局部斜拉橋設(shè)計(jì)分析
2018-04-02
前言
由于目前局部斜拉橋命名和界定問(wèn)題比較混亂，該橋型的名稱筆者認(rèn)為其中文合理名稱為“局部斜拉橋”，英文名稱為“Partially Cable-stayed Bridge”，也有資料稱其為部分斜拉橋。部分斜拉橋在國(guó)外慢慢成為一種比較流行的新型結(jié)構(gòu)，而在國(guó)內(nèi)這種橋梁的發(fā)展還處于起步階段，這種結(jié)構(gòu)的很多方面還待于研究。近幾年，在國(guó)內(nèi)不管是在斜拉橋還是在連續(xù)橋的設(shè)計(jì)和施工方面都達(dá)到了一個(gè)較高的水平，大部分專業(yè)人員對(duì)斜拉橋和連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)和受力方面都有了很好的把握。
1、部分斜拉橋的特點(diǎn)
部分斜拉橋是介于梁式橋和斜拉橋之間的剛?cè)嵯酀?jì)的新的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)部分斜拉橋主梁的高跨比介于斜拉橋和連續(xù)梁橋之間，布置在跨線橋位上，具有較小的建筑高度，減少橋梁長(zhǎng)度，為經(jīng)濟(jì)橋型。(2)部分斜拉橋橋塔高度只有一般斜拉橋的橋塔高度的1/2，大大節(jié)約橋塔造價(jià)。(3)部分斜拉橋索塔較矮，主梁剛度較斜拉橋大，塔頂水平位移和主梁豎向撓度較斜拉橋小，亦可以說(shuō)部分斜拉橋的整體剛度較斜拉橋大，因此部分斜拉橋不用設(shè)置斜拉橋的重要特征構(gòu)件-端錨索來(lái)增大結(jié)構(gòu)剛度，邊跨可以設(shè)置有較大的無(wú)索區(qū)段。(4)部分斜拉橋與一般斜拉橋相比，由于主梁剛度較大，斜拉索在主跨跨中和邊跨邊部設(shè)置有明顯的無(wú)索區(qū)段。 (5)部分塔斜拉橋斜拉索應(yīng)力變化幅度為一般斜拉橋斜拉索應(yīng)力變化幅度1/3左右，由此，可提高橋梁抗疲勞性能，尤其用于荷載大，通車密度大的鐵路橋，有它的突出優(yōu)點(diǎn)。(6)部分斜拉橋與同跨度連續(xù)梁橋在施工上比，由于斜拉索的存在，可以利用斜拉索進(jìn)行懸臂架設(shè)。與同跨徑的一般斜拉橋比，可減少橋塔和斜拉索的施工工程量。
2、部分斜拉橋的界定和索梁剛度比研究
部分斜拉橋作為一種介于連續(xù)梁橋和常規(guī)斜拉橋間的新型橋梁，引起了越來(lái)越多的業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。但對(duì)于該橋型的命名和界定卻不盡統(tǒng)一，這對(duì)更好的應(yīng)用和發(fā)展這種結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有任何好處。對(duì)于一種橋型的命名，應(yīng)該從這種橋型的基本特點(diǎn)出發(fā)。對(duì)于部分斜拉橋來(lái)說(shuō)，在結(jié)構(gòu)性能上，斜拉索僅承擔(dān)部分荷載，大部分的荷載由主梁承擔(dān)，相對(duì)于荷載全部由斜拉索承擔(dān)的斜拉橋而言“部分斜拉”即源于斜拉索承擔(dān)荷載的程度。
與斜拉橋相比，部分斜拉橋主梁具有較大的剛度，同時(shí)斜拉索對(duì)主梁具有彈性支承作用，豎向外荷載由主梁和斜拉索共同承擔(dān)，以梁的受彎、受壓和索的受拉來(lái)承受豎向荷載作用。索對(duì)具有一定剛度的主梁起加勁作用，可以理解為真正意義上的彈性支承連續(xù)梁橋。每根索皆為一個(gè)彈性支承，使主梁所受彎矩與無(wú)斜拉索作用的連續(xù)梁相比得以減小。常規(guī)斜拉橋拉索的彈性支承作用計(jì)算方法是假定豎向力皆由斜拉索單獨(dú)承擔(dān)的條件下推導(dǎo)的出的，與部分斜拉橋主梁具有一定剛度，豎向外荷載由拉索和主梁共同承擔(dān)的條件不一致，為此應(yīng)尋求部分斜拉橋斜拉索剛度和主梁剛度的關(guān)系。
部分斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，要精確表達(dá)其剛度比較困難，故以其拉索和主梁的豎向剛度來(lái)表示該構(gòu)件的剛度。索梁剛度比由結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，因此可根據(jù)已知的部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)就可以計(jì)算出索梁剛度比，而不必進(jìn)行有限元分析。
結(jié)構(gòu)的剛度與結(jié)構(gòu)的支承條件存在著密切的關(guān)系，以下將按照部分斜拉橋常見(jiàn)的幾種體系推導(dǎo)部分斜拉橋的索梁剛度比，在推導(dǎo)過(guò)程中假定主梁為等截面、等剛度梁。對(duì)于多跨的情況，選取主跨為研究對(duì)象。
對(duì)于給定的斜拉橋，其索梁剛度比取決于斜拉索的軸向剛度、主梁的抗彎剛度、塔的高度和斜拉索的傾角。上述四個(gè)參數(shù)中，塔的高度和斜拉索的傾角是線性正相關(guān)的，可以作為一個(gè)量來(lái)考慮。這樣對(duì)于給定的跨徑來(lái)說(shuō)，索梁剛度比有這三個(gè)斜拉橋體系的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，因此索梁剛度比的概念可以反映這種體系的整體力學(xué)特征和外形特征。對(duì)于部分斜拉橋單塔結(jié)構(gòu)體系和雙塔結(jié)構(gòu)體系，比較了他們?cè)诓煌С袟l件下這三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)索梁剛度比的影響。
3、概念設(shè)計(jì)的原理
橋梁的概念設(shè)計(jì)是橋梁工程前期工作中的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，它決定了橋梁的總體布置和主要構(gòu)造的格局，對(duì)橋梁的美學(xué)價(jià)值、結(jié)構(gòu)安全性能、可施工性以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，甚至建成后的耐久性、可養(yǎng)護(hù)性、可檢查性等都有決定性的影響，所以概念設(shè)計(jì)也被譽(yù)為橋梁設(shè)計(jì)之魂。
橋梁的概念設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)新的過(guò)程，但是，現(xiàn)在這個(gè)必需過(guò)程逐漸被工程師們忽略，代替的卻是單一的、重復(fù)的、類似的設(shè)計(jì)[68]。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)高度發(fā)展的今天，人在設(shè)計(jì)中的地位應(yīng)該如何定位，顯然，計(jì)算機(jī)的任務(wù)只是把工程師們從機(jī)械的運(yùn)算中解放出來(lái)，工程師們應(yīng)該把主要精力放在機(jī)器不能解決的問(wèn)題上，通過(guò)主觀分析得到結(jié)論。
概念設(shè)計(jì)是一個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的雛形和成形階段，它的準(zhǔn)確定位對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的成敗起著關(guān)鍵作用。其整體構(gòu)思創(chuàng)意的過(guò)程，往往決定著綜合矛盾的解決方向和主導(dǎo)思路，在這個(gè)階段要考慮幾乎所有的建筑問(wèn)題，并對(duì)他們提出相應(yīng)的解決方法。
4、概念設(shè)計(jì)的步驟
概念設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)師構(gòu)思創(chuàng)意的過(guò)程，往往決定著主要矛盾的解決方向和主導(dǎo)思路。概念設(shè)計(jì)的思維過(guò)程是由不清晰到逐漸清晰的非線性過(guò)程，盡管其中有著相當(dāng)程度的不確定性、模糊性和重復(fù)性，但總的趨勢(shì)一定是呈現(xiàn)出從模糊到清晰的漸變特征。
4.1目標(biāo)和方向的確定
概念設(shè)計(jì)的規(guī)律同樣是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的規(guī)律，概念設(shè)計(jì)過(guò)程的最大任務(wù)在于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程，而不僅僅是過(guò)早的確立目標(biāo)，當(dāng)然更不是簡(jiǎn)單地滿足任務(wù)書(shū)的一份答卷，它不同于科學(xué)問(wèn)題的解決過(guò)程，它不僅要尋求途徑，同時(shí)要提出目標(biāo)。經(jīng)過(guò)準(zhǔn)備階段后，就要把握問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，確立設(shè)計(jì)目標(biāo)。在眾多的設(shè)計(jì)問(wèn)題之中，總有主次之分，對(duì)于同一矛盾也包含有矛盾的主次方面。
4.2概念的形成階段
確定構(gòu)思需要達(dá)到的目標(biāo)或?qū)δ硞€(gè)問(wèn)題的解決提出大致的方向還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要針對(duì)這個(gè)目標(biāo)和方向提出初步的建筑構(gòu)思，也即把這種設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)“物化”成某種建筑意象。概念形成階段所形成的建筑意象與最終的建筑形象有所不同，它只是所確定的目標(biāo)基礎(chǔ)上的一種或多種較模糊的建筑構(gòu)想。
4.3概念設(shè)計(jì)的基本原則
概念設(shè)計(jì)的原則對(duì)做好結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)作用，一般來(lái)說(shuō)有如下幾點(diǎn)：(1)三維構(gòu)思原則，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)要對(duì)其所涉及的各個(gè)方面作全面考慮。包括建筑、結(jié)構(gòu)和施工方面的考慮。這三個(gè)方面的考慮構(gòu)成了概念設(shè)計(jì)的三維構(gòu)思。（2）功能協(xié)調(diào)原則，概念設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能做到結(jié)構(gòu)、建筑和施工手段的功能協(xié)調(diào)，以便取得盡可能大的效能和盡可能多的效益。（3）實(shí)際出發(fā)原則，概念設(shè)計(jì)必須從實(shí)際出發(fā)處理所遇到的各種問(wèn)題。要認(rèn)真考慮當(dāng)?shù)毓逃械淖匀粭l件，如氣候、地質(zhì)條件等；當(dāng)?shù)貧v史形成的人文條件，如文化背景等（4）精益求精原則，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)往往是多種方案比較選優(yōu)的過(guò)程，在思維上，既要有縱向思維，還要有橫向思維，就是要從多方面去思考。
5、結(jié)語(yǔ)
本文主要針對(duì)部分斜拉橋的界定問(wèn)題和概念設(shè)計(jì)展開(kāi)系統(tǒng)、全面的研究，本文認(rèn)為要將結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)當(dāng)成一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看待，也就是對(duì)工程的設(shè)計(jì)要求、地區(qū)規(guī)劃、地理環(huán)境、材料供應(yīng)、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析。本文對(duì)部分斜拉橋的界定和概念設(shè)計(jì)作了較為詳細(xì)的分析和總結(jié)，希望可以對(duì)以后的研究有所幫助。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張多平，李承根；部分斜拉橋斜拉索的設(shè)計(jì)，橋梁設(shè)計(jì)，2002：18-31
[2]鄭一峰，黃僑，張宏偉；部分斜拉橋斜拉索設(shè)計(jì)方法研究，公路，2005：(2)：27-31
[3]劉世忠，歐陽(yáng)永金；獨(dú)塔單索面部分斜拉橋力學(xué)性能及建設(shè)實(shí)踐，北京：中國(guó)鐵道出版社，2006：1-19
[4]王伯惠，斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)（上冊(cè)），北京：人民交通出版社，2003：5-176
