桥梁设计思考： 一个新的想法.pdf

1图 1 桥梁设计思考：桥梁设计思考：一个新的想法一个新的想法 关于部分缆索承重梁桥的新设计理念，对桥梁设计在经济和美学方面都带来了新的发展空间。关于部分缆索承重梁桥的新设计理念，对桥梁设计在经济和美学方面都带来了新的发展空间。邓文中，林同棪国际董事长邓文中，林同棪国际董事长 这张照片背景上的桥梁勿庸置疑是非常漂亮的。事实上看到她的人确实都非常喜欢她。但是这个设计方案采用的钢箱梁价格太高了，使得她的造价是所在城市难以负担的。为了使这座优雅别致的桥得以实现。我们不得不寻找方法降低造价。这是一个宏伟的斜拉桥，塔和梁都是采用的钢结构。在中国建桥的地方，钢梁的价格一般是混凝土梁的 2.5 倍，但混凝土梁的自重却是钢梁的 3倍。使用混凝土梁可以降低造价，但同时也加大了自重，所以就必须相应增加桥塔的尺寸，这样不论从经济还是美观上来说都是不合算的。所以，我们可以通过进一步深化“部分斜拉桥”的理念来解决这一难题。世界上所有的桥梁通常可以分为四种基本类型：梁桥、斜拉桥、吊桥（悬索桥）和拱桥（如图 1）。对于梁桥，梁是自承载的；而其他三种类型的桥，梁是由缆索和拱肩支撑的，所以梁一般都比较柔，几乎完全依赖缆索来承担所有的力，包括梁的自重和各阶段的荷载。对于斜拉桥和吊桥（悬索桥），荷载由缆索传递到桥塔上，再通过桥塔最终传递到基础上；对于拱桥，荷载是通过索和拱肩传递到拱轴上，最后传到基础上的；这三种形式的桥都是由缆索作为主要承重体，梁是次要承重体，因此统称为缆索承重桥。但实际上，梁也是桥梁结构的重要角色，尤其是对于中小跨径的桥。那我们是否可以把这两部分结构的角色互换一下呢？这样就能够充分发挥梁的作用了，这就是“部分缆索承重桥”的理念。在这种理念下，我们可以在设计中使用预应力混凝土梁来控制预算。2以下是具体的结构原理：对于中等跨度的梁桥，有一个纯经验的标准：墩顶处的预应力混凝土梁高大概是桥跨的 1/20 左右。即 100m 的跨度的梁桥，墩顶处的梁高大约是 5m。对于连续梁，这个高跨比可以达到 1/26。所以梁高比较小的梁桥，梁一般需要一些附加的支撑。矮塔斜拉桥就是一个典型的例子，他的梁高一般远远低于跨度的1/26，因此，附加的索支撑就尤为必要了。对于其他三种类型的桥，梁上的荷载主要是由索承担的，这样梁的高度就并不完全由桥跨决定的了，而是取决于其结构形式和其他的特定因素。例如，斜拉桥的常规设计思路是拉索承担所有的恒载和大部分活载。只有恒载作用下时，梁基本不受力，只会产生非常小的弯矩。活载作用下时，仅仅是因为刚度的原因，梁才会承受部分的弯矩。在这样的理念下，梁一般都会设计的很柔，目前已建斜拉桥中，大部分也都如此。常规斜拉桥的跨度与梁高之比可以达到 350，悬索桥则可达到 600 或者更高。由于拉索几乎承担了梁上所有的荷载，梁的刚度对于桥梁的受力行为也就不是特别重要了。部分缆索承重桥的理念是通过使用拉索来增加梁的强度，使依靠梁自身强度不能满足期望跨径的桥可以达到设计要求。根据梁的承载能力的不同，梁上附加支撑的也是种类繁多：有拉索支撑、与悬索连接的吊杆支撑和与拱连接的吊杆支撑。具体分类，一共有三种不同的部分缆索承重梁桥：部分承重斜拉桥（简称部分斜拉桥）、部分承重悬索桥（简称部分悬索桥）和部分拱承桥。每种类型的含义就如同他们的命名。当然，同种类型的桥并不意味着就完全相同，也可以延伸出很多的变化，部分支撑就既可表示有一部分的梁具有索支撑，也可表示全部的梁都由索承担一部分的荷载。现在回到我在本文开头提到过的那座桥台江大桥（图 2），该工程位于福建省三明市沙溪河上，为了满足当地通航要求，采用了 2110m的主跨布置。业主希望台江大桥能够成为一座在中国具有图 2 3一定影响力的、标志性的桥梁。林同棪国际重庆工程咨询有限公司承担了该桥的设计。该桥两端要求平接已有的市政道路，因此桥两端的高程是固定的；该桥要满足比较大的人行及非机动车交通流量，因此桥梁纵坡也不能太高；另外，桥梁必须高于当地的最高洪水位，这些限制条件就决定了梁高必须比较小。除此之外，因为桥面比较接近水面，梁如果比较厚的话看起来也不美观。从效果图上可以看出，我们最初提供的钢箱梁的设计方案可以满足除造价之外的所有要求。我们设计的这座桥塔，如果采用钢箱梁和正交异性钢桥面板的话可以承担梁上所有的荷载，若改成混凝土梁，则只能承担 50的荷载。但是钢箱梁高昂的造价就足以否定这个方案。部分斜拉桥的想法就在这种情况下产生的。对于常规梁桥方案，如果我们用2.8m 高的预应力混凝土梁代替钢箱梁，这样最大的跨度与梁高之比（以下简称跨高比）就达到了的 39.3，很明显，对于梁桥方案，2.8m 的梁高是不适合 110m的跨度的。因此，只有采用采取斜拉桥方案。最终我们推出的是由缆索承担部分梁荷载的部分斜拉桥方案。我们首先估算了梁的承载能力，并和作用在桥上的最大荷载进行了比较，二者之间的差值就是梁上附加支撑要承担的荷载了。塔的设计就是基于这个结果。最终的设计里，塔承担了大约 50的永久荷载。同时，2.8m 的梁高也同样适用于 60m 的边跨。这样最终就成就了这座既经济又美观的桥梁。她既不是一座普通梁桥，也不是一座常规斜拉桥，而是一座部分缆索承重梁桥，更确切的说，这是一座具有一部分索支撑的梁桥。这个设计理念的优势主要是以下几点：对于一座梁桥，梁高或者说梁的截面是由其承担的弯矩决定的。梁的弯矩可以通过以下公式表示：M=p Lp L2 P作用在桥上的荷载；L计算跨径；计算系数，与工程环境、荷载类型和桥梁的具体结构体系有关。由该公式可知，如果我们让索来分担了 50的荷载，那么梁的弯矩也会相应的减少 50。换而言之，对于相同的梁高，桥梁跨径可以增加为原来的 4414.15.0/1倍，跨高比也可以相应增加到 1.4142434。这样的分析当然是过于简单，不过其表达的基本原理还是可以提供给大家一个比较接近的概念的。事实上，这个设计理念的优势还更多一些，因为斜缆会对梁产生比较大的压力，这对混凝土梁来说是有益的。同样的道理也适用于自锚式悬索桥。当然，当我们对梁提供了部分索支撑时，梁和索都会受到所有荷载的影响。二者各自分担的活载的量是严格按照他们的刚度进行分配；而永久荷载作用下的索力则可以通过调整达到任何我们设计的合理的数值。对于中等跨度的桥，混凝土梁产生的永久荷载通常远远大于活载。一旦永久荷载已确定，活载的影响就不是很明显了。对于台江大桥，活载产生的索力还不到最大索力的 8。此外，没有必要求每根索都分配固定比例的荷载，不同的索分担的荷载比例都可以根据具体情况确定。可能最后有的索要承担 100的局部荷载而有的只需要承担 10。对于上乘式拱桥和中承式拱桥是由拱肩（腹拱？）支撑的。*。拱肩和拉索支撑相比，除了它是承受压力而拉索是承受拉力之外，其余并无太大区别。因此，简单的划分的话，当我们提到索支撑时，可以理解为也包括拱肩。矮塔斜拉桥可以看作是这个构思的一个特殊例子。但矮塔斜拉桥有他自己特有的定义，如索的倾斜度和位置等等。如果我们增加一个矮塔斜拉桥的塔高以使索能够发挥更大的作用，那么这座桥就不能够再被称为矮塔斜拉桥了。我们也可只用缆索支撑桥跨的中间部分，这样这座桥就变成了一座部分斜拉桥。林同棪国际工程咨询有限公司现在在中国有好几座正在设计中桥梁。台江大桥设计的成功使得我有机会把这个想法应用到其他几座桥中。沈阳三好桥（图 3）就是另一个比较有特色的部分斜拉桥的实例。沈阳是辽宁省的省会，中国东北最大的城市。业主一看到我们推出的这个方案，就深深爱上了这座桥的优美造型。然而，最初方案采用的钢箱梁和钢塔却使得图 3 5这座桥的造价超出了业主的承担能力。最后，为了满足预算，我把这座桥由最初的常规斜拉桥方案，即钢箱梁上所有的荷载都通过拉索传递到桥塔上，改为由预应力混凝土梁和钢塔组成的部分斜拉桥。该桥预应力混凝土梁高 2.6m，主跨 110m，跨高比达到了 38.5。通过研究计算，该桥的混凝土梁可以承担全部荷载的 60，这样，桥塔就只需承担余下 40的荷载了。由于该处河水较浅，混凝土梁可采用搭架施工，等梁的施工完结后，就可以在梁上拼装拱塔。可先平放在梁上拼装，然后在两座拱塔之间建造一个临时塔，在安装拉索之前，各节段拱塔由临时塔通过绞盘送到它最终的位置上。另一个实例是中国重庆嘉陵江悦来大桥（图 4）。该桥距离水面 70m，桥址处风景秀丽，环境优美。该桥由于通航要求，主跨要求不小于230m，若设计一座带梁腋的混凝土梁桥则会破坏该处优美的风景，而设计一座常规斜拉桥，在很深的河谷之上修建高耸的桥塔，这在景观上也并不合适。最后，我们决定把塔降低到一个合适的高度，同时增强梁的承载能力，使梁可以分担一部分的荷载，这样就成了一座部分斜拉桥。她虽然在外观上看起来很像一座矮塔斜拉桥，但却并不能称得上一座完全意义的矮塔斜拉桥。因为相对于矮塔斜拉桥，悦来桥的桥塔还是偏高了，相应的，索承担的荷载也大于常规的矮塔斜拉桥。在这个例子中，索完全是按照常规斜拉桥的需要进行设计的。部分缆索承重桥也包括好几种不同类型。除了斜拉桥，悬索桥和拱桥也可以设计为部分承载体系。如同常规斜拉桥，悬索桥和拱桥通常也是设计为梁上所有的荷载都由悬索或者拱承担。若图 4 图 5 6桥跨减短至中等跨度，因为我们不能够充分发挥梁的承载能力，则这两种桥型就不够经济了。只有尽量将梁的承载力运用到极致，才可以减弱索和塔或者拱肋以节约造价。如图 5 所示为部分缆索承重桥的几种方案。部分缆索承载桥可以有多种形式，如果全桥长度都分布了部分承重的缆索，那么这座部分缆索承重桥在在外观上看，除了塔稍纤细了一点外，其余和一座常规斜拉桥并无二样；如果索只分布在桥上部分范围，如前面介绍的悦来大桥，那桥梁的外观看起来就会大为不同。在许多工程实例中，不同之处主要是该桥在设计中首要考虑的是景观还是其他因素。对于悦来大桥，若设计两座高塔则一定和周围的环境格格不入。许多工程中，斜拉桥的塔高都会被许多因素限制，如附近机场的航线等，这些可能就会成为我们在很多地方选择部分斜拉桥的主要原因。图 6 所示图表是用来估算不同的附加支撑类型可承担的作用。例如，由图中蓝色曲线可以得到，如果我们只在跨中 1/3 长度施加荷载，所得到的固端弯矩是在全桥长度施加同样荷载所得到的固端弯矩的 50。可见，通过选择附加缆索支撑的方法可以达到非常的效果。梁和索各自分担的荷载比例可根据每座桥自身的具体情况决定，最经济有效的设计就是使得二者的承载能力都能够充分发挥。对于梁特别的柔的桥，索将承担大部分的荷载，受力行为就比较接近常规斜拉桥。对于塔和索比较弱的桥，相应的其受力行为就比较接近梁桥。部分缆索承重桥的优势在于它能够充分发挥梁自身和索这两个承载体系的承载能力，这样使得结构的经济效益得到提高。这个优势对于接近 250m 的中、短跨度的桥来说尤为显著。因为这类桥我们一般采用的最小梁高通常是 23.5m，这样高度的梁本身就具有相当一部分的承载能力，到目前为止，这部分图 6 7能力还没有得到充分利用。部分缆索承重桥的施工同其他类型的桥并无差别。桥梁施工有很多方法，我们？以找出更有效的方法来修建一座特殊的桥。每一个工程都有其独特之处，我们一定要综合考虑到各个方面的因素，如各施工阶段承载力、当地施工环境、材料的运输、施工装备和劳动力等等。例如，大部分工程师将矮塔斜拉桥定义为在没有索的支撑下可以先行完成梁的施工的桥，甚至许多人认为索仅需承受活载。但是，如果对施工过程或者最终结构体系没有什么实际意义，那么所有的这些约束条件都是不必要的。如果仅仅是为了简化、加快施工或者提高安全性，我们没有什么理由去解释为什么梁施工的时候索不可以安装和张拉。我们不应该对任何类型的部分缆索承重桥强加这样的无实际意义的限制。以上介绍的三个实例中，三好桥和台江大桥都将采用搭架施工，这是比较常规和简单的施工工艺，在枯水季的时候很容易操作。这种施工方法简单有效，我们希望以后可以经常采用。对于悦来大桥来说，桥面与水面悬殊的高差显然是不适合搭架施工的。混凝土梁的施工方案是自由悬臂施工法，索则是在悬臂施工的节段完成之后再进行安装和张拉的，当然，在梁、索施工互不影响的前提下也可提前进行索的安装以缩短工期。上述三座桥的设计都采用的是常规的施工方法。对于许多修建预应力混凝土桥要比修建一座钢桥便宜的多的地方，采用这种新颖的设计理念修建的桥应该会越来越多。而且，这个设计理念不仅适用于混凝土桥，对于钢桥来说，基于这种理念的设计也可以更加充分地发挥钢箱梁的承载能力。中国是和美国的国土面积相近，却比美国更多高山河谷。许多较小的城市都被穿城而过的河流一分为二，这些城市都需要建设中等跨度的桥梁。对于这些桥来说，部分缆索承重桥无论在经济上和美观上都是非常不错的选择。