矮塔斜拉桥研究的新进展
陈从春1,周海智2,肖汝诚1
(1.同济大学桥梁工程系,上海200092; 2.同济大学建筑设计研究院,上海200092)
摘 要:简要叙述矮塔斜拉桥在国内外的应用及研究状况,讨论该种桥型的中文和英文关键词,提出索梁恒载比、索梁活载比和名义刚度的概念,并对这种桥型进行界定,试图揭示这类桥梁的力学本质,最后对该种桥型的发展作了展望。
关键词:矮塔斜拉桥;应力幅;索梁恒载比;索梁活载比;名义刚度中图分类号:U 448.27
文献标识码:A
文章编号:1671-7767(2006)01-0070-04
收稿日期:2005-11-22
作者简介:陈从春(1970-),男,博士生,1992年毕业于湖南大学公路与城市道路专业,工学学士,1999毕业于武汉理工大学岩土工程专业,工学硕士。
0 引 言
随着桥梁技术的发展,桥梁应用的两大趋势是十分明显的,即传统桥梁的轻型化和组合化。组合体系桥梁极大地丰富了桥梁造型。组合体系桥中比较有代表性的是拱梁组合体系、斜拉-连续梁(刚构)体系等,其中斜拉-连续梁(刚构)体系是一种比较新颖的桥型,近10年来应用较多,受到广泛的关注。普遍认为,由Chr istian M enn 设计的建于1980年的的甘特(Ganter)大桥,是斜拉-连续(刚构)体系桥的先驱,其混凝土箱形梁由预应力混凝土斜拉板/悬挂0在非常矮的塔上,这种板可以看成是一种刚性的斜拉索,该桥的出现形成了斜拉桥的一个分支)))板拉桥,由于其与环境的完美结合,成为一道风景。甘特大桥的出现为其后的矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。甘特大桥之后,又有墨西哥的帕帕加约(Papagayo )大桥、美国得克萨斯州的巴顿河(Bar -to n Creek)大桥及葡萄牙的索科雷多斯(Socorr-i dos)大桥等相继建成[1]。
1988年法国工程师Jacg ues M athivat 在设计位于法国西南的阿勒特#达雷(Arr öt Darr Ü)高架桥的比较方案时,首次明确提出了矮塔斜拉桥的方案。该方案是跨度为100m 的预应力混凝土等截面箱梁,塔、梁固结,斜拉索穿过矮塔上的鞍座与主梁锚固。
与此同时,1990年德国的Antonie Naaman 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之上,锚固在墩顶处主梁的刚柱上[2]
。这一种体系与法国Jacgues M athivat 的方案十分类似。
目前这种桥在各国得到广泛应用,日本已建成此类桥梁20多座,中国大陆地区已建和在建的已达
10多座,中国台湾地区有2座,瑞士、菲律宾、老挝、帕劳群岛、克罗地亚各1座,美国珍珠港在建1座;其中,中国在建的惠青黄河公路桥、江珠高速荷麻溪大桥分别达到220m 和230m (预应力混凝土梁),芜湖长江大桥达到340m(钢桁梁),分别为同类桥梁最大跨径。
尽管这种桥梁发展很快,但仍然有很多问题没有很好地解决,本文将就研究的最新情况作一论述。1 矮塔斜拉桥的称谓
对于这种桥型的称呼尚未统一,法国工程师Jacgues M athivat 在提出他的方案时,命名为/ex -tra -dosed PC bridg e 0,直译为/超剂量预应力混凝土桥梁0;日本工程界一直采用这种名称( ¨É©ー ©橋);在美国,这种桥有称为/extra -dosed PC bridg e 0的,也有称为/extrado sed cable -stay ed bridg e 0的;在我国台湾,最初将这种结构称为/外置预应力桥0,后来根据其外形类似恐龙高耸的脊背,而称为/脊背桥0、/拱背桥0。国内的称呼一直存在争论,学者严国敏将其称为/部分斜拉桥0,理由是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,斜拉索主要起体外预应力的作用;王伯惠、顾安邦、徐君兰等学者认为应该称为/矮塔斜拉桥0,而/部分斜拉桥0不够明确,没有道出其外在的形状与内在的结构特征,早期的稀索结构也有/部分0的性质。
目前,这种体系与最初相比又丰富了很多,主梁不仅采用预应力混凝土结构,还可采用钢结构(如中国的芜湖长江大桥),以及钢与混凝土的组合结构(如波形钢腹板梁及结合梁),不仅可以采用刚性梁,
也可以采用柔性梁[如瑞士的森尼贝格(Sunniberg)桥],所以无论是英文的/ex tra-dosed PC bridg e0,还是中文的/超剂量预应力混凝土桥梁0、/外置预应力桥0都不合适;而/脊背桥0、/拱背桥0使人有一种/拱、梁、吊0体系以外的误解,而这种桥型不过是索梁的一种组合体系;另外,对这种塔、梁、索组成的组合结构来说,塔高的变化,直接影响索、梁的受力。因此,/矮塔斜拉桥0是比较贴切的称呼,不仅从外形上概括了这种结构最主要的特征,而且能将其与常规斜拉桥分开,而不会发生歧义,也能为工程界接受。同样基于上述的原因,认为比较合适的英文名称是/extrado sed cable-stayed bridge0,既有继承,也有扬弃。
2矮塔斜拉桥的界定
桥梁结构的基本形式,根据主要受力构件分为3种,即梁式桥、拱式桥和索式桥。由几个不同体系的结构组合而成的桥梁称为组合体系桥,斜拉桥就是一种主梁与斜缆相结合的组合体系,塔、梁、索是主要结构。悬挂在塔上的斜缆和吊扣的主梁紧密协作,使主梁像多点弹性支承的连续梁一样工作,在这个体系里,塔成为索、梁两个基本构件协作受力的关键。改变塔的高度,就会改变索、梁两个基本构件受力的协作关系。这就是矮塔斜拉桥的本质,同时也成为最重要的特征之一。另外,由于塔高的变化致使索、梁受力分配的变化,根据国内外已建斜拉桥的资料可以看出,斜拉桥的塔高为跨度的1/5~1/4,而矮塔斜拉桥的塔高约为跨径的1/12~1/8,后者约为前者的1/2~1/3。
关于矮塔斜拉桥,日本对此作了较多研究。山崎淳,山縣敬二等(1995)提出了两个指标来描述矮塔斜拉桥的特征,即C和B[3]:
C为缆索竖向刚度与主梁刚度的比值:
C=E i(1/D s i)/(1/D Gmax)
=E
i
E c i A c i sin2A/L c i
E G I G/L G3
(1)
式中,D s i为i号缆索单位张力的伸长量的竖直分量;
D Gmax为该缆索处主梁在单位竖向力作用时的竖向位移;
E c i、A c i、L c i、A i分别为第i根索的弹性模量、截面积、长度、角度;E G、I G、L G分别为主梁的弹性模量、截面惯性距、中孔跨度。
B为竖直荷载分担比例:
B=缆索分担的竖直荷载
全部竖直荷载@100(%)(2)
图1为矮塔斜拉桥、斜拉桥的应力变幅随B变
化的情况。山崎淳,山縣敬二等认为,B等于30%为
矮塔斜拉桥和斜拉桥的分界点,小于30%时为矮塔
斜拉桥,反之则为常规斜拉桥。图1的研究表明,矮
塔斜拉桥拉索的应力变幅在50M Pa以下,而常规
斜拉桥拉索的应力变幅在50M Pa以上。
图1应力变幅随B变化情况
但拉索竖向荷载分担率B的概念是不够明确
的,因为对于斜拉体系桥梁来说,活载索力由结构刚
度分配,而恒载索力由人为确定,不同的优化方法得
出来的索力是不一样的。换句话说,对同样参数的
结构,可得出不同的拉索竖向荷载分担率B。所以
不能以拉索竖向荷载分担率B来界定矮塔斜拉桥。
尽管索力是与人为因素有关,但索力的应力幅
只与结构参数有关,应力变幅大小又是决定拉索容
许应力的惟一因素,这正是矮塔斜拉桥与斜拉桥不
同的地方。因此,可以用应力变幅来界定矮塔斜拉
桥。日本学者研究表明,日本的矮塔斜拉桥大都在
50M Pa,国内矮塔斜拉桥中,漳州战备大桥为42
M Pa,兰州小西湖黄河大桥为84.5M Pa,吴淞江大
桥为82.3M Pa。而斜拉桥一般最大应力幅都达到
150M Pa。可见,矮塔斜拉桥的最大应力幅一般为
常规斜拉桥的1/2~1/3。
因此,矮塔斜拉桥是一类塔高约为跨度的1/8
~1/12,应力幅值一般为常规斜拉桥的1/2~1/3的
斜拉体系结构。
3索梁恒载比和索梁活载比的概念
矮塔斜拉桥的荷载分为恒载与活载,恒载状态
下的索力由设计状态确定,而活载状态下的索力由
结构参数确定。虽然决定索力的方法不一样,但索
力的竖向分量总是存在的,因此提出索梁荷载比的
概念来研究其力学行为。
索梁荷载比定义为:
G=缆索分担的竖直荷载
主梁分担的竖直荷载
(3)
