桥梁工程柱式塔同向回转斜拉-悬索协同体系设计分析

2023-08-18候耀华

四川水泥 2023年8期

候耀华

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

斜拉-悬索协同体系是一种新的桥梁设计形式，由斜拉-悬索两种体系协同作用，实现优势互补，尤其适用于大跨度桥梁。虽然斜拉-悬索体系在设计理念、设计技术和施工技术上取得了很大的进展，但在具体的桥梁设计中，需要提出一些具体的结构设计措施，以充分发挥系统的优点，提高系统的性能。某省一条跨江隧道位于长江下游，其全长55.5km，设计时速为100km/h。从方案设计看，采用急流、深泓、通航为主；根据跨堤、城市交通、投资控制等工程施工条件，设计成双向8车道道路；其主跨为1620m，是一种新型的斜拉-悬索组合桥型。本文以该跨江隧道桥梁为例，对柱式塔同向回转斜拉-悬索体系的设计进行分析。

四是加大了找水、打井的力度。西南五省新打抗旱水源井1.8万眼，购置运送水车7615辆，应急调水6000多万m3，累计为群众送水941万t，新建抗旱应急调水工程4307处，新建五小水利工程7万多处，铺设输水管道2万多km。

1 构建协同体系

1.1 形成空间结构

协同体系的承载能力较低，但其优点是悬索和锚杆材料的使用有所减少，缺点是由于近塔空载荷和吊索重量的减小而使其刚度下降，为此在结构设计上应用空间悬索，悬索从塔尖向下，到中间逐步伸展，中间用一根横撑使其撑开。通过对结构进行改进，一方面，横向拉杆增加了结构的内拉力，使其自重刚度得到相应的改善；另一方面，两个横梁在纵向上分别与两个悬挂结构相连，并在此基础上产生共同的横向和纵向的几何刚度[1]。在空间吊索结构的设计上，采用单柱式桥塔、四索面斜拉索、分体钢箱梁，通过悬挂系统的协调，提高结构的空间特性和结构的整体刚度，从而从理论上解决由于刚度降低带来的问题。

1.2 主跨斜拉和悬索体系的结合

协同体系中主梁的斜拉段是压弯构件，而到悬索段几乎是完全弯曲，甚至是拉弯构件，存在着拉、压界面安全性问题，为此设计如下方案和应对措施：

（1）对边跨进行加载，通过增大侧跨受力，使主梁受力作用于主跨，由此产生主跨悬索的受力；

在传统的桥型450侧跨不能去掉附加桥墩的情况下，整体的静强度刚性很差，而且侧跨和中跨的活荷载变形大大超过了其规范要求，因此需要对其进行加固处理。通过将3对、5对、9对的侧跨尾部的吊索进行结构设计，以此来与边跨活载的挠度值影响进行计算和对比，如表1所示。

（3）在四索面斜拉索和主跨处的交叉区，悬索位于主跨处，将四索面斜拉索与悬索在交叉区转换成内拉外吊双索面斜拉索与悬索，使两个体系实现平稳的融合。

1.3 在边跨中设置悬吊辅助跨

由于施工条件的限制，450m的边跨未设置辅助桥墩，给桥梁的整体刚度和边跨尾索的应力幅值控制带来极大的困难[2]。针对该问题，采取在边跨中设置悬吊辅助跨的方法，即在边跨中以四索面斜拉索为主，采用双索面斜拉索与内拉外吊索，对尾部梁段进行刚性加固，从而达到桥辅跨的锚固作用。

在塔顶部设置一个双吊索的空间悬索，并在下部分层设置双索面和四索面斜拉索。由于传统的桥梁塔采用箱形截面，其承载的吊索鞍座压力和斜拉索造成的张应力异常，给单柱梁的使用带来极大的不确定性。从根源上来看，在斜拉索绕过桥塔后，采用同向旋转的拉索体系，使其在桥塔的同一侧主梁上进行锚固，在桥塔上，套环的承压锚索区域由拉伸应力变成压应力（如图2所示）。通过这种方法，可以在不受拉应力的情况下，实现对塔架进行无拉应力的联合锚索，从而确保其安全、耐用性。同时同向旋转拉索在桥塔上的后压锚索结构，也是一种很好的单边安全措施，使中跨和边跨（四索对应）的斜拉索和悬索面可以灵活转换，如图3所示。

表5所示为制备的活性炭基脱氯剂与国内某牌号的丙烯用活性炭基脱氯剂AC-101的性能对比。分析可知，CT-01I不仅强度、磨耗、孔容及比表面积等均明显优于AC-101，而且其穿透氯容和饱和氯容亦远高于AC-101，分别高约3.13%和4.59%。因此，该活性炭基脱氯剂更适合于丙烯深度脱氯。

1.4 双向阻尼约束系统

因桥梁结构为空间结构，单柱式桥塔系为纵向阻尼+横向极限支承，虽然可以很好地控制结构的纵向动态反应，但是对结构的侧向动力作用仍然很大[3]。如果再安装一个横向减振器，会造成主梁的纵向位移。根据实际情况，在各塔、梁交汇处设置4个斜置阻尼器，4个梁对称设置（如图1所示)，在此基础上，既可达到纵向、横向两种阻尼，又可改善桥梁的双向动态特性。

1.5 同向回转拉索系统

自2015年来，我市充分借助地质灾害综合防治体系建设重点省份的大好契机，加大对地质灾害防治的投入。一方面积极争取中央和省财政专项资金和项目，累计开展了近两百个地质灾害隐患勘查、应急处理与治理工程项目和828户搬迁避让项目，3年来，共争取上级投入资金约1.5亿元。另一方面，各地政府克服“等、靠、要”的思想，创新思路，多方筹措资金，积极开展地质灾害防治工作。以2017年为例：各县市区本级财政投入开展地质灾害治理的项目累计达到76个，总计投入的经费约6000万元。此外、交通和铁路部门在工程建设和运营中，也投入了大量资金对境内铁路、公路沿线地质灾害隐患进行了有效的防护和治理。

图2 套箍式承压锚索区图示

图3 主跨斜拉索和吊索设置转换

2 形成协同体系

2.1 设计与架设空间悬索

由顶部至中间部分的空间吊索逐渐延伸，从顶部的鞍座到中跨的中间间隔为37.8m。为在横桥方向上实现部分悬索的合理间距，在梁与梁之间设置横向支撑。在有限元计算中，对传统的方法进行改进，比较三个侧向和五个侧向支承在索力分配上的作用，最终选择5个侧向支承。该结构采用一种具有610mm的外径和壁厚20mm的钢制结构，由凸缘和悬挂索相连。经测算，成桥时的最大压强分别为3037kN、3294kN和208kN。

与常规悬索法相比，悬索桥的建设关键在于在结构设计中怎样在水平上逐渐地形成一条空间直线。在完成猫道的建设后，利用猫道支承绳架设暂时的猫道横梁，并在吊杆成型后进行；通过安装猫道的临时悬索梁来支撑逐步增多的悬索，以确保吊索的侧向定位[4]。吊索完成后，在固定吊索上使用索卡法兰接头进行固定吊索的安装，并进行拆卸。

2.2 安装主梁

斜拉梁分段由起重机悬挂，用起重机将其梁分段吊装；在整个吊索段的末端进行主跨合拢。同时斜拉-悬索协同结构的特征也在主梁的安装中得到体现。该桥与单纯的斜拉桥和悬索桥相比，可以在6个工作面上同时进行主梁的安装，即在悬挑部分梁段的同时，从跨中向两边进行吊起。在这种情况下，协作体系的梁分段可以缩短工程工期的二分之一。此外，还可以利用悬挂方法来悬挂一部分的斜拉梁体，也可采用悬架方式，将其与大悬臂梁进行暂时的悬架，以提高其静、动力稳定性。

2.3 交叉区的吊索安装

方案一：先安装完毕所有的斜拉索，然后在横梁上安装横梁。本方案的特点是确保了侧吊的基本内力。交叉区的斜拉索的作用十分明显，其由辅助吊索承担活载荷，并承担起边吊的活载荷内力，以减少其活荷载的幅度；交叉区的斜拉索调整简单，通过对边吊的起重应力幅值的计算，确定初始拉力的最佳值；按施工顺序进行边跨的设计。

3.1.3 主梁计算

为了便于对吊索的受力进行控制，本方案采用先安装全斜拉索，并在合拢后进行跨线段吊装。

3.1.2 桥塔设计计算

3 计算协作体系

建立协调体系中的桥梁模型是十分必要的。主梁和桥塔架均用空间梁进行模拟，吊索、悬索和斜拉索均以空间索为单位进行仿真，因此，在系统形成的过程中，将斜坡的阻尼限制纳入计算，并采用定量的分析方法。

3.1 静力性能

3.1.1 静刚度的计算

（2）在主跨侧悬索的基础上，为了使主桥悬索桥受力更大，索桥设计中应采取斜拉索的方式；

最后，在边跨尾设9对吊索进行方案设计。在此基础上，桥的最大上、下位移分别为503mm、2501mm，整体静刚度较好，说明悬索桥具有预期的锚固作用。

（73）白边鞭苔 Bazzania oshimensis（Steph.）Horik. 马俊改（2006）

学生译文2：The Chinese have the habit of eating Yuanxiao and enjoying the festive lantern on the 15th of the first lunar month.

3.1.4 斜拉索、悬索及吊索计算

方案二：先将所有的吊索全部安装，再将吊索安装到桥面。该方案的主要特点是保证了斜拉索的基本内力，而交叉区悬索活载荷作用的幅度很难有效地控制；交叉区的斜拉索具容易安装，其初始张紧能以减小悬吊体的活载荷应力幅值为目标，桥梁的建造次序比较简单。

对于洪都拉斯的经济来说，农业至关重要，这从农业对GDP的贡献可以反映。除了传统作物如咖啡、谷物、香蕉、油籽和可可，新鲜果蔬作物的农业国内生产总值的贡献显著。2001年，蔬菜和水果对GDP的贡献分别为3.7%和2.3%[2]21-22。蔬菜和水果部门分别包括大约15,000个和10,000个农民。除了那些大型养殖区的出口企业，这些大多是小型农场。

分析结果表明，实施改进措施后，主梁的受力状况起到了很好的作用，主梁的各部位都处于持续的受压状态，斜拉索与吊索交界处的主梁上、下缘应力过渡较平稳，而中跨悬索桥的主梁最小压力值为2.2MPa。

桥塔采用三种不同的受力方式进行试验，其最大压应力为15.98MPa，并保持了较好的状态，且在施工阶段，裸塔、最大双悬臂及单悬臂的稳定性分别为18.6、12.3、1002，每一阶段都能确保其稳定性。

依据上述假定，建立分析简图，如图1所示。图中，p为桩后滑坡推力，a为抗滑桩截面宽度，b为抗滑桩截面高度，L为相邻两桩净间距。

采用边跨尾斜拉索、悬索、中跨边悬索、边跨侧吊索为例，对其进行最大应力幅值的计算，其结果可低于200MPa的理想值（见表2所示）。

表2 运营阶段斜拉索、悬索和吊索应力情况

3.2 抗震性能

对顺桥向+竖向、横桥向+竖向组合结构进行检验，重点探讨塔梁与塔梁在不同结构下的受力与移动的关系。

通过调节水平天窗开启面积改变风机负载，对风机风量进行调节。利用2种方法对不同水平天窗开启面积下的风机风量进行测试，2种测风方法的相对误差计算公式见式(11)，2种测试方法的测试结果见表1。

整体上塔与梁间设置斜向阻尼约束体系后，在地震作用下，所有墩柱、塔、桩等最不利截面的地震弯矩都比其最大弯曲值小；在荷载作用下，在1%的配筋比例基础上，最大受力比极限的弯曲扭矩要小，并且能够恢复。

在建立斜坡减振限制体系之前，梁与塔柱间的横向相对位移大于1m，大于25cm时，塔柱与梁间的预留空隙将会导致塔柱与梁的碰撞。在此基础上，在地震作用下，梁与塔之间的横向相对位移减小到小于20cm，避免发生碰撞，同时塔与梁之间的相对速度和相互作用力也显著下降。

3.3 抗风性能

按照《公路桥梁抗风设计规范》（JTGD60-01-2004）的要求，计算出桥面上的设计基础风速为49.6m/s，其颤振试验风速为70.8m/s。三维颤振分析结果显示，协同系统在运行期的颤振临界风速为97、91、88m/s，在-3°、0°和+3°的风攻角下，均比70.8m/s的颤振临界风速高。通过数值模拟，发现当塔与梁间设置斜坡阻尼约束体系后，在脉动风的作用下，在进行安装前，梁与塔架的横向相对位移已经达到1m，超出了25cm高的塔架与横梁之间的预留空间，导致塔架与横梁的碰撞，移动量减少到10cm左右，不会再出现冲突。