協(xié)作體系斜拉橋結構受力特性及其高跨比探討

張一卓

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引言

協(xié)作體系斜拉橋與非協(xié)作體系斜拉橋在結構的受力特點上與常規(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。尤其是在汽車、溫度以及風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，其顯示出來的協(xié)調(diào)性及整體性均優(yōu)于非協(xié)作體系的斜拉橋。但是一味的通過協(xié)作跨提高結構剛度，而過分的追求斜拉橋主梁的輕薄，也是不科學的。

1 可變荷載下，兩種體系斜拉橋荷載效應的對比

以某主跨為260 m的獨塔斜拉橋為例，采用協(xié)作體系的方案與非協(xié)作體系的方案，在汽車、人群、溫度荷載以及風荷載等活荷載作用下，對比主梁彎矩、位移、主塔位移等荷載效應(見表1，圖1，圖2)。

表1 荷載效應對比表

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

通過以上分析，在汽車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，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構剛度的結果。

誠然，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)作跨去提高結構的剛度，尤其是在活荷載的作用下。

2 協(xié)作體系斜拉橋高跨比

隨著近些年來我國交通事業(yè)的發(fā)展，超載及重載使過去一段時間內(nèi)人們追求的主梁輕薄的概念逐漸轉(zhuǎn)變。在主梁結構高度降低后，由于梁體抗彎慣矩的大幅下降，使得主梁變形增大，對主塔的限制能力下降，所以塔頂會產(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，而是應當適應日益增長的交通量、重載及超載的要求，適當確定梁高。

斜拉橋主梁的結構高度與塔柱剛度、索形、索距及索的剛度有很多關系，當僅主梁結構高度降低時，梁體撓度增加。因此，對于協(xié)作體系來說，主梁梁高的降低，導致主梁慣矩的降低，削弱了結構的剛度，恒載內(nèi)力也會隨之減小，但活載內(nèi)力并未減小。實際上，活載內(nèi)力不會由于結構梁高降低，而使其產(chǎn)生的支點負反力增大。

盡管協(xié)作體系的斜拉橋一定程度上提高了結構的剛度，但不能因此而降低梁高來抵消協(xié)作體系增加的結構剛度。因此得出結論:梁體斷面宜高不宜低，對于跨徑大于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以內(nèi)，綜合國內(nèi)近期建成的協(xié)作體系斜拉橋來看，主梁高跨比甚至可以取到1/40。

3 結語

1)根據(jù)實橋的計算分析，協(xié)作體系斜拉橋在可變荷載的作用下，結構剛度有顯著的提高。

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)作體系斜拉橋不應以犧牲梁高為代價而過分追求結構的輕薄，而是應該以協(xié)作跨增加的剛度去適應當今社會的重載及超載的運營條件。

[1] 戴利民，石志源.獨塔協(xié)作體系斜拉橋設計參數(shù)分析[J].西安公路交通大學學報，2000，20(1):34－38.