某景觀橋梁吊索設置方案的比選分析

李曉龍，張曉曉

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082;2.北京電力經濟技術研究院，北京市 100055）

0 引言

規劃黎安互通立交位于規劃文黎大道與現況G98環島高速公路相交節點處，是實現海南國際旅游島先行試驗區及陵水縣城等地方交通系統與高速公路系統進行交通轉換的重要設施。

文黎大道作為陵水規劃區進出的“門戶型”道路，代表著整個規劃區對外形象，景觀效果非常重要。黎安立交是“門戶型”道路上的點睛之筆，整體景觀效果要求更高。主橋采用中承式拱橋，效果圖如圖1所示。

圖1 橋梁建筑效果圖

主橋采用四拱肋中承式有推力拱橋。大、小拱拱腳為混凝土結構，設前后橫梁相連接，拱肋為鋼結構，通過鋼橫撐相連。大拱肋拱腳處跨徑為150 m，位于鋼主梁外側，大拱肋橋面以上部分為鋼結構，橋面以下部分為混凝土拱腳。小拱肋拱腳處跨徑為110 m，小拱肋橋面以上部分為鋼結構，橋面以下部分為混凝土拱腳。主梁為漂浮體系，兩側支承于拱腳前橫梁上，斷面采用等截面扁平鋼箱結構，橋面全寬28.7 m，梁高1.843 m（中心高）。

本橋大拱肋布置于主梁外側，兩片拱肋在橫橋向內傾9°，拱肋高34.47 m，矢跨比約為1/4.35，拱腳處橫橋向間距為33 m，鋼混結合段分界位于拱肋平面內拱腳以上17.5 m位置處。

小拱肋布置于主梁中央隔離帶處，拱腳為鋼筋混凝土現澆結構，寬3 m。形狀為倒三角形，中間開孔，拱腳后端設置橫梁與大拱肋混凝土拱腳橫向連接，作為主引橋分聯處支承橫梁，橫梁尺寸為4 m×2 m。小拱肋拱腳混凝土段從主梁中央隔離帶處穿過主梁。橋面以上部分設兩片向外傾斜的鋼拱肋，傾斜角度為10.8°，在拱頂處通過鋼橫撐與相鄰小拱肋及大拱肋相互連接。小拱肋高32.5 m，矢跨比約為1/3.38，鋼混結合段分界線中心點位于拱腳以上18.1 m位置處。

前期的橋梁建筑景觀設計要求拱橋設置四排吊索，仍需要根據力學分析對吊索的設置進一步優化，本文就幾種吊索的設置方案進行詳細的力學分析和比較。橋梁計算模型如圖2所示。

1 吊索設置方案

方案一：吊索按建筑景觀設計布置。大拱肋與橋面采用吊桿連接，吊桿布置在橋面最外側索區，全橋共設置21對吊桿，吊桿順橋向間距5 m。小拱肋與橋面采用吊桿連接，吊桿布置于橋面中央隔離帶處，全橋共設置13對吊桿，與大拱肋吊桿對應設置，吊桿順橋向間距5 m，如圖3所示。

圖2 橋梁計算模型

圖3 方案一吊索布置圖（單位：m）

方案二：由于方案一小拱邊吊桿較短，在橫橋向與大拱吊桿剛度不匹配，會造成較大的內力變化。方案二為方案一的優化方案，取消了小拱的一部分吊索，僅保留5排索，如圖4所示。

圖4 方案二吊索布置圖（單位：m）

方案三：為使橋梁受力進一步明確，方案三取消了小拱的所有吊索，為保留景觀效果，小拱吊索換成裝飾索，如圖5所示。

圖5 方案三吊索布置圖（單位：m）

2 方案對比

2.1 豎向位移

在自重+車輛+降溫+風的作用下，橋梁的豎向位移最大。各方案鋼結構關鍵位置最大豎向位移見表1。方案一各處位移較其他方案稍小。方案二鋼主拱和鋼小拱以及主梁的跨中位移較方案一稍大，是由于去掉兩邊的吊索后，原來邊吊索承擔的力往跨中方向分配，導致跨中位移增大；方案二鋼拱腳有向上的位移是由于吊桿距離鋼拱腳較遠導致小拱局部產生微小的外鼓現象。方案三鋼主拱跨中位移相比其他方案最大，是由于僅保留主拱吊索后，主拱直接承受主梁的重力作用，小拱間接承重，沒能充分發揮作用，故導致主拱位移較大；另外與其他方案不同的是方案三主梁比主梁橫向聯系位移小，這是由于小拱去掉吊索后，在橫橋向鋼主梁僅有兩個支點，所以越往跨中位移越大。

表1 各方案關鍵位置最大豎向位移表

各方案豎向位移差不大，說明吊索的布置對橋梁豎向位移影響不大。

2.2 拱的應力

在自重+車輛+降溫+風的作用下，鋼拱肋和主梁的應力最大。各方案鋼拱關鍵位置最大應力見表2。方案一應力除鋼拱腳應力較其他方案大外，其他位置應力均比其他方案小，這是吊索設置較多且均勻的結果；其他方案鋼拱腳應力小是減少吊索的結果。方案二最大應力出現在小拱跨中，是由于小拱邊吊索取消了之后，原來邊吊索承受的力往跨中分配導致跨中應力增加。方案三最大應力發生在橫撐位置，鋼主拱與小拱在豎向有高差，鋼主拱通過橫撐傳遞到小拱一部分荷載，由于小拱上沒有吊索，小拱承受主拱傳遞過來的荷載較大且集中，因此在橫撐與小拱連接處產生較大的應力。

各方案應力略有差別，方案一應力除鋼拱腳外應力較小，吊索的布置方式對拱肋和橫撐應力有一定影響。

表2 各方案關鍵拱肋最大應力表

2.3 主梁應力

在自重+車輛+降溫+風的作用下，鋼拱肋和主梁的應力最大，見表3。方案一主梁應力最大，是由于空間索的不規則布置導致，相應的橫梁受力也較不均勻。方案三的主梁和橫梁受力較為明確均勻。

表3 各方案主梁應力表

由于主梁剛度較大，吊桿布置方式對主梁應力影響不大。

2.4 吊桿應力

方案一的三種工況下索力的對比見表4。在升溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內力最小；在降溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內力最大。這兩個組合除溫度差異外，橫向風向也是相反的。方案一的小拱邊吊桿和次邊吊桿在溫度影響下和風向變化共同作用下內力變化較大，分別為1 490 kN和842 kN。主拱邊吊桿在溫度和風向影響下最大變化為991 kN。

方案二的三種工況下索力的對比見表5。在升溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內力最小；在降溫組合下主拱和小拱的邊吊桿內力最大。這兩個組合除溫度差異外，橫向風向也是相反的。小拱的邊吊桿在溫度和風向變化下的內力差為686 kN，邊吊桿效應仍較明顯。主拱的邊吊桿在溫度和風向變化下的內力差為1 149 kN，較方案一有所增加，這是由于方案二去掉了方案一的邊吊桿，主拱邊吊桿獨自承擔溫度和風向變化。

表4 方案一三種工況下吊索內力表

表5 方案二三種工況下吊索內力表

方案三的三種工況下索力的對比見表6。在升溫組合下主拱的邊吊桿內力最小；在降溫組合下主拱的邊吊桿內力最大。這兩個組合除溫度差異外，橫向風向也是相反的。主拱的邊吊桿在溫度和風向變化下的內力差為1 111 kN，較方案一有所增加，較方案二稍小。

表6 方案三三種工況下吊索內力表

方案三小拱邊吊桿由于在橫橋向與主拱吊桿剛度不匹配，內力變化過大。方案二的小拱邊吊桿內力變化雖比方案一小得多，但主拱吊桿內力變化比方案一大。方案三主拱吊桿內力變化與方案二基本相同。

3 結語

方案一由于小拱邊吊桿在橫橋向與鋼主拱吊桿剛度差別較大，導致在溫度和風向變化作用下內力變化過大；由于吊索數目多會導致工期較長，四排索張拉施工難度較高。

方案二相對于方案一由于去掉部分較短吊桿，在溫度和風向變化作用下小拱的邊吊桿內力變化較方案一邊吊桿較小，但比方案一相同位置的吊桿內力變化大得多。吊索數目減少能減少工期，但在橫橋向仍有四排索的部位，張拉施工難度也較高。方案二的位移和鋼結構應力與方案一相比變化不大。

方案三由于去掉了小拱的全部吊索，受力清晰明確，吊索改為裝飾索后仍能滿足景觀要求。減少吊索數目節省工期，兩排索張拉便于施工。方案三的位移和鋼結構應力與方案一相比變化不大。

綜合以上分析，本橋吊索布置方式對橋梁的位移、鋼結構應力不起關鍵控制作用。吊索布置方式對吊索的內力變化及施工工期和施工難易度影響較大。方案三最為合理，選擇方案三作為最終方案。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]上海市政工程設計研究總院.橋梁設計工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.