協(xié)作體系斜拉橋結(jié)構(gòu)受力特性及其高跨比探討

張一卓

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

0 引言

協(xié)作體系斜拉橋與非協(xié)作體系斜拉橋在結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)上與常規(guī)斜拉橋有很多區(qū)別，例如:協(xié)作體系斜拉橋整體剛度大，位移小;變形協(xié)調(diào)性能好，內(nèi)力分布均勻;跨越能力增大，節(jié)省造價(jià)。尤其是在汽車(chē)、溫度以及風(fēng)荷載等其他可變荷載作用下，協(xié)作體系斜拉橋的主跨與相鄰的連續(xù)梁協(xié)作跨一起承擔(dān)，其顯示出來(lái)的協(xié)調(diào)性及整體性均優(yōu)于非協(xié)作體系的斜拉橋。但是一味的通過(guò)協(xié)作跨提高結(jié)構(gòu)剛度，而過(guò)分的追求斜拉橋主梁的輕薄，也是不科學(xué)的。

1 可變荷載下，兩種體系斜拉橋荷載效應(yīng)的對(duì)比

以某主跨為260 m的獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔捎脜f(xié)作體系的方案與非協(xié)作體系的方案，在汽車(chē)、人群、溫度荷載以及風(fēng)荷載等活荷載作用下，對(duì)比主梁彎矩、位移、主塔位移等荷載效應(yīng)(見(jiàn)表1，圖1，圖2)。

表1 荷載效應(yīng)對(duì)比表

圖1 非協(xié)作體系斜拉橋模型

圖2 協(xié)作體系斜拉橋模型

通過(guò)以上分析，在汽車(chē)與人群荷載的作用下，跨中彎矩:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少26.3%;主梁最大豎向位移:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少20.8%;塔頂順橋向位移:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少22.9%。

在溫度荷載的作用下，跨中彎矩:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少4.0%;主梁最大豎向位移:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少6.8%;塔頂順橋向位移:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少7.0%。

在順橋向風(fēng)荷載的作用下，跨中彎矩:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少28.5%;主梁最大豎向位移:協(xié)作體系比非協(xié)作體系減少22.2%。

由此可見(jiàn)，在添加了協(xié)作跨以后，斜拉橋主梁彎矩，位移及塔頂位移在各可變荷載的工況下，有了明顯的改善。這一切都源于協(xié)作跨增大了橋梁的結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)果。

誠(chéng)然，協(xié)作跨的出現(xiàn)使主梁的剛度有了很大的提高，但是不能僅僅依靠協(xié)作跨去提高結(jié)構(gòu)的剛度，尤其是在活荷載的作用下。

2 協(xié)作體系斜拉橋高跨比

隨著近些年來(lái)我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，超載及重載使過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)人們追求的主梁輕薄的概念逐漸轉(zhuǎn)變。在主梁結(jié)構(gòu)高度降低后，由于梁體抗彎慣矩的大幅下降，使得主梁變形增大，對(duì)主塔的限制能力下降，所以塔頂會(huì)產(chǎn)生較大的位移，即便是協(xié)作體系斜拉橋也不能僅僅依靠協(xié)作跨的作用，而是應(yīng)當(dāng)適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通量、重載及超載的要求，適當(dāng)確定梁高。

斜拉橋主梁的結(jié)構(gòu)高度與塔柱剛度、索形、索距及索的剛度有很多關(guān)系，當(dāng)僅主梁結(jié)構(gòu)高度降低時(shí)，梁體撓度增加。因此，對(duì)于協(xié)作體系來(lái)說(shuō)，主梁梁高的降低，導(dǎo)致主梁慣矩的降低，削弱了結(jié)構(gòu)的剛度，恒載內(nèi)力也會(huì)隨之減小，但活載內(nèi)力并未減小。實(shí)際上，活載內(nèi)力不會(huì)由于結(jié)構(gòu)梁高降低，而使其產(chǎn)生的支點(diǎn)負(fù)反力增大。

盡管協(xié)作體系的斜拉橋一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的剛度，但不能因此而降低梁高來(lái)抵消協(xié)作體系增加的結(jié)構(gòu)剛度。因此得出結(jié)論:梁體斷面宜高不宜低，對(duì)于跨徑大于150 m的斜拉橋，建議梁的高跨比在1/100～1/150之間，而跨徑小于150 m的斜拉橋的主梁高跨比在1/100以?xún)?nèi)，綜合國(guó)內(nèi)近期建成的協(xié)作體系斜拉橋來(lái)看，主梁高跨比甚至可以取到1/40。

3 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)實(shí)橋的計(jì)算分析，協(xié)作體系斜拉橋在可變荷載的作用下，結(jié)構(gòu)剛度有顯著的提高。

2)根據(jù)現(xiàn)階段的交通狀況及近期新建協(xié)作體系斜拉橋梁高的選取，提出協(xié)作體系斜拉橋不應(yīng)以犧牲梁高為代價(jià)而過(guò)分追求結(jié)構(gòu)的輕薄，而是應(yīng)該以協(xié)作跨增加的剛度去適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的重載及超載的運(yùn)營(yíng)條件。

[1] 戴利民，石志源.獨(dú)塔協(xié)作體系斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(1):34－38.