發(fā)展中的自錨式懸索橋
發(fā)展中的自錨式懸索橋
孫立剛
(遼寧省交通勘測(cè)設(shè)計(jì)院,沈陽(yáng)110005)
摘 要 自錨式懸索橋因其優(yōu)美的造型受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注,近年來已有多座自錨式懸索橋建成。本文總結(jié)了自錨式懸索橋的特點(diǎn),并介紹了自錨式懸索橋的建造歷史、結(jié)構(gòu)形
式、理論研究、設(shè)計(jì)和施工等方面的發(fā)展?fàn)顩r�！ ￡P(guān)鍵詞 自錨式懸索橋 發(fā)展 綜述 懸索橋根據(jù)主纜錨固方式的不同可以分為兩種:一種是錨固在基礎(chǔ)上,;,,消,這種懸索橋稱為自錨式懸索橋。由于取消了龐大的錨碇,自錨式懸索橋不僅造型精致美觀,滿足城市空間小、對(duì)景觀效果要求高的特點(diǎn),而且也避開了在不良地質(zhì)處修筑錨碇的技術(shù)難題。1自錨式懸索橋的發(fā)展歷程
從建造歷史來說,自錨式懸索橋并不是一種新橋型。19世紀(jì)后半葉,奧地利工程師約瑟夫?朗金和美國(guó)工程師查理斯?本德提出了自錨式懸索橋的造型。朗金于1870年在波蘭建造了世界上首座小型鐵路自錨式懸索橋。20世紀(jì)初,自錨式懸索橋首先在德國(guó)興起,自1915年在萊茵河上建造的第一座大型自錨式懸索橋—科隆-迪茲橋起,到1929年共修建了5座自錨式懸索橋,其中1929年建成的科隆-米爾海姆橋主跨跨徑達(dá)到315m,保持自錨式懸索橋跨徑記錄70余年。在這期間美國(guó)和日本也建造了幾座自錨式懸索橋
。
,,日本和韓國(guó)重新推出并且注入了新的元素。1990年建成的日本此花大橋?yàn)閱嗡髅孀藻^式公路懸索橋,跨徑布置為120m+300m+120m,主纜垂跨比1:6,采用傾斜吊桿,加勁梁為鋼箱梁,主塔為花瓶型;1999年建成的韓國(guó)永宗大橋?yàn)殡p索面公鐵兩用自錨式懸索橋,跨徑布置125m+300m+125m,垂跨比1:5,采用豎直吊桿,索面傾斜,花瓶型主塔,加勁梁是桁架梁與鋼箱梁的雙層組合結(jié)構(gòu),上層通行汽車,下層鋪設(shè)鐵路。這兩座橋成為現(xiàn)代自錨式懸索橋的典型代表。美國(guó)奧克蘭海灣新橋重建計(jì)劃中包括一座單塔2跨自錨式懸索橋和一座3跨雙塔自錨式懸索橋,
其中單塔懸索橋跨徑達(dá)到385m。這幾座橋的設(shè)計(jì)和建成拉開了新世紀(jì)自錨式懸索橋研究和建造的序幕。22.1
自錨式懸索橋在國(guó)內(nèi)的迅速推廣和發(fā)展國(guó)內(nèi)自錨式懸索橋的建造概況
國(guó)內(nèi)所建造的自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)形式豐富多
樣,材料選擇不拘一格。從加勁梁的構(gòu)造上來說,有鋼混疊合梁、桁架梁、鋼箱梁、混凝土箱梁、混凝土邊主梁;有漂浮式體系,也有在橋塔處設(shè)置支座的支承體系;從造型上來說,多數(shù)采用了雙塔多跨式結(jié)構(gòu),佛山平勝大橋?yàn)楠?dú)塔單跨式結(jié)構(gòu),還建成了獨(dú)塔雙跨式的人行自錨式懸索橋;在加勁梁的材料使用方面,我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)者首次提出了混凝土自錨式懸索橋的概念,即以鋼筋混凝土代替鋼作為加勁梁材料,
圖1日本此花大橋立面圖
并且成功地建成了幾座這種類型的懸索橋。2002年在金石灘金灣橋的建造中加勁梁首次使用了鋼筋混凝土,隨后建成的撫順萬新大橋和江山市北關(guān)大
40年代塔科馬橋風(fēng)
http://m.dameics.com 毀事故后,懸索橋的建造步入了低谷階段。1954年德國(guó)工程師在杜伊斯堡完
橋也是這種懸索橋。撫順萬新大橋的主跨跨徑為160m,是目前該類橋梁中跨度最大的,該橋另一創(chuàng)新之處是主纜以鋼絲繩為材料連續(xù)繞過梁端,“兜”
表1
橋名蘇州索山大橋
常州廣化橋金華康濟(jì)橋佛山平勝大橋江山市北關(guān)大橋大連金石灘金灣橋撫順萬新大橋
跨徑布置
33.0+90.0+33.017.5+54.0+17.536.0+100.0+36.0
在錨固跨上,起到了主纜錨固的作用。這是一次大膽的嘗試,為自錨式懸索橋的錨體設(shè)計(jì)開辟了新的思路。
加勁梁鋼混疊合梁鋼混疊合梁鋼混疊合梁鋼箱梁混凝土混凝土邊加勁梁混凝土箱梁
垂跨比
1:81:71:7.51:12.51:71:81:6
國(guó)內(nèi)部分自錨式懸索橋
建成年代
200319992004
5×40.0+30.0+350.0+30.0+30
40.0+118.0+40.024.0+60.0+24.015+70+160+70+15
建造中
200520022004
注:撫順萬新大橋現(xiàn)稱作撫順天湖大橋。
形式多樣的錨固體
自錨式懸索橋主纜的拉力通過錨固體傳遞給加勁梁,因此對(duì)錨固體的設(shè)計(jì)和建造需要格外重視。由于不同的設(shè)計(jì)構(gòu)思和條件限制,2.2
采用的錨體形式多樣股,相連,、主纜為單根索股的懸索橋;,為了減小錨體尺寸,主纜采用鋼絲繩“兜”在梁端錨固體上,錨固體是起到配重作用的加勁梁錨固跨;藍(lán)旗松花江大橋(設(shè)計(jì)方案)利用散索鞍將主纜散開錨在錨固體上;紹興濱海大橋?qū)⒅骼|分束錨固在箱梁腹板外側(cè)的錨箱上,并在錨固節(jié)段內(nèi)澆筑混凝土增加錨固體的自重;廣東平勝大橋主纜錨固在加勁梁端部的預(yù)應(yīng)力箱梁上,改善了束股錨固的傳力,利用預(yù)應(yīng)力梁的自重抵消主纜豎向分力;長(zhǎng)沙三汊磯湘江大橋在加勁梁對(duì)應(yīng)主纜錨固位置設(shè)兩道腹板,形成箱形截面,改善了受力;奧克蘭海灣新橋?yàn)榭臻g索面,主纜利用多個(gè)轉(zhuǎn)向鞍座轉(zhuǎn)向,到達(dá)箱梁內(nèi)部完成錨固。
自錨式懸索橋的總體評(píng)價(jià)
人們對(duì)自錨式懸索橋的認(rèn)識(shí)還不成熟,從這個(gè)意義上來說,自錨式懸索橋還是一種新橋型。隨著這種橋的廣泛修建和研究,
人們的認(rèn)識(shí)也在不斷地深化。3
圖3金石灘金灣橋錨體構(gòu)造
3.1
自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)布局初探
自錨式懸索橋邊跨宜設(shè)置吊索,一方面能夠減
小邊跨主纜在錨固處的水平角度,從而減小主纜的豎向分力,減小墩處的上拔力和配重;選擇合適的邊跨、主跨的跨徑組合與垂跨比,以保持主塔兩側(cè)荷載平衡,如果邊跨過短,則需加大邊跨梁的截面尺寸,或者調(diào)整邊跨的垂跨比,也可以考慮邊跨梁材料采用混凝土,主跨梁采用鋼材料,但對(duì)其連接處的設(shè)計(jì)要求較高;自錨式懸索橋主纜拉力減小,結(jié)構(gòu)整體剛度增大,這一結(jié)論與地錨式懸索橋是相反的,所以自錨式懸索橋宜選擇較大的垂跨比以減小主纜拉力,這樣做也減小了加勁梁的壓力,例如日本此花大橋和韓國(guó)永宗大橋的垂跨比分別為1:6和1:5,但是對(duì)于混凝土加勁梁,還需要保證足夠的壓應(yīng)力,應(yīng)選擇合適的垂跨比;自錨式懸索橋的跨徑不宜過大。3.2混凝土自錨式懸索橋與傳統(tǒng)鋼梁自錨式懸索橋的比較
自錨式懸索橋加勁梁使用混凝土是符合材料特性的。混凝土適合受壓,主纜傳遞給混凝土加勁梁的水平分力相當(dāng)于施加了預(yù)應(yīng)力,不需配置預(yù)應(yīng)力筋;而鋼受壓后易發(fā)生失穩(wěn)破壞,必須加大截面尺寸增加用鋼量;混凝土比鋼廉價(jià),而且混凝土材料后期維護(hù)費(fèi)用較后者低很多;混凝土自錨式懸索橋的剛度比鋼梁自錨式懸索橋大。但是混凝土自錨式懸索橋有兩個(gè)缺點(diǎn),一是混凝土存在收縮徐變,二是加勁
圖2
撫順萬新大橋錨體構(gòu)造
梁自重大導(dǎo)致主纜截面尺寸大,用鋼量增加。3.3淺談自錨式懸索橋優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):①?zèng)]有錨碇,造型美觀簡(jiǎn)潔,美化城市景觀;②可以在地質(zhì)條件較差的地區(qū)修建;③結(jié)構(gòu)形式靈活多樣;④采用混凝土加勁梁省去大量預(yù)應(yīng)力器具。
存在的問題和缺點(diǎn):①施工控制困難;②在支架上施工時(shí)需要大量支架;③錨固體應(yīng)力分布復(fù)雜;④跨徑受到限制;⑤混凝土加勁梁存在收縮徐變的問題,而采用鋼梁則用鋼量較大。3.4關(guān)于跨徑的探討
自錨式懸索橋的跨徑一般不大,已建成的自錨式懸索橋跨徑很少有超過300m的。一方面材料性能上的缺點(diǎn)制約了跨徑,鋼加勁梁不適于承受壓力,跨徑不能太大,而混凝土梁存在收縮徐變的問題,跨徑越大對(duì)結(jié)構(gòu)的影響越顯著;,,、造價(jià)升高。因此加勁梁采用合適的材料和構(gòu)造形式,完善分析手段和施工技術(shù)是自錨式懸索橋向大跨徑發(fā)展的'關(guān)鍵性問題。
4自錨式懸索橋計(jì)算理論的研究和發(fā)展
自錨式懸索橋的興起推動(dòng)了自錨式懸索橋計(jì)算理論的發(fā)展。
懸索橋的計(jì)算理論有三種,彈性理論、撓度理論和有限位移理論。撓度理論是基于地錨式懸索橋發(fā)展起來的解析理論,而自錨式懸索橋由于主纜錨固在梁端,因此其解析解有所不同。近幾年我國(guó)科研人員針對(duì)自錨式懸索橋計(jì)算理論展開了深入的研究,取得了一定的成果。在靜力行為研究方面,提出了基于撓度理論的基礎(chǔ)微分方程,在動(dòng)力性能研究方面,提出了自由振動(dòng)的基礎(chǔ)微分方程。上述的理論都是建立在一定的假設(shè)之上,有一定的局限性,適合于初步的分析,對(duì)于精細(xì)的分析還要使用有限元方法。
利用有限元軟件對(duì)自錨式懸索橋的成橋運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算比較特殊,計(jì)算過程一般是:按照一定的方法得到合理的成橋狀態(tài),再將其作為初始狀態(tài)賦予有限元模型,然后進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)分析,其中關(guān)鍵的步驟是成橋狀態(tài)的確定。就施工過程的計(jì)算來說,幾何非線性和接觸非線性問題突出,現(xiàn)有的有限元軟件還不能進(jìn)行有效的模擬;當(dāng)加勁梁采用混凝土?xí)r,收縮徐變?cè)黾恿擞?jì)算的復(fù)雜性。
5
自錨式懸索橋施工方案的不斷探索
自錨式懸索橋的施工,是通過合理的施工步驟達(dá)到設(shè)計(jì)要求的成橋狀態(tài)。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求和自然條件,出現(xiàn)了以下幾種施工方案。
(1)設(shè)支架和臨時(shí)墩,加勁梁在其上施工完畢,然后掛纜、張拉吊索。自錨式懸索橋大多采用這種施工方案。
(2)采用頂推法,設(shè)置若干臨時(shí)墩,將加勁梁頂推至成橋位置,省去大量的支架。
(3)采用地錨式懸索橋的施工方法,設(shè)臨時(shí)錨碇,加勁梁吊裝就位后,再將主纜錨于梁端。另外還有人提出一種先架構(gòu)臨時(shí)的斜拉體系,然后逐步轉(zhuǎn)換為懸索體系的方案。,而且施工控制:①?gòu)埨^程中,主纜逐漸獲得剛度,加勁梁逐漸落架,幾何非線性和接觸非線性問題突出,計(jì)算非常復(fù)雜,現(xiàn)有的有限元軟件不能有效的模擬施工過程;②吊索需精確安裝定位;③主纜與加勁梁的線形控制;④吊索張拉次數(shù)多;⑤混凝土自錨式懸索橋的收縮徐變使得施工控制更加復(fù)雜。橋梁建造者們?cè)趯?shí)踐中逐漸摸索出一些方法,在浙江金華康濟(jì)橋的施工控制中,提出了交替前進(jìn)張拉法,針對(duì)每一輪吊索的張拉設(shè)定不同的控制目標(biāo),經(jīng)過三輪吊索張拉即獲得了滿足設(shè)計(jì)要求的成橋狀態(tài)。如果這種施工方法進(jìn)一步完善,成為一套成熟的方法,那么對(duì)自錨式懸索橋的施工控制意義重大。后兩種方案還可以在不便搭設(shè)支架時(shí)采用。采用臨時(shí)錨碇的方案,由地錨式體系轉(zhuǎn)換為自錨式體系的過程需要精心設(shè)計(jì)、精心施工。自錨式懸索橋的展望
自錨式懸索橋優(yōu)美的造型和不需修建錨碇的特點(diǎn)使得這種橋型具有較大的優(yōu)勢(shì),越來越受到人們的關(guān)注和歡迎。盡管有著其自身的缺點(diǎn)和局限,但是在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天,這種曾被人忽視了6
的橋型,隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的逐漸積累、研究的不斷深入、先進(jìn)分析手段的應(yīng)用和完善、施工技術(shù)的成熟、材料性能的不斷改善,其跨越能力將會(huì)得到突破,也會(huì)得到更廣泛的修建。
參考文獻(xiàn)
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?34?北方交通
2006
荷麻溪特大橋索力測(cè)試方法研究
扈振濤 王榮輝
(華南理工大學(xué)交通學(xué)院,廣州510640)
摘 要 主要分析了斜拉索的振動(dòng)原理以及垂度、彎曲剛度、索長(zhǎng)對(duì)斜拉索索力的影響。基于荷麻溪斜拉橋的自身特點(diǎn)考慮了施工過程中的索力影響因素,實(shí)現(xiàn)了可以利用自振頻率
和油壓表結(jié)合的方法對(duì)斜拉索的索力進(jìn)行精確控制。 關(guān)鍵詞 斜拉索 索力測(cè)試 頻率法1 前言
;;(3)根據(jù)拉索振動(dòng)頻率換算索力。
,,及豎索,等。,他們的拉力和容許應(yīng)力都應(yīng)該控制在允許范圍之內(nèi),整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全和線形的美觀也和其索力狀態(tài)息息相關(guān),但是,在施工過程中以及使用狀態(tài)的情況下,不確定的因素很多,這些因素都會(huì)影響到索力變化的大小,尤其在施工過程中,初張索力的大小和錨固回油后索力大小的控制尤為關(guān)鍵。如何保證在施工過程中的索力達(dá)到我們?cè)O(shè)計(jì)的要求和理想的精度,是擺在工程師面前的一個(gè)難題。本文以珠海荷馬溪特大橋作為工程背景,結(jié)合施工過程的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì),介紹本工程中的索力控制的技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。2測(cè)試方法簡(jiǎn)介
目前,在斜拉索索力測(cè)試中主要有以下幾種方
34
比較之下,壓力表法只是在施工過程中可以進(jìn)行確定斜拉索張力的大小,但是等到斜拉索張拉完畢錨固回油后就無能為力了;采用頻率法測(cè)定索力,即可以在施工過程中測(cè)量,還可以在錨固回油后和成橋檢測(cè)時(shí)候重復(fù)使用,現(xiàn)在也出現(xiàn)了很多高靈敏度的頻率測(cè)量?jī)x器,精度也能夠滿足計(jì)算和施工的要求。正在施工中的荷麻溪斜拉橋就是采用壓力表測(cè)定千斤頂液壓和頻率法相結(jié)合的方法對(duì)施工過程和錨固后的斜拉索索力進(jìn)行測(cè)試,其控制結(jié)果滿足了施工的要求。3工程概況
荷麻溪特大橋主橋?yàn)?25m+230m+125m雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋(亦稱矮塔斜拉
56
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TheDevelopingSelf-AnchoredSuspensionBridge
Abstract Self-anchoredsuspensionbridgeisdrawingmoreandmorepeople’sattentionbecauseofitsexqui2siteshape.Afewself-anchoredsuspensionbridgeswerealreadybuiltintheseyears.Thetextsumsupthechar2acteristicsofself-anchoredsuspensionbridgeandmakesanintroductionandsummaryaboutthedevelopmentofit,involvingthebuildinghistory,thestructure,thetheoreticalresearch,thedesignandconstructionandsoon.
Keywords Self-anchoredsuspensionbridge Development Summary
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