筋、主纜、斜拉索、主梁以及橋塔的初始應變進行優化。接著找到纜索的合理初始張拉應變與塔梁構件的無應力長度，然后將構件結合成為整體微調偏差，最后即可得到斜拉-懸索協作體系橋的合理成橋狀態。

具體優化步驟共分為8 步：（1）將所有主梁單元單獨去除，并在索梁錨點與支座節點上面添加剛性支撐，以計算得到二期恒載作用下的剛性支撐的支反力；（2）對吊筋拉力值進行計算；（3）對中跨主纜線形進行計算；（4）計算邊跨主纜線形；（5）計算中跨斜拉索初始應變；（6）計算邊跨斜拉索初始應變；（7）計算橋塔、主梁初始應變；（8）完成前7 個步驟后，得到所有構件的初始應變與主鏈節點的坐標后，將所有構件組裝成為全橋模型。其中剛性支撐連續梁法的計算見圖1。圖1 中使用虛線表示的主纜、斜拉索與吊筋僅用于標識剛性支撐的位置，不參與結構計算。

圖1 剛性支撐連續梁法的計算示意

3 斜拉-懸索協作體系橋的設計優化方法

3.1 協作體系橋整體布置

在初步設計中，充分考慮橋位地質條件、建造相關結構的造價、抗風性能優、受力均衡以及城市造型美觀等基本要求，并將已有相關橋梁分析結果作為基礎理論，對研究方案涉及的主要構件尺寸進行擬訂。以某跨海通道為研究背景，結合橋梁所處的地形特點，并考慮到跨徑需要，設計采用纜索承重橋梁。斜拉-懸索協作體系橋兼具懸索橋與斜拉橋兩種橋梁的特性，在塔高、主梁軸向受力以及懸臂構造長度等方面均比同跨度斜拉橋更小，但在剛度與抗風穩定性方面則比同等跨度的懸索橋更具優勢。因此，研究擬采用主跨度為1 736 m 的斜拉-懸索協同體系橋進行方案設計。協作體系橋整體布置圖如圖2 所示。

圖2 協作體系橋整體布置圖

3.2 吊筋的內力設計

斜拉-懸索協作體系橋整體設計中，應將超限荷載對橋梁的影響充分考慮到設計方案當中，以確保整體橋梁的內力、吊筋索力、加勁梁豎向變形等重要參數以滿足建造工程整體建設要求。在設計時，可根據懸索吊筋的拉索內力對橋面結構進行調整，以達到最優的整體應力狀態，同時也可規避調整過程中的復雜因素，簡化設計過程。而在計算橋梁吊筋內力時，可以試著將主梁線形與相應構件的受力狀況納入其中，并借助協作體系橋對施工結束后的橋梁受力下限值進行計算。在設計橋梁時，可采用吊筋張拉與索力雙控制的方法，以吊筋位移為主，確定索力目標數值，吊筋張拉結束后，再對主梁進行高空作業控制設計。

3.3 橋梁主塔設計

協作體系橋梁主塔的設計，主要包括自身的結構構造和適應性的變形控制。在設計和建造的情況下，主塔可以利用拉索平衡內在承載力。由于橋梁長期服役、外部溫度條件變化、陽光強度等因素影響，橋塔變形逐漸嚴重。在橋塔設計環節中，必須采取行之有效的方法減小該影響。特別是與橋塔頂部控制結構的應力狀態相關的部分，可以設計一個主塔偏差監管測量方案，并在橋塔頂部設置觀測點，利用高精度儀器對橋塔位移進行不定期測量。另外，設計階段還應充分考慮環境因素對主塔形變測量的影響，通過對多種天氣下的橋梁形變進行測量，達到保障橋梁預期的使用與服務效果。在此基礎上，還需充分考慮橋梁荷載，但由于協作體系橋梁的主塔真實受力與理論計算結果之間可能存在較大差別，且無法充分滿足誤差參數辨識要求，可在單塔柱的底端與頂端設置應變敏感單元，以實現對主塔受力變化規律的優化與控制。

3.4 動力特性與振動受力設計

隨著斜拉-懸索協作體系橋跨度的增大，橋梁動力特性的影響也逐漸增大。超長跨度橋梁對風的變化較為敏感，極易發生渦激振動現象，從而破壞橋梁而發生災害。從流體力學的觀點出發，當任意一種非流線形物體處于某一固定速度時，在其兩翼上都會出現一個與其表面分離的旋渦。風致災害可劃分為兩類：強迫諧振和自激振。強迫諧振會導致橋梁結構疲勞，影響行駛者的安全和舒適，而自激振動的振力更大，對橋梁的破壞也更大。因此，在設計時需要充分考慮橋梁的動力特性變化。

在協同體系橋梁設計中，需針對其所承受的顫振載荷所帶來影響進行先行分析。當橋梁設計達到臨界風速后，空氣的反饋性，會不斷導致橋梁持續吸收能力克服自身阻力，接著振幅逐步增大，最終破壞橋梁整體結構。任何一種主梁的斷面都可能出現顫振，因此，在設計施工環節中，應對顫振投入更多關注。在橋梁設計環節，可以選擇并利用分體式結構獨特的斷面形式，減小不同結構間的氣壓差、增加其氣動阻尼，最終達到提高橋梁顫振臨界風速的目的。在進行實際設計時，應充分利用協作體系橋橫斷面的主要面積與顫振鄰接風速之間的相關性，以保證體系橋梁橋面上下兩個方向的氣流互不干擾，達到顫振穩定性要求。

4 斜拉-懸索協作體系橋的施工技術

斜拉-懸索協作體系橋的整體結構較為新穎，但該協作體系橋梁能否被廣泛應用于現實生活中則與施工技術的選擇與制定有著密切相關的關系。此處采用“先主梁后主纜”的施工方法，即先安裝澆筑支架上的主梁后，再將主纜懸掛上去，然后將吊筋張拉上去，完成對主梁的脫模。施工的相關關鍵技術見表1。

表1 斜拉-懸索協作體系橋的相關施工關鍵技術

根據斜拉-懸索協作體系橋的自身特點，并以某大跨度體系橋梁為例，擬定了相關施工流程：（1）將主塔與副塔分開獨立支架進行施工；（2）采用橋位膺架法，將鋼筋-水泥混合料進行組合固定，并現場澆筑剩余混凝土箱梁，保留中間中跨合龍段，張拉主塔和副塔處的主梁腹板上的鋼束；（3）完成斜拉-懸索狀態，并進行脫架；（4）在副塔的位置，對塔梁處進行暫時加固，同時吊掛主纜、張拉背索和懸索節的斜拉索，并將其拆下；（5）對拉索進行調節，以保證收口段的左、右標高一致，線形滿足設計要求；（6）對合龍段箱梁底部施以水平頂推力，并對合龍段進行現場澆筑；（7）在取消暫時限制的情況下撤銷頂推力，從而實現協作體系橋的轉變；（8）在縱向方向上對預應力鋼束及合龍段鋼束進行張拉；（9）開展橋梁面板施工。主纜-空纜的線形構造示意如圖3 所示。

圖3 主纜-空纜線形構造示意

5 結語

在斜拉-懸索協作體系橋的設計工作中，應注重結構的動態性能和總體剛度規范的建立，并充分考慮風振對橋梁動力特性與顫振穩定性能的作用。本文對該協作體系橋進行了初步的分析，并制訂了設計優化方案與施工方案，能夠有效提高斜拉-懸索協作體系橋在實際應用中的安全性與可靠性。