矮塔斜拉桥结构特点及动力特性分析

李晓龙

(西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

通常在中小跨径桥梁中主要采用预应力混凝土梁桥,大跨度桥梁主要考虑斜拉桥和悬索桥。近年来,在预应力混凝土梁桥与斜拉桥之间兴起了一种新的桥梁结构形式——矮塔斜拉桥(也称部分斜拉桥),并在日本、菲律宾、瑞士、韩国得以应用。在我国,矮塔斜拉桥将成为中小跨径桥梁中的主流桥型之一。本文首先简要的介绍矮塔斜拉桥的发展历程及结构特点,并以四川某矮塔斜拉桥为例进行了结构动力特性分析,加深对矮塔斜拉桥的理解。

1 矮塔斜拉桥的发展概况

矮塔斜拉桥是 1988年法国工程师JacguesMathivat在设计位于法国西南的阿勒特·达雷高架桥的比较方案时提出的,并将之命名为“Extra-dosed PC bridge”,直译为“超剂量预应力混凝土桥梁”。1990年德国的Antonie Naama提出了一种组合体外预应力索桥,体外索的一部分伸出主梁,锚固在墩顶处主梁的刚柱上,这种体系与 JMathivat的方案十分相似。日本第一座矮塔斜拉桥是 1994年建成的小田原港桥,以后 10年间,日本建成的矮塔斜拉桥有 20多座,桥梁跨度从初期的 122m发展至 275m,桥宽从 13m发展到 33m。如果从正式建造来判定,可以说矮塔斜拉桥起源于日本。

我国第一座矮塔斜拉桥是 2000年 9月建成的芜湖长江大桥,主跨 312m,主梁采用钢桁梁。2001年建成的漳州战备大桥是国内第一座预应力矮塔斜拉桥,主桥的孔跨布置为80.8m+132m+80.8 m。继而矮塔斜拉桥在中国发展迅猛,先后建成通车的PC矮塔斜拉桥有厦门银湖大桥、兰州小西湖黄河大桥和山西离石高架桥。迄今,国内已建或在建的主跨L≥100m的矮塔斜拉桥有十几座,其中主跨超过 200m的有惠青黄河大桥和珠海荷麻溪大桥。实际上,关于这种桥型的名称在国内外至今未能得到统一。桥梁专家严国敏认为这种桥型受力特性介于斜拉桥和连续梁之间,桥的刚度主要由梁体提供,斜拉索起到体外预应力的作用,相当部分的荷载由梁的受弯、受剪来承受,因此称之为部分斜拉桥;王伯惠、顾安邦等学者认为应称之为矮塔斜拉桥。矮塔斜拉桥的界定成为学者关心的问题。

2 矮塔斜拉桥的特点

部分斜拉桥是介于连续梁桥和斜拉桥之间的半柔性桥梁,因而它兼有连续梁桥与斜拉桥的优点。与连续梁桥相比,它有如下优点:(1)跨越能力较连续梁桥大。当中支点梁高相同时,部分斜拉桥的跨度可比连续梁桥大 1倍以上;(2)对于大跨度梁而言,相同跨度的部分斜拉桥比连续梁桥经济。与斜拉桥相比,它有如下优点:(1)塔高较矮,塔身结构简单,施工方便;(2)斜拉索应力变化幅度小,可采用较高的应力,一般情况下,斜拉桥拉索的应力为标准强度的 0.4～0.45倍,而部分斜拉桥可用至 0.5～0.6倍,从而减少钢材用量;(3)主梁抗弯刚度大,可采用梁式桥施工方法,无需象斜拉桥那样采用大型牵索挂篮,极大地方便了施工;(4)整体刚度大,变形小,尤其适用于荷载大、标准高的铁路桥梁。由于部分斜拉桥的这些优点,就决定了其有独特的特点。

2.1 外形特征

(1)加劲梁的高度由于有斜拉索的帮助而比一般梁桥低,但又比常规斜拉桥的柔性梁高大;

(2)塔高比常规斜拉桥塔高小,因为斜拉索只起体外索作用,1/9～1/11的梁高已可使体外索具有相当大的偏心距;

(3)由于加劲梁已具有一定刚度,因此作为体外索之间的斜拉索不需象常规斜拉桥那样有端锚索,对塔顶水平位移进行约束,布索区段也无需覆盖全部加劲梁;

(4)由于其受力更接近梁式桥,因此边中跨比更接近于梁式桥的 0.5～0.6,而不是常规斜拉桥的 0.4左右。

2.2 受力特征

部分斜拉桥中的拉索应力幅比常规斜拉桥中的拉索应力幅小,因此其拉索的允许应力是采用体外预应力索的允许应力,即极限应力的 60% ～70%,安全系数 17;而常规斜拉桥中的拉索允许应力仅 40%,安全系数 25。也就是说,部分斜拉桥中的拉索从受力特征上讲更接近于一般PC梁桥的体外预应力索。

2.3 构造特征

部分斜拉桥中的拉索在构造上与常规斜拉桥中的拉索不同之处在于塔上的锚固形式。常规斜拉桥中的拉索在塔顶上锚固或张拉,而部分斜拉桥则基本采用鞍座式,斜拉索在塔顶连续通过,但由于摩擦力存在及设有固定装置,实际上拉索在塔顶是不能滑动的。一般采用圆弧形双套管形式,斜拉索从内钢管穿过,施工完成后在内钢管内压入高强度环氧水泥浆。双套管形式可以使换索工作易于进行。

2.4 适应场合

(1)跨度超过梁式桥而建斜拉桥不经济时;

(2)对刚度要求较大,常规斜拉桥不能满足要求,如多跨斜拉桥或铁路斜拉桥。

(3)塔高受限制的地方,如飞机场附近。

3 矮塔斜拉桥动力特性分析

3.1 工程概况

本文以四川某矮塔斜拉桥为例,该桥为双塔双索面,跨度为 128m+248m+128m,墩、塔、梁固结体系。双向六车道,桥面宽 34m,桥塔根部桥面宽 37m。主梁为单箱四室变高度箱型截面,墩顶处梁高 9m,跨中梁高 3.8m。塔墩高 45 m,塔柱高 31m,柱顶 6m为空心装饰段。桥塔横桥向按圆弧形设计,两侧各布 10根斜拉索,梁上索距 4m,塔上索距 1 m。本桥采用悬臂施工,主梁、桥塔同时分节段浇筑,斜拉索张拉完毕后拆除临时塔架。

3.2 有限元模型

利用大型有限元软件 MIDAS/CIVIL2006建立全桥空间有限元组合模型,其中主梁、塔柱、桥墩、桩基础采用空间梁单元模拟,斜拉索采用空间桁架单元模拟,预应力索作为等代荷载施加于梁体。全桥共计节点 1019个,单元 873个。有限元模型如图 1所示。

图1 有限元模型

3.3 计算结果及分析

在结构动力性能分析中,一般情况下结构前几阶自振频率和振型起控制作用,所以只需求结构的前几阶自振频率和振型。本文采用子空间迭代法进行桥梁模态分析,计算模态数量取 20,前十阶计算结果列如表1,限于篇幅本文只给出前 6阶振型图,如图 1所示。

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该桥第一阶振型为主梁横向反对称弯曲,频率为 0.373 Hz。根据相关资料得知,目前国内几座典型混凝土矮塔斜拉桥的一阶自振周期分别为:厦门银湖大桥为 1.05 s,兰州小西湖矮塔斜拉桥为 1.75 s,平顶山市湛河一桥(88+72)m仅为0.726 s,惠青黄河公路大桥(133+220+133)m为2.099 s,均小于同等跨度的普通斜拉桥。而通常大跨度普通斜拉桥的基本周期远远大于 5 s。该桥的一阶自振周期为2.68 s,也小于普通大跨斜拉桥,与上述矮塔斜拉桥的特点吻合。所以,从这一点上也可以看出,矮塔斜拉桥的一阶自振周期基本介于连续梁(刚构)与普通斜拉桥之间,属于刚柔相济的桥型。

由于边墩支座为只受压支座,对主梁和边墩的横向及纵向约束相对较弱,所以主梁的横向振动和边墩的纵向振动出现的较早,频率较低。主梁的竖向抗弯刚度大于横向抗弯刚度;前十阶振型没有出现主梁的扭转,说明箱形主梁有足够大的抗扭刚度。

4 结束语

矮塔斜拉桥是桥梁向轻型化、复合化发展的过程中出现的介于预应力混凝土梁桥与斜拉桥之间的过渡桥型,其刚柔相济的特性,符合结构受力特点,因此具有经济、美观、刚度大、施工方便的优点,其发展具有很大潜力,尤其适合于对刚度要求较高的铁路桥。与梁桥相比,这种桥型造型美观,结构的表现内容丰富,而且具有良好的经济指标,越来越显示出巨大的发展潜力。由于主梁具有足够大的刚度,可容易设计成三塔或多塔桥梁,这一点是斜拉桥所不具有的优点。在今后的桥梁建设中,矮塔斜拉桥将得 到越来越广阔的应用。

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