自锚式悬索桥的结构行为与设计

自锚式悬索桥的结构行为与设计

1自锚式悬索桥自21世纪以来，中国自建悬索桥发展迅速，先后设计并建造了大连金石滩金湾悬索桥、延福哈通河局子街桥和蓝旗松花江桥。还有佛山平胜桥、长沙三桂滩桥、绍兴滨海桥和宁波海丰桥。其中，平胜桥、长沙三桂桥和宁波海丰桥具有相当大的规模。德国在1915年和1929年分别建成主跨184.5m的科隆—迪兹桥、主跨315m的科隆—米而海姆桥,日本于1990年建成主跨300m的此花大桥,韩国于1990年建成主跨300m永宗大桥(双层)。美国在建的奥克兰新海湾桥,为主跨385m单塔空间索面自锚式悬索桥。一般而言,悬索桥锚碇由于承受主缆巨大的水平力,需要有合适的地基条件,加之锚碇构造尺寸庞大,对景观、水流造成一定影响(尤其行洪河段)。自锚式悬索桥主缆锚固于加劲主梁(简称主梁),无需设置锚碇,突破了锚碇对于悬索桥桥式适应性的限制。另外,自锚式悬索桥外形简洁,可结合地形取得结构与环境的协调一致,其独特的悬吊受力体系给人深刻印象。当今,工程建设追求人与自然的和谐、强调以人为本,城市桥梁则多要求一桥一景、利用同一河流上不同的桥式促进桥文化建设,为自锚式悬索桥的发展提供难得的历史机遇。与地锚式悬索桥不同,结构受力方面:自锚式悬索桥主缆锚固于主梁端部一次导入巨大的压力,主梁于主缆锚固点之间必须保持连续,主缆与主梁间协同受力(其间联系不像地锚式悬索桥那样依靠吊索);施工顺序方面,一般必须先架设形成连续的主梁,然后借助于落梁或反复张拉吊索完成主梁自重向吊索的转移;设计构造上,应考虑主缆在主梁上分束锚固设计,主梁须具备顶推、落梁或张拉吊索的可行性。上述因素促成自锚式悬索桥在结构行为、施工方法、结构构造上的显著特点,因而也是自锚式悬索桥设计构思最基本的出发点。2缆锚固的构造尺寸地锚式悬索桥矢跨比一般取1/9~1/12,以满足全桥竖向刚度要求并与节省造价方面取舍;自锚式悬索桥一般跨度不大,加劲梁高跨比较大,竖向刚度往往不成为控制性因素,在此前提下采用较大的矢跨比,一则最大限度减少主缆用钢量,二则减小主缆恒、活载拉力以方便锚固、减少主缆锚固的构造尺寸。对于城市桥梁,当桥梁较宽时,还需要借助较大的矢跨比以获得较高的主塔高度,进而取得加劲梁与主塔尺寸上的协调,故此,主缆矢跨比通常选用1/5~1/6。边、中跨主缆跨度比值是自锚式悬索桥总体设计构思的重要因素,需兼顾主缆近主鞍处的切线角、全桥比例协调、主缆锚固点处切线角对锚固构造尺寸的要求、主梁端部压重实施可行性综合考虑。当边跨不是悬吊跨时,锚固位置主缆切线角较大,锚固构造的竖向尺寸较之主梁梁高大得多,主缆向上的分力也极为可观;边跨是悬吊跨时,因锚固点附近主缆切线角小,让短吊索保持合适的长度显得尤其重要。选用稍密的吊索间距有助于突出悬索外形的根本特征,因为自锚式悬索桥本身跨度不大,吊索过于稀疏与粗壮的主塔塔柱形成对比;吊索间距适度减小,单根吊索拉力则相应减小,由于采用较大的主缆矢跨比、主缆最大切线角常在38~39°之间,因而减小吊索拉力可为索夹设计带来便利。3主梁纵向惯性力对自锚式悬索桥而言,无论边跨是否为悬吊跨,主缆锚固点之间的主梁必然为三跨连续。在主梁梁端,如梁段本身重量不足以抵消主缆向上的拉力、或活载负反力显著、或为抗震设防需要,梁端上、下游设拉压支座,以约束梁端竖向活动和扭角。在主塔处,一般也设置上下游拉压支座,借以减小主梁受压区支点间梁长,改善受压稳定性;为避免主塔下塔柱承受纵向水平力,不宜采用塔梁固接。受地震荷载时,纵向惯性力不能像地锚式悬索桥那样通过主缆传递至锚碇,如果主梁纵向采用全漂体系,纵向惯性力势必经由主缆交给主塔塔顶。在主梁端部或主塔处,一般设阻尼支座,一则按要求分配地震纵向力,还兼起抗震消能作用。全桥体系升温时,主梁纵向伸长,由于与主缆共用梁端锚固点,主缆的纵向位移与地锚式悬索桥截然不同,对一定的跨度布置,体系升温时主塔塔顶向岸侧位移。地锚式悬索桥由于锚碇处主缆固定不动,体系升温时,由于主缆伸长,塔顶向跨中移动。4主缆导入成本降低自锚式悬索桥当跨度不大,比如说在150m以内或更小一些,又具有满堂支架施工主梁的条件,选用预应力混凝土主梁作加劲梁有一定的比较优势,主缆导入的压力成为主梁的预应力,主梁本身造价得以降低、维护工作量减小。大多数情况下,采用带正交异性板桥面、具有合理刚度的钢加劲梁作主梁,可最大限度减小主梁自重,从而减小主缆、主塔、吊索的负载,降低其工程造价和施工难度,尤其是可简化主缆锚固构造,降低主缆锚固设计对总体设计的制约程度。对自锚式悬索桥而言,通常由于跨度不大,抗风颤振稳定性不会控制主梁选型,但主梁全长范围受压,主梁当具备合适的竖向抗弯与抗扭刚度。5主梁结构分析以主梁受力、运输条件、主缆锚固方案、施工方法为构思依据。就受力而言,自锚式悬索桥主梁全长范围受压,汽车与温度荷载作用时主梁出现截面弯矩,显然与地锚式悬索桥不同。通常,地锚式悬索桥主梁恒载仅产生很小的弯矩、无轴向压力,主梁主要作为桥面系,往往不设置通长的直腹板、或仅设上下斜腹板。施工过程中,无论采用顶推法或是支架拼装,自锚式悬索桥主梁内力不可勿视,结构的整体稳定与主梁截面形式、结构刚度习习相关,主梁的局部受压稳定也应予以充分重视,主梁全宽范围内至少设置2道直腹板,除桥面板以外各板件的加劲按满足局部稳定要求设计。如采用顶推法施工主梁,下缘全长范围设置连续支承构造,以满足节段通过支点时受力需求。选取主梁高度,以结构整体稳定和横桥向强度检算为基本依据。为减小主梁受压的自由长度,在主塔处常设置拉压支座。6主缆缆面为复合面自锚式悬索桥主缆锚固于主梁,锚固构造尺寸受限制,主缆每根束股的钢丝数不宜过少;另一方面,当跨度不大(如绍兴滨海桥)、主缆束股数很少,尽量选用规则的正六边形,以利主缆截面成型。主缆外表面越接近圆形,索夹安装越方便、索夹与主缆钢丝之间的摩擦面更容易得到保证。为使主缆各束股受力均匀,束股长度的少量调整不可避免,束股端部锚头应保留调整长度的可能性。7自锚式悬索桥结构及设计主塔高耸于江面,是自锚式悬索桥景观控制元素,除满足受力要求外,结构选型以景观为基本考量。主塔塔顶承载主鞍座,受集中压力;因主梁通长受压,需从主塔处连续通过,主塔设计限制因素较多,尤其当主跨跨度相对不大、桥面又较宽时,为获得主塔外形与全桥结构的协调一致困难较多。以绍兴滨海大桥为例,该桥自锚式悬索桥桥面总宽38m,中跨跨度188m,主塔高67m。该桥具有桥宽、桥下净空不足、主塔相对不高的特点,设计中采用以下措施优化主塔外观:①选用1/5的主缆矢跨比以增加主塔高度;②人行道从塔柱外侧绕行、以减小塔柱间净距;③塔柱直立、鞍座置于塔柱正上方;④在塔柱稳定和横向受力安全的前提下,取消塔顶横梁,见图1。长沙三汊矶湘江大桥自锚式悬索桥主跨328m、分跨为(70+132+328+132+70)m,桥面净宽为双向各3m宽人行道、双向6车道23m、总计29m。设计中为方便主缆锚固,主梁于上下游设封闭箱,桥面顶板总宽33m,主缆中心线间距25m。为方便主梁全断面从主塔中间穿过和主鞍座置于塔柱中间,主塔横桥向设斜坡,主梁高程以下向内侧收拢,见图2。主塔受力方面,因主缆锚固于主梁,地震力不像地锚式悬索桥那样经主缆传给地锚,设计中须采取措施防止主缆将地震力传到塔顶。全桥结构稳定分析也以主塔稳定作为重点,尤其当塔顶不设横梁时。8吊索拉索的选用自锚式悬索桥索夹的最大特点是下滑力大,以主缆矢跨比1/5为例,顶部主缆切线角可达38°、其正弦值0.615,即下滑力是吊索拉力的61.5%。由此,索夹高强螺杆数量多,索夹长度必然不小;另一方面,主缆矢跨比大曲率半径必然小、主缆切线角变化快,直的索夹夹紧曲的主缆,客观上要求对索夹长度作出限制,以保障索夹与主缆钢丝间摩擦力,并使索夹处主缆的二次应力得到控制。鉴于自锚式悬索桥跨度通常不大、主缆外径较小,设计构思中常采取措施减小吊索拉力,以降低主缆局部弯折程度、方便索夹设计。吊索的选型应考虑近主缆锚固处短吊索的实际长度,端部压重对吊索拉力的影响程度。当采用张拉吊索方法实现主梁由支架承载向主缆承载转移时,吊索应从构造上予以适应。9主缆束股锚固充填料锚固方案主缆锚固设计乃是自锚式悬索桥设计构思的重中之重,甚至一定程度上决定了总体设计布局。巨大的主缆拉力集中作用于主梁梁端、主缆要在有限的空间内实现分束锚固。围绕保障主缆、主梁传力顺畅,主缆锚固可靠,主缆束股架设张拉方便易行,各桥设计构思各有特色。广东平胜大桥主梁采用混合梁,主梁除端部以外为钢箱梁,主缆锚固在端节段预应力箱梁上,束股锚固传力得以改善,锚固净空要求容易得到满足,端节段预应力梁巨大的自重平衡了主缆拉力的竖向分力。长沙三汊矶湘江大桥在主梁对应主缆锚固位置设2道纵腹板,形成箱形截面,消除了主缆拉力对箱梁腹板的偏心弯矩。绍兴滨海大桥主缆拉力相对较小,在箱梁纵腹板外侧设置主缆锚箱实现主缆分束锚固,钢梁锚固节段内腔灌注混凝土集中压重。奥克兰新海湾桥空间索面主缆通过多个转向鞍座实现主缆转向,到达箱梁内部锚固,改善了箱梁锚固段的受力条件。10散束套设置的依据作为悬索桥鞍座所要求的承缆槽、竖向与侧向受力要求、纵向预偏功能仍然是必须的。自锚式悬索桥鞍座的显著特点是由于主缆切线角大,相对于同等主缆直径而言,鞍座的长度与高度更大一些,自然竖向反力对主缆水平拉力的比值也更大。一般认为,自锚式悬索桥选用散束套散开主缆更合适一些,若采用散束鞍,需要为支承散束鞍提供支点,锚固附近的局部受力也更复杂。与索夹相似,散束套由两半构成,散束点以上为直段、散束点以下呈漏斗状。主缆架设前,在散束套前端附近安放主缆成型器,临时固定主缆各束股的相对位置。束股架设完毕,安装散束套,因这时各束股拉力并不大,散束套左右两半安装对合并不困难,之后张拉高强螺杆,并于架设梁段前撤除主缆成型器。11独段吊装的能力采用非线性有限元法作全桥静力分析、全面计入恒载内力对结构的影响,与地锚式悬索桥没有太大差别。安装计算需根据施工方案而定,或是张拉吊索或是落梁,不像地锚式悬索桥那样具有独段吊装的条