斜拉飞燕拱组合桥的技术特点.pdf

斜拉飞燕拱组合桥的技术特点王庭正(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉430063)摘 要:斜拉飞燕拱组合桥是将斜拉结构与飞燕式拱相组合而形成的一种全新的桥梁结构体系,这种体系充分发挥了索拱相互作用、共同受力的特性,在兼具了斜拉桥和拱桥优点的同时又形成了自身独特的技术特点。结合湘潭市莲城大桥,详细介绍该桥式8个方面的技术特点。关键词:斜拉桥;拱桥;组合结构;技术特点中图分类号:U448.22;U448.27文献标志码:A文章编号:1671-7767(2009)02-0027-04收稿日期:2008-07-03作者简介:王庭正(1965-),男,高级工程师,1988年毕业于西南交通大学土木工程系铁道工程专业,工学学士,1991年毕业于西南交通大学岩土工程研究所地基基础专业,工学硕士(E2mail:whwtz )。1 前 言拱是一种古老、独特的结构型式,历史悠久,有着优美细腻的造型,可以清晰地展现出力流和美学的外观1。相对拱桥而言,斜拉桥的历史要短得多。斜拉结构和拱结构的组合则是在计算手段高度发展的现代社会桥梁建筑师大胆构思、勇于探索的产物。湘潭市莲城大桥主桥斜拉飞燕拱组合体系(见图1)正是这一创新构思的具体实践,其结构新颖、造型美观,既展示了拱桥与斜拉桥的特点,又使两种桥型的优点得到相互补充。本文结合湘潭市莲城大桥,主要介绍该桥几个突出的技术特点。图1 莲城大桥主桥斜拉飞燕拱立面2 斜拉飞燕拱组合桥的各项技术特点2.1 斜拉与拱结构组合体系1927年,在跨越哈德逊河的桥梁方案中,G.G克利沃夏曾提出过拱-悬索桥的组合方案(见图2),当时给人一种耳目一新的感觉。在直布罗陀海峡桥的研究方案中,T.Y.Lin提出了5 000 m跨斜拉-悬索桥方案2,见图3。斜拉-拱组合桥则在最近几年才被桥梁工程界提出。2000年,有文献对斜拉-拱桥的组合结构方案进行了构思3,提出了3种斜拉-拱桥方案,见图4,但未进行深入的研究。2002年马来西亚建成了当时世界最大跨度的图2 拱-悬索桥组合方案图35 000 m跨斜拉-悬索桥方案图4 斜拉-拱桥构思斜拉-拱桥 普特拉贾亚城(Putrajaya)桥4,该桥跨度为300 m,见图5。由图1和图5可知两者的主要区别:普特拉贾亚城桥的中跨斜拉索锚固在桥面上,与吊杆组成“并联”结构,分别将部分桥面荷载传递给拱肋及桥塔。莲城大桥主桥的斜拉索锚固在钢管混凝土拱肋上,斜拉索、拱肋及吊杆组成“串联”结构,共同将部分桥面荷载传给桥塔;另一部分桥面荷载则通过吊杆传给拱肋进而传给拱座基础。因此,莲城大桥是以拱结构受力为主、斜拉索受力为辅的一种新型的组合结构。72斜拉飞燕拱组合桥的技术特点 王庭正图5 马来西亚的普特拉贾亚城桥其实,这种拉索和拱的组合结构并不陌生,大跨径拱桥在形成拱肋的施工过程中就有千斤顶斜拉扣挂法,这里的拉索只是临时构件,通常在拱肋(圈)合龙后放松千斤顶释放拉力。拉索在施工拱桥中有诸多优点,如果在拱肋形成直至完成拱上建筑后拉索仍不拆除,这就成了一种新结构 斜拉-拱组合结构。斜拉-拱组合结构的主要受力构件为拉索、拱肋、桥塔,拉索和拱肋就像斜拉桥的拉索和主梁一样永久组合在一起共同受力。2.2 斜拉飞燕拱组合桥体系构成及荷载传递路径斜拉飞燕拱组合桥是由斜拉桥与飞燕式系杆拱桥按受力要求有机组合而成的一种新型桥式结构,主要由边跨主梁、三角区主梁、主跨桥面系、桥塔、边拱、主拱、斜拉索、吊杆、系杆及拱座、墩与基础组成,见图6。图6 斜拉飞燕拱组合桥结构体系组成参考斜拉桥及中承飞燕式拱桥的结构体系,湘潭市莲城大桥斜拉飞燕拱组合桥式结构体系的要点有:边跨主梁与桥墩设置纵向活动支座。在边拱与边跨主梁的结合处,考虑传递水平力的需要,采取固结模式。在三角区主梁与主跨桥面系结合处,为减少整体结构温度力的影响,采用了铰接模式。这样跨中桥面系就形成了相对独立的悬吊系统,桥面构造相对较为简单,方便施工。在三角区主梁与主拱的连接方式上,进行了固结与铰接的比较分析,计算结果显示,固结模式下,三角区梁部弯矩在正常使用组合(主力+附加力,考虑温度力)下会增大,考虑到固结模式在节点构造上处理较为复杂,综合考虑桥面布置以及主拱受力等因素,最后选择了铰接模式,即在主拱两肋间设钢横梁,主梁通过纵向活动支座支承在横梁上,主梁与拱肋内侧间设横向限位支座。在桥塔与三角区主梁交叉处,主梁通过纵向活动支座支承在桥塔下横梁上,主梁两侧设置横向限位支座。桥塔、边拱和主拱均固结在拱座上。这种结构体系决定了其荷载传递路径也是独具特色的,其荷载传递路径主要为:主跨中部吊杆分布区域的桥面荷载通过竖直吊杆传递给拱肋,无斜拉索分布区转化为拱肋轴力和弯矩,有斜拉索分布区则吊杆力沿拱肋切向分力转化为拱肋轴力,法向分力传递给斜拉索并通过斜拉索传递给桥塔。边跨主梁及三角区主梁的桥面荷载部分直接通过斜拉索传递给主塔,部分通过边墩支座、主塔支座、三角区主梁在主拱横梁上的支座及边拱与边主梁固结点分别传递给边墩、主塔、拱肋及边拱。由于系杆两端锚固于主桥的两端,而三角区主梁与主跨桥面系之间为铰接并设有伸缩缝,因此系杆力无法通过桥面系传递,只能通过边主梁传递给边拱转化为边拱轴力传给拱座,其水平分力与主拱轴力的水平分力相抵消,两者水平分力差值由主塔墩基础承受,竖向分力直接传给基础。2.3 拱脚推力从荷载传递途径的分析可知,由于斜拉索直接作用在拱肋上,部分拱肋和桥面荷载通过斜拉索的竖向分力传递给桥塔并直接转化为基础竖向力,从而有效地降低拱肋和桥面荷载引起的拱肋轴力,减小拱脚对拱座、基础的水平推力,优化桩基设计。对于飞燕拱结构而言,拱脚最大水平推力一般发生在拱肋合龙以后、横梁吊装完成、水平系杆张拉之前。经比较,本桥斜拉索的存在,使主墩所受的水平推力比同跨度的飞燕拱桥受力减小约25 000 kN,相当于减少约20%的系杆力。2.4 主拱拱肋线形及造型根据主拱受力情况,主拱的合理拱轴线分3部分:在拱顶无斜拉索作用区段,其恒载为自重及等间距布置的吊杆力,可以近似看成是均布荷载,合理拱轴线为二次抛物线。在斜拉索与吊杆共同作用下,拱肋的合理轴线受到吊杆力与斜拉索索力的共同作用影响,由于吊杆的恒载力一定,所以斜拉索的索力就成为控制拱轴线线形的关键因素。经比较计算及理论分析,将斜拉索的索力确定为使吊杆力、斜拉索索力及拱肋重力的合力沿拱肋轴向应该是最理想的索力,这时这段拱肋的合理轴线应近似直线。在拱脚段,拱肋受到其自重及边跨主梁的支承反力的影响,其较为合理的拱轴线为抛物线。为了保证拱肋轴线的连续性和平顺性,采用高次抛物线对3段拱轴线进行拟合处理。拟合结果,拱轴线方程采用的是七次六项式抛物线。82世界桥梁2009年第2期除拱肋线形外,本桥的拱肋形状也颇具特色:根据斜拉飞燕拱组合桥受力特点,由于拱肋上的斜拉索作用在拱肋下部,斜拉索索力能够有效地调整拱肋及拱脚弯矩,可以将拱脚弯矩调得很小,因而有条件大大降低拱脚截面高度,也大大减小拱座的尺寸,因此本桥主拱外形采用由拱顶向拱脚逐渐减小的月牙形拱。2.5 索拱连接构造斜拉索锚固在主拱上,其锚固方式有索夹形式和钢锚箱形式,见图7。湘潭市莲城大桥采用钢锚箱形式。通过节点模型试验研究表明,斜拉飞燕拱组合桥采用钢锚箱锚固方式非常可靠,能满足强度及疲劳的要求。图7 索拱连接方式2.6 内置式无粘结长大系杆飞燕式拱桥和简支拱桥均采用系杆,以承受拱圈的水平推力。一般情况下,大多采用拉索体系的柔性系杆。拉索体系的柔性系杆分为钢丝索配冷铸锚体系、整体挤压钢绞线夹片式群锚和平行钢绞线单根张拉夹片式群锚体系。无粘结平行钢绞线夹片式群锚体系在斜拉桥中已逐步得到应用,但作为系杆应用在拱桥中并不多见。本桥借鉴斜拉桥中斜拉索的设计施工经验,采用无粘结平行钢绞线系杆,实现了单根穿索、单根张拉,从而有条件将索体置于桥面结构之下,不占用桥面宽度,规避了对桥面景观的不利影响,也有利于对系杆本身的保护。与斜拉桥的斜拉索一样,通过在索端头安装压力式传感器及配套数据采集监控系统,确保系杆内各单根钢绞线拉力的均匀性和整索索力的准确性均控制在 1%的精度内。2.7 利用斜拉索辅助扣挂悬拼拱肋施工技术斜拉-拱组合桥的一个主要特点是可以利用桥塔及永久的斜拉索,辅助拱肋的吊装施工。如前所述,本桥式方案的构思就是从拱桥的斜拉扣挂法施工演变而来,因此设计中考虑利用桥塔作为缆索吊装系统的扣塔,在塔顶设置缆索系统的吊塔,并且利用永久的斜拉索代替部分临时扣索,这不仅节约了大量的施工临时设备、提高了施工进度,而且能保证拱肋的吊装及合龙精度。工程实践证明,上、下游拱肋合龙误差仅分别为7 mm和5 mm,完全实现了设计目的。2.8 敏感性和抗风险性斜拉飞燕拱组合结构的敏感性分析5包括:(1)斜拉索索力偏差分析。将斜拉索索力变化差值放大到10%,即计算时按成桥索力增大10%和减小10%进行结构受力分析。(2)系杆索力偏差分析。系杆索力按整体增大10%或减小10%进行分析。(3)结构温度变化分析。考虑结构整体升降温20;主梁顶板日照温差+8;桥塔侧日照温差 5;斜拉索、吊杆与主梁、拱肋、桥塔温差 10;钢管混凝土拱肋与主梁、桥塔温差 10。(4)混凝土收缩徐变分析。混凝土的收缩徐变受施工过程、桥梁所处的环境及混凝土性能等因素影响,很难准确计算。为使结构受力安全可靠,选用不同的收缩徐变终值进行包络计算。对钢管内混凝土,按计与不计管内混凝土收缩徐变进行分析。边梁、边拱及桥塔等混凝土截面采用不同的收缩徐变终值对结构的影响,选取3组不同大小徐变系数、收缩应变终值:第1组为(1.5,0.000 15);第2组为(2.0,0.000 20);第3组为(2.5,0.000 25)。主拱钢管混凝土截面采用不同的收缩徐变终值对结构的影响,选取3组不同大小徐变系数、收缩应变终值:第1组为不考虑收缩徐变的影响;第2组为(1.0,0.000 10);第3组为(2.0,0.000 20)。(5)主拱轴线偏差分析。主拱的轴线受施工影响,很难做到与设计理论轴线完全吻合。在轴线偏差分析时,按主拱的预拱度轴线进行计算。通过以上的分析可知,每一项偏差对结构内力及截面应力所造成的影响都在规范允许的范围内,92斜拉飞燕拱组合桥的技术特点 王庭正不会对结构造成不利影响。因此结构对上述因素的敏感性是较低的。斜拉飞燕拱组合桥式结构风险性研究主要针对斜拉索断索工况进行。斜拉索断索分析主要考虑斜拉索成对对称破断和不对称破断工况,依次计算边跨110号索、中跨110号索对称破断和不对称破断工况。由计算结果可知,边跨2号索和中跨2号索不对称破断时对主拱影响较大,正常使用组合(主力+附加力)作用下钢管最大应力为211MPa;边跨1号索和中跨1号索不对称破断时对梁部影响较大,断索处边梁正常使用组合(主力+附加力)作用下最大拉应力为2.41 MPa。由此可见,斜拉飞燕拱组合桥式结构在断索情况下,应力变化主要在断索处,主拱处斜拉索破断对结构的风险性影响较小,边跨110号索以及中跨1号、2号索的破断对结构的风险性影响较大;不对称断索对结构的风险性要大些,按设计的最大活载作用下,结构仍可保证安全。因此本桥具有较强的抗风险能力。3 结 语斜拉飞燕拱组合桥作为一种新的结构体系,其各主要构件虽然有其自身的受力特点,但都是常见结构,并有其成熟的施工方法和技术,因此该体系的施工难度不大。通过一系列成熟技术的再组合进行桥梁建造技术的创新,本桥不失为一次有益的尝试。参 考 文 献:1林同炎.拱是结构也是建筑J.土木工程学报,1997,(3):11-15.2伊藤 学,川田忠树.超长大桥梁建设的序幕 技术者的新挑战M.刘建新,和丕壮译.北京:人民交通出版社,2002.3李少波.利用钢管和混凝土构思几种桥梁结构J.铁道勘测与设计,2000,(3):4-7.4王莲香,周永兴.马来西亚吉隆坡普特拉贾亚城的斜拉拱组合桥J.世界桥梁,2004,(4):9-12.5桂 婞,罗世东,王新国.大跨径斜拉拱桥结构受力的敏感性分析J.桥梁建设,2006,(S2):86-89.Technical Characteristics of Cable2Stayed Flying2Bird Arch BridgeWANG Ting2zheng(China Railway Tiesiyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)Abstract:The cable2stayed flying2bird arch bridge is a brand new structural system that hy2bridizes the cable2stayed structure and the flying2bird arch structure.The system of such typebrings into full play the characteristics of the interaction and the joint load bearing capacity of staycables and arch.Having both the advantages of the cable2stayed bridge and arch bridge,the sys2tem therefore forms the unique technical characteristics of its own.With reference to the Li2ancheng Bridge in Xiangtan,this paper discourses in detail the technical characteristics of the ca2ble2stayed flying2bird arch bridge from eight aspects.Key words:cable2stayed bridge;arch bridge;hybrid structure;technical;characteristic03世界桥梁2009年第2期