一種自錨式懸索橋的結構研究
2018-03-26
自錨式懸索橋結構新穎，外觀造型美觀，近年來較為廣泛地應用到城市橋梁中。隨著中小跨徑的自錨式橋梁的發(fā)展，在一些的特定條件下，需要對常規(guī)的三跨自錨式懸索橋結構造型進行一些調整。本文將討論邊跨無吊桿的自錨式懸索橋的受力特點，并通過計算，對多種的邊跨跨度的橋型進行比較，給出合理可行的跨度的范圍。同時根據計算分析給出邊跨無吊桿的自錨式懸索橋的極限跨度。
1 結構受力特點
邊跨無吊桿自錨式懸索橋與常規(guī)的三跨自錨式懸索橋結構比較，在以下基本方面有其特點：
1.1 端錨塊
自錨式懸索橋是通過梁端的錨塊將主纜的拉力轉換成主梁的軸力和豎直向上的拉力。水平向軸力為主梁提供軸壓力，作用效果類似預應力。常規(guī)的自錨式懸索橋可以通過轉索鞍和吊桿的共同作用，改變主纜對主梁作用力的角度，進而改變主纜拉力對主梁的軸力和豎直向上的拉力的比例。主纜與主梁夾角越小，主纜對主梁的軸壓力就越大，反之則越小。對于邊跨無吊桿的自錨式懸索橋，邊跨主纜線形無法調整，因此當邊跨跨徑和主塔塔高確定的情況下，邊跨主纜的線形也就是確定的。通常情況下，邊跨無吊桿自錨式懸索橋的主纜與水平向夾角大于常規(guī)自錨式懸索橋，因此通常需要體積比較大的邊跨錨塊壓重進行平衡。
1.2 主梁
整個自錨式懸索橋的主梁受力結構是一個邊跨跨徑比較大的多跨連續(xù)梁結構。因此，若主梁采用相同的截面，則邊跨主梁通常需要設置預應力，以滿足恒載和運營荷載的作用。中跨主梁與常規(guī)自錨式懸索橋受力基本相同。
1.3 主塔
運營階段主塔的應力幅要稍大于常規(guī)自錨式懸索橋的應力幅。施工階段通過合理的施工順序，可以實現(xiàn)主塔的控制應力滿足規(guī)范要求。
1.4 主索鞍
由于邊跨無吊桿的作用，因此邊跨主纜由空纜線形張拉至成橋線形的過程中只有兩種途徑，一是通過索鞍頂推，二是在主纜錨固端張拉主纜。因此，如果單純依靠頂推索鞍，則索鞍頂推距離將比較大，甚至會大于主塔縱向尺寸的1/2。對于跨度比較的此類橋型，需要將索鞍頂推和錨固端主纜張拉相結合。主纜張拉的過程中也要配合吊桿的張拉。在施工控制的過程中，特別是張拉初期，要特別注意主纜和主索鞍之間的摩擦力。嚴防主纜和主索鞍之間的相對滑動。
2 邊跨合理跨徑的討論
從主梁結構受力的角度上考慮，邊跨比較合理的應該為30～50米。但是邊跨的跨度大小與中跨的跨度矢高以及主梁截面等因素有關。若只考慮邊跨梁端錨塊的壓重，邊跨主纜的傾斜角度越小，產生的豎直方向分力就越小，需要的梁端就越小。因此，邊跨主梁的跨度越大，越有利于梁端壓重。當中跨跨度和矢高確定時，根據H=ql2/8f，邊跨主纜的水平拉力也是確定的，所以邊跨主纜的拉力僅與主纜的傾斜角度有關。
tanθ= h/L2
其中h為主梁與索鞍之間主塔高度
L2為邊跨跨度
θ為邊跨主纜與水平方向夾角
即邊跨主梁的跨度與邊跨主纜的傾角的正切值成反比。除了考慮梁端的橫梁的壓重外，還需考慮邊跨主梁的縱向受力情況、主塔的受力情況以及整個結構在汽車等活載作用下的性能。本文以一中跨為120m，矢高20m，梁寬18m的自錨式懸索橋為例，分別采用30m、40m、50m的邊跨跨徑，對應的幾種考慮因素的情況：
上表中，壓重為扣除主梁重量后增加的混凝土重量。通過比較可知，梁端壓重的重量，隨著邊跨的跨徑的加大不斷減小。邊跨主梁、主塔的最大彎矩與邊跨主梁的跨徑不接近線性關系。在40m左右為最小值。
中跨主梁在汽車荷載作用下的豎向變形值，隨著邊跨跨徑的增大逐漸減小。因此在對于邊跨無吊桿的自錨式懸索橋確定邊跨的跨徑時，應考慮各個影響因素。綜合各個因素考慮，比較合理的跨徑范圍應該為0.3～0.4L1比較合適。L1為中跨的跨徑。
3 中跨合理跨徑的討論
根據邊跨的跨徑的合理范圍的討論，邊跨無吊桿自錨式懸索橋邊跨的壓重混凝土的重量主要取決于中跨重量。因為壓重混凝土的體積不可能無限制的增大，因此也就決定了此類自錨式懸索橋只能適用于中小跨度的自錨式懸索橋。對于跨度大于150米的混凝土自錨式懸索橋，其梁端壓重塊的體積將過于龐大，影響結構美觀，也影響結構的經濟性。中跨采用鋼結構主梁可以降低邊跨混凝土壓重量。
4 壓重處理
邊跨梁端壓重是邊跨無吊桿自錨式懸索橋需要重點考慮的因素之一。增大梁端壓重混凝土的重量一般是通過增加梁端主梁的梁高來實現(xiàn)。但是當梁高高于5米后，對結構的美觀和施工都存在很大影響?？梢钥紤]增加壓重塊的梁長，特別是邊跨支撐點后的梁長，最有效的增加壓重混凝土對邊跨支點的力矩。此外還可以通過調整主纜的錨固位置，來增大邊支點的反力，也可以減小混凝土的壓重量。
5 結語
邊跨無吊桿的自錨式混凝土懸索橋適合中跨跨度比較小的中小跨度結構。其跨徑布置時應重點考慮邊跨梁端壓重、邊跨主梁以及主塔的受力等因素?；炷两Y構中跨不建議大于150m，邊跨跨徑建議為0.3～0.4倍中跨跨徑為宜。中跨采用鋼梁結構，邊跨采用混凝土梁，對于此類橋型是比較適宜的結構。
參考文獻
1 劉健新等. 大跨度吊橋. 人民交通出版社，1995
2 錢冬生等. 大跨懸索橋的設計與施工. 西南交通大學出版社，1992
3 張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2005.
4 周孟波.懸索橋手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.
