橋梁工程柱式塔同向回轉斜拉-懸索協同體系設計分析

候耀華

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

斜拉-懸索協同體系是一種新的橋梁設計形式，由斜拉-懸索兩種體系協同作用，實現優勢互補，尤其適用于大跨度橋梁。雖然斜拉-懸索體系在設計理念、設計技術和施工技術上取得了很大的進展，但在具體的橋梁設計中，需要提出一些具體的結構設計措施，以充分發揮系統的優點，提高系統的性能。某省一條跨江隧道位于長江下游，其全長55.5km，設計時速為100km/h。從方案設計看，采用急流、深泓、通航為主；根據跨堤、城市交通、投資控制等工程施工條件，設計成雙向8車道道路；其主跨為1620m，是一種新型的斜拉-懸索組合橋型。本文以該跨江隧道橋梁為例，對柱式塔同向回轉斜拉-懸索體系的設計進行分析。

四是加大了找水、打井的力度。西南五省新打抗旱水源井1.8萬眼，購置運送水車7615輛，應急調水6000多萬m3，累計為群眾送水941萬t，新建抗旱應急調水工程4307處，新建五小水利工程7萬多處，鋪設輸水管道2萬多km。

1 構建協同體系

1.1 形成空間結構

協同體系的承載能力較低，但其優點是懸索和錨桿材料的使用有所減少，缺點是由于近塔空載荷和吊索重量的減小而使其剛度下降，為此在結構設計上應用空間懸索，懸索從塔尖向下，到中間逐步伸展，中間用一根橫撐使其撐開。通過對結構進行改進，一方面，橫向拉桿增加了結構的內拉力，使其自重剛度得到相應的改善；另一方面，兩個橫梁在縱向上分別與兩個懸掛結構相連，并在此基礎上產生共同的橫向和縱向的幾何剛度[1]。在空間吊索結構的設計上，采用單柱式橋塔、四索面斜拉索、分體鋼箱梁，通過懸掛系統的協調，提高結構的空間特性和結構的整體剛度，從而從理論上解決由于剛度降低帶來的問題。

1.2 主跨斜拉和懸索體系的結合

協同體系中主梁的斜拉段是壓彎構件，而到懸索段幾乎是完全彎曲，甚至是拉彎構件，存在著拉、壓界面安全性問題，為此設計如下方案和應對措施：

（1）對邊跨進行加載，通過增大側跨受力，使主梁受力作用于主跨，由此產生主跨懸索的受力；

在傳統的橋型450側跨不能去掉附加橋墩的情況下，整體的靜強度剛性很差，而且側跨和中跨的活荷載變形大大超過了其規范要求，因此需要對其進行加固處理。通過將3對、5對、9對的側跨尾部的吊索進行結構設計，以此來與邊跨活載的撓度值影響進行計算和對比，如表1所示。

（3）在四索面斜拉索和主跨處的交叉區，懸索位于主跨處，將四索面斜拉索與懸索在交叉區轉換成內拉外吊雙索面斜拉索與懸索，使兩個體系實現平穩的融合。

1.3 在邊跨中設置懸吊輔助跨

由于施工條件的限制，450m的邊跨未設置輔助橋墩，給橋梁的整體剛度和邊跨尾索的應力幅值控制帶來極大的困難[2]。針對該問題，采取在邊跨中設置懸吊輔助跨的方法，即在邊跨中以四索面斜拉索為主，采用雙索面斜拉索與內拉外吊索，對尾部梁段進行剛性加固，從而達到橋輔跨的錨固作用。

在塔頂部設置一個雙吊索的空間懸索，并在下部分層設置雙索面和四索面斜拉索。由于傳統的橋梁塔采用箱形截面，其承載的吊索鞍座壓力和斜拉索造成的張應力異常，給單柱梁的使用帶來極大的不確定性。從根源上來看，在斜拉索繞過橋塔后，采用同向旋轉的拉索體系，使其在橋塔的同一側主梁上進行錨固，在橋塔上，套環的承壓錨索區域由拉伸應力變成壓應力（如圖2所示）。通過這種方法，可以在不受拉應力的情況下，實現對塔架進行無拉應力的聯合錨索，從而確保其安全、耐用性。同時同向旋轉拉索在橋塔上的后壓錨索結構，也是一種很好的單邊安全措施，使中跨和邊跨（四索對應）的斜拉索和懸索面可以靈活轉換，如圖3所示。

表5所示為制備的活性炭基脫氯劑與國內某牌號的丙烯用活性炭基脫氯劑AC-101的性能對比。分析可知，CT-01I不僅強度、磨耗、孔容及比表面積等均明顯優于AC-101，而且其穿透氯容和飽和氯容亦遠高于AC-101，分別高約3.13%和4.59%。因此，該活性炭基脫氯劑更適合于丙烯深度脫氯。

1.4 雙向阻尼約束系統

因橋梁結構為空間結構，單柱式橋塔系為縱向阻尼+橫向極限支承，雖然可以很好地控制結構的縱向動態反應，但是對結構的側向動力作用仍然很大[3]。如果再安裝一個橫向減振器，會造成主梁的縱向位移。根據實際情況，在各塔、梁交匯處設置4個斜置阻尼器，4個梁對稱設置（如圖1所示)，在此基礎上，既可達到縱向、橫向兩種阻尼，又可改善橋梁的雙向動態特性。

1.5 同向回轉拉索系統

自2015年來，我市充分借助地質災害綜合防治體系建設重點省份的大好契機，加大對地質災害防治的投入。一方面積極爭取中央和省財政專項資金和項目，累計開展了近兩百個地質災害隱患勘查、應急處理與治理工程項目和828戶搬遷避讓項目，3年來，共爭取上級投入資金約1.5億元。另一方面，各地政府克服“等、靠、要”的思想，創新思路，多方籌措資金，積極開展地質災害防治工作。以2017年為例：各縣市區本級財政投入開展地質災害治理的項目累計達到76個，總計投入的經費約6000萬元。此外、交通和鐵路部門在工程建設和運營中，也投入了大量資金對境內鐵路、公路沿線地質災害隱患進行了有效的防護和治理。

圖2 套箍式承壓錨索區圖示

圖3 主跨斜拉索和吊索設置轉換

2 形成協同體系

2.1 設計與架設空間懸索

由頂部至中間部分的空間吊索逐漸延伸，從頂部的鞍座到中跨的中間間隔為37.8m。為在橫橋方向上實現部分懸索的合理間距，在梁與梁之間設置橫向支撐。在有限元計算中，對傳統的方法進行改進，比較三個側向和五個側向支承在索力分配上的作用，最終選擇5個側向支承。該結構采用一種具有610mm的外徑和壁厚20mm的鋼制結構，由凸緣和懸掛索相連。經測算，成橋時的最大壓強分別為3037kN、3294kN和208kN。

與常規懸索法相比，懸索橋的建設關鍵在于在結構設計中怎樣在水平上逐漸地形成一條空間直線。在完成貓道的建設后，利用貓道支承繩架設暫時的貓道橫梁，并在吊桿成型后進行；通過安裝貓道的臨時懸索梁來支撐逐步增多的懸索，以確保吊索的側向定位[4]。吊索完成后，在固定吊索上使用索卡法蘭接頭進行固定吊索的安裝，并進行拆卸。

2.2 安裝主梁

斜拉梁分段由起重機懸掛，用起重機將其梁分段吊裝；在整個吊索段的末端進行主跨合攏。同時斜拉-懸索協同結構的特征也在主梁的安裝中得到體現。該橋與單純的斜拉橋和懸索橋相比，可以在6個工作面上同時進行主梁的安裝，即在懸挑部分梁段的同時，從跨中向兩邊進行吊起。在這種情況下，協作體系的梁分段可以縮短工程工期的二分之一。此外，還可以利用懸掛方法來懸掛一部分的斜拉梁體，也可采用懸架方式，將其與大懸臂梁進行暫時的懸架，以提高其靜、動力穩定性。

2.3 交叉區的吊索安裝

方案一：先安裝完畢所有的斜拉索，然后在橫梁上安裝橫梁。本方案的特點是確保了側吊的基本內力。交叉區的斜拉索的作用十分明顯，其由輔助吊索承擔活載荷，并承擔起邊吊的活載荷內力，以減少其活荷載的幅度；交叉區的斜拉索調整簡單，通過對邊吊的起重應力幅值的計算，確定初始拉力的最佳值；按施工順序進行邊跨的設計。

3.1.3 主梁計算

為了便于對吊索的受力進行控制，本方案采用先安裝全斜拉索，并在合攏后進行跨線段吊裝。

3.1.2 橋塔設計計算

3 計算協作體系

建立協調體系中的橋梁模型是十分必要的。主梁和橋塔架均用空間梁進行模擬，吊索、懸索和斜拉索均以空間索為單位進行仿真，因此，在系統形成的過程中，將斜坡的阻尼限制納入計算，并采用定量的分析方法。

3.1 靜力性能

3.1.1 靜剛度的計算

（2）在主跨側懸索的基礎上，為了使主橋懸索橋受力更大，索橋設計中應采取斜拉索的方式；

最后，在邊跨尾設9對吊索進行方案設計。在此基礎上，橋的最大上、下位移分別為503mm、2501mm，整體靜剛度較好，說明懸索橋具有預期的錨固作用。

（73）白邊鞭苔 Bazzania oshimensis（Steph.）Horik. 馬俊改（2006）

學生譯文2：The Chinese have the habit of eating Yuanxiao and enjoying the festive lantern on the 15th of the first lunar month.

3.1.4 斜拉索、懸索及吊索計算

方案二：先將所有的吊索全部安裝，再將吊索安裝到橋面。該方案的主要特點是保證了斜拉索的基本內力，而交叉區懸索活載荷作用的幅度很難有效地控制；交叉區的斜拉索具容易安裝，其初始張緊能以減小懸吊體的活載荷應力幅值為目標，橋梁的建造次序比較簡單。

對于洪都拉斯的經濟來說，農業至關重要，這從農業對GDP的貢獻可以反映。除了傳統作物如咖啡、谷物、香蕉、油籽和可可，新鮮果蔬作物的農業國內生產總值的貢獻顯著。2001年，蔬菜和水果對GDP的貢獻分別為3.7%和2.3%[2]21-22。蔬菜和水果部門分別包括大約15,000個和10,000個農民。除了那些大型養殖區的出口企業，這些大多是小型農場。

分析結果表明，實施改進措施后，主梁的受力狀況起到了很好的作用，主梁的各部位都處于持續的受壓狀態，斜拉索與吊索交界處的主梁上、下緣應力過渡較平穩，而中跨懸索橋的主梁最小壓力值為2.2MPa。

橋塔采用三種不同的受力方式進行試驗，其最大壓應力為15.98MPa，并保持了較好的狀態，且在施工階段，裸塔、最大雙懸臂及單懸臂的穩定性分別為18.6、12.3、1002，每一階段都能確保其穩定性。

依據上述假定，建立分析簡圖，如圖1所示。圖中，p為樁后滑坡推力，a為抗滑樁截面寬度，b為抗滑樁截面高度，L為相鄰兩樁凈間距。

采用邊跨尾斜拉索、懸索、中跨邊懸索、邊跨側吊索為例，對其進行最大應力幅值的計算，其結果可低于200MPa的理想值（見表2所示）。

表2 運營階段斜拉索、懸索和吊索應力情況

3.2 抗震性能

對順橋向+豎向、橫橋向+豎向組合結構進行檢驗，重點探討塔梁與塔梁在不同結構下的受力與移動的關系。

通過調節水平天窗開啟面積改變風機負載，對風機風量進行調節。利用2種方法對不同水平天窗開啟面積下的風機風量進行測試，2種測風方法的相對誤差計算公式見式(11)，2種測試方法的測試結果見表1。

整體上塔與梁間設置斜向阻尼約束體系后，在地震作用下，所有墩柱、塔、樁等最不利截面的地震彎矩都比其最大彎曲值小；在荷載作用下，在1%的配筋比例基礎上，最大受力比極限的彎曲扭矩要小，并且能夠恢復。

在建立斜坡減振限制體系之前，梁與塔柱間的橫向相對位移大于1m，大于25cm時，塔柱與梁間的預留空隙將會導致塔柱與梁的碰撞。在此基礎上，在地震作用下，梁與塔之間的橫向相對位移減小到小于20cm，避免發生碰撞，同時塔與梁之間的相對速度和相互作用力也顯著下降。

3.3 抗風性能

按照《公路橋梁抗風設計規范》（JTGD60-01-2004）的要求，計算出橋面上的設計基礎風速為49.6m/s，其顫振試驗風速為70.8m/s。三維顫振分析結果顯示，協同系統在運行期的顫振臨界風速為97、91、88m/s，在-3°、0°和+3°的風攻角下，均比70.8m/s的顫振臨界風速高。通過數值模擬，發現當塔與梁間設置斜坡阻尼約束體系后，在脈動風的作用下，在進行安裝前，梁與塔架的橫向相對位移已經達到1m，超出了25cm高的塔架與橫梁之間的預留空間，導致塔架與橫梁的碰撞，移動量減少到10cm左右，不會再出現沖突。

4 結束語

總之，斜拉-懸索協同體系橋梁吊桿的剛性有減弱趨勢，主梁承載力存在非連續性；系統界面上的拉索、吊索等受力過大，會導致系統的疲勞和失效。對此，本文提出采用單柱式橋塔、空間懸索、懸臂支撐等技術，并給出其剛度、主梁壓力等參數，為大型索撐結構大橋施工提供十分重要的技術支撐。