混凝土自锚式悬索桥配重设计初探.pdf

7 0 低温建筑技术 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 6 8期 ) 混凝土 自锚式悬索桥配重设计初探 韩安凤 f 上 海勘测设计研究院 ， 上海2 0 0 4 3 4) 【 摘要】 针对塔梁分离的混凝土加劲梁自锚式悬索桥， 讨论为平衡主缆锚固端上拔力的配重设置的影响 因素和设计方法。选取某三跨连续 自锚式悬索桥， 通过调整边主跨比、 垂跨比、 边跨压重及调整锚固端配重分布， 对 自 锚式悬索桥减小或消除支座上拔力的方法进行了探讨。经对比分析， 边主跨 比的合理设置、 增大锚固端配重 对减小锚固端支座上拔力作用显著； 附加压重荷载应尽量靠近支座处布置； 调整主缆张力 ， 适当增加加劲梁的分 担载荷 ， 对减小支座上拔力有利。 【 关键词】 自锚式悬索桥； 主缆张力； 配重设计； 附加压重 【 中图分类号】 T U 2 7 9 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 7 0 0 3 混凝土加劲梁 自锚式悬索桥造型美观 、 造价低、 刚度大、 同时可以克服钢加劲梁用钢量大， 在较大轴 向压力下容易压屈、 建造和后期维护费用高的缺点 ， 在中小跨 径 的 自锚式 悬 索桥 中发展 迅速 。但 由于混 凝土加劲梁恒载 自重大， 在三跨连续的自锚式悬索桥 中， 主缆在边跨锚 固端除了给加劲梁传递 巨大轴力 外 ， 还会产生很 大的竖 向拉 力。当边跨重 量不 足 以平 衡竖向拉力时， 锚固端支座会产生上拔力。在设计过 程 中， 应尽量 消除或减小支 座上拔力 。当主跨 跨径不 变时， 虽然可以通过优化主跨加劲梁截面， 减小主跨 恒载 ， 来减小上拔力， 但这种方法不能保证完全消除 主缆竖 向拉 力 带来 的上 拔力 。配 重设 计就 是 通过 沿 混凝土加劲梁轴向合理配置恒载质量， 以及采用适宜 的主缆 和 吊杆布 置 ， 必要 时配置 附加压 重 ， 以求实 现 由桥梁上部结构自身平衡主缆张力的目的。 1 配重设计影响 因素 通 常主跨按受力和 刚度 所需 的最小 断面设 置 ， 沿 主跨全 长不变 ， 因而调 整恒载质量分 布 的方 法 主要 是 增加边跨特 别是锚 固端 恒载 ， 如增大 边跨和 锚 固端 梁 截面， 增设锚 固跨等 ； 附加压重是通过配置结构 自重 以外的质量来平衡上拔力的方法。如箱型截面的边 跨加劲梁， 可在箱室 内填充附加质量 ， 对于有引桥的 自锚式悬索桥， 可在锚固端设置牛腿， 将引桥一端支 承在牛腿上从而利用引桥重量作为附加压重。在实 际工程中， 配重设计往往受各种因素影响， 使得配重 设计要综合考虑各方面要求， 如： ( 1 ) 边主跨比的影响： 边主跨比是 自锚式悬索 桥设计的关键问题之一， 但边主跨 比往往受地形和地 理条件 限制。 ( 2 ) 垂 跨 比影 响 ： 垂 跨 比影 响 主 缆 的线 形 和 张力 。 ( 3 ) 桥跨 的影响 ： 在桥跨允许 时 ， 可在锚 固跨 外 设置辅助跨来平衡上拔力 ； 对于有引桥的桥梁， 可通 过将引桥重量压在锚固端来平衡上拔力； 当桥跨受限 时， 就只能通过其他方法进行。 ( 4 ) 截面高度的影响： 适当增大锚固端截面 ， 加 大锚固端恒载是配重设计的重要方法； 但此方法受梁 顶标高和桥梁净空限制。 ( 5 ) 对于塔梁分离的 自锚式悬索桥， 对桥塔处 支座反力还应进行考虑。防止塔梁支座脱空。 ( 6 ) 在达到消除或减小上拔力 目标的同时， 应 考查整体结构受力情况 。 2实例分析 2 1 工程概况 某三跨连续 自 锚式混凝土加劲梁悬索桥， 塔梁分 离 ， 跨径组合为 4 0 m+1 2 0 m+ 4 0 m， 全桥 总长 2 0 0 m， 宽 1 2 m， 加劲梁标 准梁 高 2 1 m， 锚 固端 加劲 梁底 和 主塔 横梁处加劲梁底各设两个支座。经配重设计后 ， 边跨 端部梁高渐变至 3 m， 并向支座外侧挑出4 m。如图 1 图4所示 。 在配重设计分析过程中， 保证主跨跨径、 加劲梁 截面不变， 在此基础上， 改变边主跨 比、 垂跨 比 、 调 整附加压重范围、 主缆张力、 增大锚 固跨， 考察成桥时 锚固端支座反力 F 1 ， 桥塔塔梁支座反力 ， 桥塔处加 劲梁轴力 1 及弯矩 M1 ， 主跨跨 中处加劲梁的轴力 舵 及弯矩 M2的变化 ， 并考察加劲梁上下缘应力水平， 进 行配重设计。 2 2 边主跨 比的影响 边 主跨 比即边跨与 主跨跨 度之 比， 为考察 边 主跨 比影响， 分别取边主跨比为 1 2 、 1 2 3 、 1 2 6和 1 3 ， 计算得到成桥阶段支座反力和加劲梁内力 ， 结果见表 l ， 表 中支座反力 为两支座反力 和 ， 正 为拉 ， 负 为压 。 从表中可看出， 增大边主跨 比对减小上拔力作用 显著 ， 边主跨 比越大 ， 上拔 力越小 ， 同时塔 梁支 座处 压 韩安凤： 混凝土自锚式悬索桥配重设计初探 7 l 图l 某 自锚式悬索桥纵剖 面示意图 图2 配重后纵剖面示意图 J1 o 4 o o 1 8 0 4 0 0 J1 f L J 【 - JI机动车遒 l 暑 L 8 4 O L 图3 加劲梁标准截面 ( 单位 ：le n 1 ) tl 1 0 4 0 0 1 8 0 4 0 o j1 O l - J L 憾 = - j U 0 H n L 8 4 O L 图4 加劲粱变高段截面 ( 单位 ：c m) 力也明显增大。调整边主跨 比， 当主跨跨径和荷载不 变时， 主缆锚 固端对加劲梁产生 的轴力基本不变， 加 劲梁弯矩变化也较小。本例条件下 ， 边主跨 比达到 l 2时 ， 锚 固端支座上拔力完全消除 。 表 1 不 同边 主跨 比时成桥反力和 内力 2 3 垂跨 比的影响 考虑垂 跨 比影 响 时 ， 不 考 虑 压 重 。取 垂跨 比 l 6 9 、 I 7 3 、 1 7 8进行计算 ， 主缆张拉力水平分量见 表 2 ， 成桥 阶段支 座反力 和加劲梁 内力见表 3 。 表 2 不 同垂跨 比时主 缆张力水 平分量 垂跨比 支座反力 k N 加劲梁轴力 k N f L F 1 F 2 N1 N 2 加劲梁 弯矩 k N m M 1 2 从表 中可看 出 ， 减 小垂 跨 比后 ， 锚 固端 处 支座 上 拔力虽然减小 ， 但减小幅度很小 ， 但对桥塔处支座反 力影响较大。增大垂跨 比， 主缆张力的水平分量减 小， 主缆对加劲梁的预压力也相应减小。 2 4 附加压重及分布 为减小上拔力 ， 对 边跨 4 0 m范 围内采取 附加压重 措施， 在垂跨 L f t , =1 7 3情形下 ， 分别考虑不压重、 边跨 2 0 m压重、 边跨 4 0 m压重， 压重采用块石混凝土 灌注箱梁箱室至充满， 计算结果见表4 。 表 4 不 同压重范 围时成桥 反力和 内力 改变压重范 围对 加劲梁 轴力和 弯矩影 响较 小 ， 但 对 于支 座反 力 的变 化作 用 还是 显著 的。从 不 压重 到 边跨 2 0 m压重时， 上拔力减小近 2 8 8 7 k N； 从 2 0 m压重 到边跨全压， 支座反力减小 9 6 3 k N， 可见减小锚固端支 座上拔力时， 在锚固端区域进行集 中压重时， 效果最 佳 。对于塔梁支座处 反力影 响也是 如此 ， 靠 近塔 梁支 座处压重， 效果明显 ， 如在边跨 4 0 m全压重时， 塔梁支 座处压力增大 5 0 0 k N， 在端部2 0 m压重时 ， 其塔梁支座 反力基本上没影响 。 2 5主缆张力 在研究主缆张力对锚固端上拔力影响时， 通过调 整主缆张力水平分量 日来调整主缆与加劲梁的荷载 分配比， 达到控制线形和调整成桥 内力的 目的。取垂 跨比L=l 7 3 ， 此时水平力 H= 3 4 5 6 7 k N， 分别取主 缆张力水平分量 H、 0 9 5 H和 1 0 5 H时， 在边跨全压 重， 看成桥反力和加劲梁内力 ， 计算结果见表5 、 表 6 。 3 9 9 卯 n U 一 一 一 4 1 0 1 3 5 一 一 一 O 7 7 一 一 一 9 3 7 & 一 一 一 9 3 8 i 7 2 低温建筑技术 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 6 8期 ) 表 5 不 同 日时成桥反 力和 内力 水平 分量 主塔处梁应力 MP a 跨 中梁应力 MP a 上缘 下缘 上缘 下缘 从 表 中可看 出， 调整 主缆 水平 力 ， 对 支 座反力 影 响较大 。当水平力 日增 大 时 ， 支 座 上拔 力增 大 ， 塔 梁 处支座压力减小； 当水平力 日减小时， 锚 固端支座上 拔力减小 ， 塔梁处支座的压力明显增大， 且加劲梁上 下缘应力也较平均 。 2 6 增 大锚 固端 对边跨进行配重和调整主缆水平力 日等都未完 全 消除锚 固端 支 座上拔 力 ， 为此 ， 在 尽量 不影 响加劲 梁线形的情况下 ， 在靠近支座 8 m范围内， 增大锚固端 加劲梁截面， 将梁高从 2 1 m变到 3 m， 同时端部悬挑 出4 m， 以增大端部梁身 自重 ， 主缆张力水平分量取 0 9 5 H， 得到最终配重设计， 计算结果见表 7 、 表 8 。 表 7 增大锚 固端 时成 桥反力和 内力 等截面 2 5 7 5 2 7 8 0 4 9 6 5 14 9 6 3 51 5 3 1 一l O 0 8 增大锚 固端 一2 3 0 8 2 5 8 6 4 9 6 2 34 9 6 2 8 1 0 3 2 4 3 1 从 表 中看 出 ， 锚 固端 增 大并 外挑 后 ， 端 支座 未 出 现上拔力， 单个支座压力分别为 1 1 5 4 k N和 1 2 9 3 k N， 满 足成桥和运营阶段不设拉压支座的受力要求； 在加劲 梁配置预应力束后， 其上下缘压应力也较平均 ， 在 5 M P a 左 右 ， 运 营阶段 加劲梁上下缘应力也满足要求。 表 8 增大锚 固端时成桥应力 3几点讨论 在上述配重设计 过程 中， 边 主跨 比和 加劲 梁恒载 质量轴向分布对配重效果影响显著。减小主跨恒载 质量可有效降低主缆张力， 减小上拔力； 增大边跨长 度 ， 保持较大 的边 主跨 比， 可减小边 缆垂 跨 比， 并 显著 减小锚固端支座上拔力。为此， 自锚式悬索桥跨径布 置应特别重视端部配重需要 。 主缆垂跨 比的变化对锚 固端支座上拔力的影响 较小， 但对塔梁支座处反力影响较大。垂跨 比变化 时， 主缆张力发生变化， 主缆的轴向刚度、 几何刚度和 加劲梁的竖 向刚度也 随之变化 。当垂 跨 比减小 时 ， 主 缆 张力增 大 ， 主缆 的轴 向刚度和几 何 刚度增 大 ， 加 劲 梁 的轴 向压力 由于 主缆 张力增大 而增大 ， 加劲 梁竖 向 刚度随之增大， 影响了恒载分配到支座上的力， 使分 配 的力减 小。 边跨段 附加 压重对 减小 锚 固端 支座 上 拔力 效 果 显著， 越靠近锚固端压重， 效果越明显 ， 对塔梁支座处 也同样 ， 增加塔梁支座处荷载对增大支座压力有利。 通过控制主缆张力水平分量， 来调整主缆与加劲 梁的恒载分配比， 对支座反力和结构内力变化影响 比 较 明显 。适当增 加加劲梁分 担的荷 载量 ， 对减 小锚 固 端支座上 拔力 和增 加塔 梁支 座处 压力 作 用 显著 。还 可通过调整主缆张力， 达到调整加劲梁轴力和弯矩大 小 的 目的， 以此来控制加劲梁 上下缘 压应 力。 增大锚 固端是 配重设 计 中最 有效 地 减 小支 座 上 拔力的方法。通过增大锚固端截面 ， 增加锚 固端恒 载 ， 可直接平衡 主缆竖 向拉力 。还可通 过将 锚 固端 外 挑 一段 ， 这样 ， 锚 固端 外延 段荷 载可 完全 用 于抵抗 上 拔力 ， 这 与 引桥 荷 载通 过 牛 腿传 递 给锚 固端 的效 果 相同。 4结语 ( 1 ) 混凝土加劲梁 自锚式悬索桥的边主跨比是 配重设计的关键因素， 应考虑加劲梁恒载质量分布和 附加压重条件综合选取 。 ( 2 ) 在配重 设计 过程 中 ， 应 优先 考 虑将 重量 向 锚 固端集 中， 增大锚 固端 的梁截 面 ， 条件 允许 时 ， 可 向 锚固端外挑或增加锚跨来减小或消除上拔力。 ( 3 ) 附加压重在边跨和锚 固跨范围内配置， 是 实现配重 目标的有效方法。应尽量靠近支座处布置 ， 以增加 压重效果 。 ( 4 ) 对 于三跨 连续 、 桥塔 处设 有支 座 的 自锚 式 悬索桥 ， 应适 当增 加加 劲梁分 担 的荷载 量 ， 防止 支座 脱空。 收稿 日期 2 0 1 20 20 8 作者简介】 韩安凤( 1 9 8 3 一) ， 男， 安徽安庆人， 硕士， 助理工 程师 ， 从事道路与桥梁设计工作。