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劉效堯談橋梁結構的演變與組合

2011-10-26　來源：中國橋梁網(wǎng)

橋梁有多少種類，在建筑學和結構力學意義上還會出現(xiàn)新的橋型嗎？有規(guī)律嗎？能預測嗎？本文將嘗試予以回答。

    1．橋梁構件組合

     筆者曾試圖找到橋梁的基本結構元素，并組合派生出許多并不陌生的橋型出來（表1）。類似門捷列夫的元素周期表，還預測可能會出現(xiàn)的新橋型，也留出許多空格，等待填補。此后確實有人實現(xiàn)了預測新型橋梁，在此有必要再回顧一下表1的解釋。


    1.1．單純型橋

     主對角元是單純性橋梁，Q11吊橋、Q22桁架橋、Q33拱橋、Q44梁橋，分別由索、桿、曲桿、梁等單一的線元素組成；Q55、Q66、Q77分別由單一的平板（膜）、彎板、殼組成的箱結構、板橋、雙曲橋。

    1.2．復合橋

     主元素兩側的副元都是兩種元素組合成復合型橋。

    1.2.1拱與索

    （1）Q13——是在曲桿內側張拉索，加大拱的軸力，增強拱的特征。圖1，a）是蘇格蘭（Glasgow, Scotland）的一座人行橋設計方案，利用了內側張拉索。曲梁橋主梁由下吊索懸吊著（類似下承式拱的吊桿），下吊索掛在傾斜的拱上，拱的上面又有差不多等長的背吊索張拉著，再由一根彎曲主背索穿在這些等長背吊索的末端，彎曲主背索張緊后，兩端錨在地面錨碇上。橋面曲主梁、下吊索、拱、背吊索、主背索彼此互相傳遞著作用，形成一組大串聯(lián)的復合結構，把復合橋演繹得淋漓盡致。


    還有一種設計，見圖1，b）省略斜拱，而曲梁采用“L形”構件。L水平肢上支承行走橋面系，L豎肢頂端穿以背索，張拉背索成橋。已完成靜動載模型試驗，強迫振動加速度0.578m/s2，接近捷克《1988人行橋設計標準》規(guī)定不適感允許值0.589 m/s2，需要設置阻尼器。

     （2）Q31——是在曲桿外側張拉索，減輕拱的軸力，有“去拱”的趨勢，進入了索橋的范疇，保留著拱的特征。2007年湖南建成了跨徑400m的“湘潭湘江四橋”，就是Q31復合橋，見圖2?？梢苑Q為拱式斜拉橋，或懸吊式拱橋，前者名稱比較恰當，但是這種橋型尚未顯現(xiàn)其結構優(yōu)勢。

    這種橋型實際上就是把懸臂節(jié)段拼裝肋拱橋的臨時拉索系統(tǒng)永久化，用以分擔拱肋的負擔。但是索尾是錨固在邊跨混凝土梁上的自錨體系，梁的重量和塔的彎矩接近于零，兩個約束決條件定了拉索對拱軸力影響的程度。

    1）拉索將有減小中部拱段的軸力，加大根部拱段軸力的趨勢。而在均布荷載g作用下，拱足的軸力N0原本就大于拱頂?shù)妮S力Nf。例如跨徑為L的二次拋物線無鉸拱中

    ；；。

    2）均布荷載q作用下在拱頂無彎矩。成對索力的影響線hab(a)、hcc(a)、vab(a)、vcc(a)如下式和圖3，半跨坐標a=x/L，x≤L/2，矢跨比f/L，

    （1）一對水平拉力對根部彎矩：f×hab(a)=2fa(1-a)[(1-a) (2-7a+8a2)+a(3-9a+8a2)]；

     （2）一對水平拉力對拱頂彎矩：f×hcc(a)=-2f(3-14a+20a2-8a3)a2；

     （3）一對豎向拉力對根部彎矩：L×vab(a)=La(1-a)(1-5a+5a2)；

     （4）一對豎向拉力對拱頂彎矩：L×vcc(a)=La2 (3-10a+5a2)/2。

    其中水平力分力影響線不變號；豎向分力影響線在區(qū)間[0.26，0.36]之間變號。只要布索區(qū)均不大于L/3，拱足影響線大部分位于正彎距區(qū)，可以組合出正彎距；拱頂影響線分居正、負彎距區(qū)，可以組合出零彎距。所以建議拱上跨中L/3區(qū)間不宜布索。

    當矢跨比f/L=1/4~1/5時，水平拉力對根部影響較大，比較容易調整索力達到理想狀態(tài)。


    1.2.2．梁與索——大梁段與稀（集中）索

    (1)實際上早期的稀索斜拉橋是梁與索的復合體系，委內瑞拉于1962年建成的馬拉開波橋就是一例Q41復合橋（圖4），與現(xiàn)代密索斜拉橋Q21有著本質的區(qū)別。稀索斜拉橋是以索支承梁，梁仍然是以受彎為主的構件；密索斜拉橋是壓桿撐開索，梁是作為壓桿為主的構件，受彎功能已從有跨度的連續(xù)梁轉換到有長度無跨度的彈性地基連續(xù)梁。Q41不同于Q21常規(guī)的斜拉橋，Q21梁的高度小、索密、塔高，梁分擔的車道荷載作用與橋的大跨徑相比較是微小的。隨著索的加密，馬拉開波橋此后進化為高塔斜拉橋——常規(guī)斜拉橋。

    馬拉開波湖橋（Maracaibo Lake Bridge）和烏爾塔內塔將軍橋，位于南美洲國家委內瑞拉的第二大海港城市馬拉開波市。大橋連接馬拉開波湖東西兩岸，將馬拉開波湖周邊地區(qū)的公路網(wǎng)連為一體，是世界上第一座公路預應力混凝土斜拉橋，第二座現(xiàn)代斜拉橋。該橋為六塔雙索面稀索體系雙箱單室預應力混凝土箱梁斜拉橋，24組拉索從塔頂拉向橋面，橋塔縱向為A形，橫向為門字形，下塔柱另有X形墩向上支撐橋面。馬拉開波橋主橋共有5孔，跨徑235米，寬17.4米，塔高86.6米，梁高5.4米，最高處距水面45米，全橋長8.7公里，由意大利結構專家工程師莫蘭第（Rieca do Morandi）于1957年設計，1958年動工，1962年建成通車，其造型結構是受到英國福斯橋（圖5）的啟發(fā)，并改造成斜拉索體系。


    Q14于Q41不同，Q14是體外預應力橋，以梁的特征為主。

    (2)此外，收集到Q41——老撾的日本橋資料（圖6），“矮塔”而且“拉索集中”錨在跨中三分點附近。從構件組合來看，索減小梁的彎矩，有“去梁”的趨勢，進入了索橋的范疇，保留著梁的特征。其施工方法也與常規(guī)斜拉橋不同（圖7），繼承了梁式橋傳統(tǒng)的桁式掛籃架設工法。此后進化為典型的矮塔斜拉橋——部分斜拉橋。

    Q41這種結構可以用在懸臂梁橋、連續(xù)梁橋、剛構橋加固，已有工程實例。安徽省也曾對五河淮河大橋主橋5×90m跨徑的T形剛構橋（掛孔長30m）計劃過這種加固方案。由于塊件拼裝縫開裂、混凝土老化，對老橋殘存承載能力判斷不確定，也就是懸臂梁與拉索共同承載時怎樣設定懸臂梁的總體殘余剛度。怎樣才能恰到好處，使拉索既能幫助T構共同受力，又不至于起反作用擴大老橋已產(chǎn)生的損傷導致中斷交通？斟酌再三最終作罷。

    2．混合法

    20世紀后期，又有了進一步發(fā)展，在表1的基本橋型上再進一步采用“串聯(lián)、并聯(lián)”方式的“混合法”，構成混合式橋梁，有幾個實例，在此逐一介紹分析如下。

    2.1并聯(lián)式混合法

    兩種形式的橋共同而且各自支撐著同一段橋梁行車道稱為并聯(lián)混合法。兩種支撐作用是耦合的，由變形協(xié)調條件決定著他們分攤的作用。

    2.1.1.連續(xù)梁+系桿拱

    圖8中的杭州鋼河橋就是連續(xù)梁橋和系桿拱的并聯(lián)混合式橋梁，連續(xù)梁和系桿拱共同支承車道系，隨著拱和梁的剛度變化，協(xié)調分配承擔比例。連續(xù)梁中孔L=130m；根部梁高4m，L/32.5；跨中梁高2.5m，L/52；端部梁高2m。拱矢跨比L/4.75；吊桿間距5.8m，1860MPa的GJ15—27鋼絞線。全支架施工，一次落梁。

    當連續(xù)梁根部梁高為L/35—L/25，可以承受全部或一部分自重，邊孔可為0.35L至0.45L，大大小于連續(xù)梁的合理邊跨比，節(jié)約非跨河橋梁長度。這種橋型是可以根據(jù)邊孔跨徑長度不同，采用全懸臂或部分長度懸臂法施工；在采用部分長度懸臂法時，可以在主跨中部輔以河中臨時支架。


    2.1.2．斜拉索+懸索橋

    斜拉懸索橋約有40至50余座，大多在19世紀修建，跨徑不大。其中比較知名的Brooklyn橋是用斜拉索加固懸索橋，初衷不是斜拉懸索橋。現(xiàn)代斜拉懸索橋以貴州烏江大橋為代表。見表2和圖9。


    圖10中的布魯克林橋就是懸索橋用斜拉索加固的實例；圖9貴州烏江大橋是1997年建成的世界第一座現(xiàn)代吊拉混合橋(斜拉懸索橋)，跨徑為66+288+66(m)。他們由吊索和斜拉索共同而且各自支撐著行車道梁。吊索和斜拉索作用是耦合的，由變形協(xié)調條件決定著他們分攤的作用。吊拉混合橋還有更大跨徑的設計方案（圖11），但是由于吊——拉過渡段應力變化復雜，尚未實施。

    2.1.3． 斜拉索+中承式拱橋

    圖12中馬來西亞跨徑300m的Seri Saujana 橋，就是由中承式拱和斜拉橋共同而且各自支撐著行車道梁。中承式拱吊索和斜拉索作用是耦合的，由變形協(xié)調條件決定著他們分攤的作用。


    2.2．串聯(lián)式混合法

    兩種形式的橋各自支撐著一段橋梁行車道稱為串聯(lián)混合法。兩種支撐作用不一定是耦合的，他們分攤作用是明確的。

    2.2.1．T構+系桿拱橋

    圖13是于2007年建成的重慶菜園壩橋，主跨420m，就是在兩個互相分離的三角形T構之間安放一個系桿拱橋。T構和系桿拱各自支撐一段行車道，互不耦合。

    2.2.2．斜拉+自錨懸索橋

    圖14是于2008年建成的常州龍城橋橋，跨徑72+114m，一跨是斜拉橋，一跨是自錨索索橋。二者各自支撐一段行車道，雖然通過橋塔有微弱的耦合作用，但他們的荷載分攤作用是明確的。（未完待續(xù)）

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