大跨度桥梁结构体系设计优化

2020-12-22胡湘艳郭红铄

居业 2020年11期

李龙胡湘艳刘鹏郭红铄

(湖南交通工程学院交通运输工程学院，湖南衡阳 421001)

20世纪30年代以来，随着社会发展的需求，世界上大跨径桥梁建设发展突飞猛进。不同桥型大跨径桥梁的发展，日益被各国桥梁界人士所关注。20世纪90年代以来，随着世界经济和科学技术的高速发展，大跨度桥梁的建设出现了前所未有的高潮，大跨度桥梁在公路交通中的角色越来越重要。悬索桥的最大跨径已经达到1991m(日本明石海峡大桥)，斜拉桥的最大跨径达到1104m(俄罗斯岛大桥)。而限制桥梁发展的一个原因就是结构体系设计问题，而不断增多的大跨度桥梁工程数量致使其结构形式逐步向多样化、复杂化发展。但随着大跨度桥梁使用年限的增长和运输量的增多，导致桥梁结构出现了或多或少的问题，结构优化问题越发突出。因此，必须对大跨度桥梁结构实行优化设计，进而避免相关质量问题及安全问题的出现，促进我国交通事业的平稳发展。本文针对大跨度桥梁结构体系模型进行设计，对传统结构模型进行优化，设计出跨度大，结构安全的桥梁模型，对桥梁结构的发展具有重要的指导意义。

1 大跨度桥梁发展现状

我国幅员辽阔、地形复杂，随着经济和科技的发展，对大跨度桥梁的需求也日益凸显，现如今大跨度桥梁技术比较成熟，桥梁跨越能力越来越强，比如矮寨特大悬索桥，主跨为1176m的跨峡谷大桥；武汉杨泗港长江大桥，主跨跨径1700m，为世界最大跨度双层公路悬索桥；苏通大桥，主跨跨径1088m，是世界位居第二大跨径斜拉桥；重庆朝天门长江大桥，主跨552m，为世界第一大跨径拱桥。以及正在建设的南京仙新路大桥，主跨跨径1760m的单跨悬索桥；常泰过江通道，为世界上首座一桥三用的过江通道，集六车道高速公路、城际铁路和一级公路于一体，横跨长江的主航道桥主跨长达1176m，将成为世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥。由此可以看出目前大跨度桥梁主要是悬索桥、斜拉桥、拱桥，这三种桥型跨越能力强，技术较为成熟。限制大跨度桥梁进一步发展主要有两个因素：一是轻质、高强的新型材料；二是桥梁结构体系优化更新。但是新材料的开发利用仍旧不能满足大跨度桥梁的需求，所以大跨度桥梁的进一步发展，需要对桥梁结构体系进行优化，设计出更加稳定合理的结构体系。

2 大跨度桥梁结构模型设计

2.1 斜拉-拱桥

斜拉-拱桥根据斜拉桥、拱桥各自的有点进行设计，其结构模型如图1所示。

(a)斜拉桥

(b)拱桥

(c)斜拉-拱桥图1 斜拉-拱桥的结构模型

索-拱结构最初应用在一些建筑中，比如体育馆等，近几年随着大跨度桥梁的发展，索-拱结构开始出现在桥梁结构中。拉索是一种轻质、高强的柔性结构，只能承受拉力作用，抗震性能相对较差；拱结构以受压为主，拱脚水平推力较大，对地基基础要求较高。斜拉-拱桥充分发挥两种结构的优势，且能够弥补彼此的缺点，扬长避短，造型优美。斜拉-拱结构与单斜拉、拱结构相比，由于拉索与拱相连，通过控制拉索的水平倾角以及预应力调整拱结构中的压力和最大弯矩，使主梁内力分布更均匀合理，从而可以降低拱肋的横截面积，降低结构自重，使结构具有更好的稳定性与刚度，充分利用了索受拉、拱受压的结构特性，结构更加合理，跨越能力增大。

斜拉-拱桥在我国桥梁中已有应用，例如湘潭莲城大桥(湘江四桥)(图2)采用了双索斜拉-飞燕式钢管混凝土拱桥桥型，主拱采用中承式双肋无铰平行拱，斜拉索以扇形布置。主拱圈的作用提高了斜拉桥的刚度，拉索内力减小，降低索塔高度；而索塔既能传递拉索内力，突破传统飞燕式拱桥的造型，又能在施工过程中作为缆索吊塔和扣索塔架使用；通过调整斜拉索的预张力，可以调整拱圈轴线减小拱圈压力、弯矩以及拱脚的水平推力。

图2 湘潭莲城大桥(湘江四桥)

2.2 斜拉-悬索桥

斜拉-悬索体系桥梁顾名思义是由斜拉桥和悬索桥组合而成的桥梁，主要由主缆、吊杆、加劲梁、斜拉索、主塔、副塔以及基础等组成。斜拉-悬索体系的研究由来已久，从1883年约翰·埃·罗勃林提出罗勃林体系开始，斜拉-悬索体系桥梁经历多次修正，具有代表性的主要有罗勃林体系、狄辛格体系、修正的狄辛格体系、斯坦因曼形式、林同炎形式、吉姆辛形式以及斜拉-自锚式悬索体系。

近年来，学者们更热衷于研究斜拉-自锚式悬索体系的应用。斜拉-自锚式悬索体系桥梁主跨一定范围内为悬吊结构，桥面荷载由吊杆传递给主缆，再由主缆传递给主塔以及基础，同时部分桥面荷载由拉索传递给主塔和基础，故与同跨径桥梁相比，主缆相对较短，内力减小，降低锚碇混凝土用量以及主塔高度。所以，采用自锚式斜拉-悬索体系可以降低工程造价，悬臂施工段缩短，增加结构刚度和抗震、抗风稳定性，施工安全性能提高，跨越能力明显增强。

现在大多数斜拉-悬索桥仍处于理论研究阶段，当然也有部分桥梁提出斜拉-悬索体系并被采纳，比如大连庄河市建设大桥(图3)、汉中龙岗大桥(图4)均采用了自锚式斜拉-斜拉体系桥梁。

图3 大连庄河市建设大桥模型

图4 汉中龙岗大桥模型

2.3 悬索-拱桥

1992年我国学者初醒悟在全国桥梁结构学术大会首次提出悬索-拱桥的构想，并对其静力位移、低阶固有频率、振型等各方面进行了分析。

悬索-拱桥以悬索和拱圈作为主要受力结构(图5)，拱圈为承压的刚性结构，悬索为受拉的柔性结构，故由悬索承担桥面结构的一期荷载，拱圈承担桥面结构的二期荷载和活载，二者共同作用，具有造型优美、刚度大、稳定性强、跨越能力大等特点。在采用悬臂法或者转体法进行施工时，需要在拱座设立较高的索塔，由于拱脚会产生较大的水平推力，所以往往需要设置锚固于边跨端部的水平系杆，若将系杆转换成自锚于边跨端部的悬索结构，不仅可以平衡一部分拱脚的水平分力，还可以承担一部分桥面竖向荷载，所以结构的跨越能力显著增强。

图5 悬索-拱桥

张家口通泰大桥(图6)是世界上跨度最大的下承式钢结构悬索拱桥，也是国内第一例主梁为下承式钢结构悬索拱桥。

图6 张家口通泰大桥

2.4 稳定型悬索桥

由于主缆为柔性结构，所以悬索桥存在稳定性差、变形大的缺点，因此有学者在普通悬索桥的基础上在桥面下方增加了由倒张索和拉杆组成的倒张结构，称为稳定性悬索桥(图7)。由于倒张索与主缆结构中的预张拉力方向相反，所以稳定型悬索桥形成了预张拉结构，整体稳定性和刚度均有所提高。在设和施工中，可以通过调整倒张索的预张拉力对结构受力进行优化，由于稳定性悬索桥不再需要依靠结构自重所产生的重力刚度来维持桥梁的整体稳定性，因此与普通悬索桥相比可以通过优化加筋梁减轻桥面自重，节省造价。