自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)研究

孫開旗

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁將斜拉橋與懸索橋兩種橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具備二者的優(yōu)點(diǎn)，建造跨越能力較強(qiáng)，自身較為穩(wěn)定，具備一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但我國(guó)在相關(guān)方面的研究幾乎沒有，因此進(jìn)行自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)研究，將其與傳統(tǒng)纜索橋梁設(shè)計(jì)體系進(jìn)行對(duì)比，能夠有效提高我國(guó)橋梁施工專業(yè)性。

1 自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁

自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁是一種不設(shè)重力式地錨，將大部分承載力作用于梁端錨固主纜，使得整體橋梁結(jié)構(gòu)橫向與縱向承載力分離的懸索橋體系。與常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)體系相比，這種橋梁設(shè)計(jì)方案能夠在不增加地錨等結(jié)構(gòu)的前提下，就能分解主梁結(jié)構(gòu)的軸向壓力，降低橋梁倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。作為懸索橋的一種，自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁也是將纜索作為主要受力結(jié)構(gòu)，整個(gè)橋梁由懸索、索塔、索鞍、錨碇等多個(gè)結(jié)構(gòu)，并選擇高強(qiáng)度材料制作。

2 自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

設(shè)計(jì)項(xiàng)目圖紙是自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁施工的重要參考，其設(shè)計(jì)水平同最終施工質(zhì)量有著較大影響。但在實(shí)際施工環(huán)節(jié)，部分施工部門橋梁的設(shè)計(jì)內(nèi)容并不科學(xué)，缺少對(duì)于施工地點(diǎn)的情況考察，僅是憑借概念化的理論進(jìn)行圖紙研究。在這種情況下，難以發(fā)揮自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系的“分力效果”，降低了橋梁施工建設(shè)水平，造成沒必要的人力物力資源浪費(fèi)。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)過程中，如何實(shí)現(xiàn)在建造當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境下，橋梁結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)毀壞現(xiàn)象，保證其安全、可靠，成為當(dāng)下自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)的主要問題。在使用年限內(nèi)，橋梁的強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，避免出現(xiàn)靜力失衡情況。應(yīng)量減少?gòu)?qiáng)迫共振的發(fā)生概率，降低結(jié)構(gòu)疲勞對(duì)于橋梁質(zhì)量的影響，保證橋上行車安全。利用氣動(dòng)措施、機(jī)械措施、結(jié)構(gòu)措施等技術(shù)手段，提高橋梁的受壓能力，做好橋梁設(shè)計(jì)工作[1]。

3 自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化方案探討

3.1 吊桿內(nèi)力設(shè)計(jì)

自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)注意超限荷載所產(chǎn)生的影響，保證整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、吊桿索力、加勁梁撓度等關(guān)鍵指標(biāo)符合整體施工標(biāo)準(zhǔn)，才能提高橋梁的安全性。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以通過對(duì)吊桿的內(nèi)力索力來進(jìn)行橋面調(diào)整，優(yōu)化整體橋梁受力狀態(tài)，避免傳統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中通過主纜進(jìn)行受力調(diào)整的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)操作流程。進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時(shí)可以將勁梁線形與相關(guān)的部件受力情況考慮進(jìn)去，依托自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系進(jìn)行施工完成狀態(tài)下的橋梁下值計(jì)算。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇吊桿張拉與索力雙控相配合的方式，將吊桿位移為主要內(nèi)容，明確索力目標(biāo)值，在吊桿張拉完成后，進(jìn)行主梁施工標(biāo)高作業(yè)設(shè)計(jì)。過程中對(duì)于千斤頂?shù)氖褂?、?biāo)高范圍、吊桿最大張拉力范圍都要做出相應(yīng)規(guī)定，保證設(shè)計(jì)效果方便進(jìn)行質(zhì)量控制?？梢圆捎媒惶鎻埨ㄟM(jìn)行不同吊桿的輪次張拉，并將對(duì)稱張拉作為核心設(shè)計(jì)原則，適度調(diào)整拉桿來優(yōu)化張拉空間，以及下拉桿的連接套筒更換設(shè)計(jì)方案。吊桿內(nèi)力設(shè)計(jì)是自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，它不僅與吊桿直接受力情況有關(guān)，還會(huì)影響整個(gè)橋梁的主梁受力。進(jìn)行工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要合理估算吊桿內(nèi)力的有效施工誤差范圍，保證橋梁施工的線性要求及安全質(zhì)量。

3.2 橋梁主塔設(shè)計(jì)

自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁主塔設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括自身結(jié)構(gòu)及適應(yīng)力的變形控制，橋梁主塔在施工成橋狀態(tài)下借助拉索能夠平衡荷載力，長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中，外界環(huán)境中的溫差變化、日照強(qiáng)度使得主塔逐漸產(chǎn)生位移。在橋梁主塔設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要采取有效的方案降低這部分影響力，尤其對(duì)于橋梁頂部控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)。可以設(shè)計(jì)一個(gè)主塔偏離監(jiān)控方案，在橋梁塔頂上建立觀測(cè)點(diǎn)，借助高精準(zhǔn)度儀器定期進(jìn)行橋梁位移情況測(cè)定。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要充分考慮到環(huán)境因素對(duì)于主塔形變測(cè)量的影響，將位移監(jiān)測(cè)工作設(shè)計(jì)在日出前進(jìn)行，并且選擇多種天氣狀態(tài)進(jìn)行不定期觀察，從而保障自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)施工完成后的使用效果。橋梁荷載要求考慮進(jìn)主塔設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，基于主塔實(shí)際應(yīng)力與設(shè)計(jì)理論值會(huì)存在一定的差異性，不能完全滿足誤差參數(shù)識(shí)別要求，因此要優(yōu)化主塔控制應(yīng)力的變化情況，可以在單個(gè)塔柱的底部及頂端位置布置應(yīng)變傳感元件[2]。

3.3 動(dòng)力特性設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)忽視風(fēng)對(duì)于橋梁使用的影響作用，導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)的動(dòng)力穩(wěn)定性較差，完工橋梁存在著較多的安全隱患。近年來，隨著橋梁跨度的不斷增加，橋梁動(dòng)力特性影響要素探討也越來越受到人們的重視。通過研究表明，橋梁剛度與橋梁動(dòng)力穩(wěn)定性有較大關(guān)系，自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系中，其豎向剛度較強(qiáng)，且對(duì)于動(dòng)力穩(wěn)定性存在一定的提升作用。針對(duì)跨徑較大的橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，橋梁的風(fēng)敏感性較強(qiáng)，容易發(fā)生渦激共振造成橋梁風(fēng)災(zāi)。渦激共振是指從流體的角度來分析，任何非流線型物體，在一定的恒定流速下，都會(huì)在物體兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的旋渦。風(fēng)災(zāi)影響主要分為兩種，一種是強(qiáng)迫共振，另一種是自激振動(dòng)。強(qiáng)迫共振能夠造成橋梁結(jié)構(gòu)疲勞，影響行車的安全性與舒適性，而自激振動(dòng)的振力較強(qiáng)，對(duì)于橋梁有著毀滅性打擊。

3.4 顫振受力設(shè)計(jì)

在進(jìn)行自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮顫振受力可能造成的破壞性純扭轉(zhuǎn)或彎曲扭轉(zhuǎn)隱患，當(dāng)橋梁達(dá)到臨界風(fēng)速后，振動(dòng)的主梁通過氣流的反饋?zhàn)饔貌粩辔漳芰靠朔Y(jié)構(gòu)自身阻力，導(dǎo)致振幅逐步增大，最終破壞整個(gè)橋梁建筑。顫振幾乎可以發(fā)生在任意一種主梁的截面形式中，美國(guó)塔科馬海峽大橋是位于美國(guó)華盛頓州塔科馬的兩條懸索橋，1940年7月1日，在風(fēng)速低于25 m/s的環(huán)境中，由于分離流引發(fā)橋梁扭轉(zhuǎn)顫振，導(dǎo)致主梁變形。調(diào)查顯示這次事故是由于該橋的兩側(cè)是由密不透風(fēng)的硬性形狀組成，主梁的抗扭度較弱，易產(chǎn)生大型漩渦，導(dǎo)致漩渦脫落引發(fā)顫振。橋梁顫振是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最應(yīng)該注意的問題，它一種橋梁的發(fā)散自激振動(dòng)，結(jié)構(gòu)毀滅性強(qiáng)，能夠?qū)蛄涸斐蓢?yán)重破壞。橋梁顫振與顫振臨界風(fēng)速及橋梁扭轉(zhuǎn)頻率有關(guān)，資料顯示橋梁的扭轉(zhuǎn)基頻與臨界風(fēng)速呈正比關(guān)系，從而影響整體橋梁動(dòng)力特性設(shè)計(jì)。橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以選擇分體式結(jié)構(gòu)來降低顫振受力，它是一種特殊的截面形式，通過降低橋梁不同結(jié)構(gòu)之間的空氣壓差，增大橋梁的氣動(dòng)阻尼，從而提高橋梁顫振臨界范圍風(fēng)速。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁截面面積與顫振臨界風(fēng)速之間的變化關(guān)系，確保橋梁的上下氣流幾乎不會(huì)相互干擾，從而實(shí)現(xiàn)顫振的穩(wěn)定性要求。作為橋梁設(shè)計(jì)的重要革新形式，分體式結(jié)構(gòu)對(duì)于顫振穩(wěn)定性的減緩價(jià)值還處于探索階段[3]。

4 結(jié) 論

自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)工作中，重點(diǎn)在于動(dòng)力特性及整體剛度的標(biāo)準(zhǔn)制定，過程中要注意風(fēng)致振動(dòng)對(duì)橋梁彎扭耦合顫振穩(wěn)定性的影響效果。改變斜拉索與主梁的交匯區(qū)域面積后，整個(gè)自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁動(dòng)力特性變化不大，由此可見吊桿內(nèi)力設(shè)計(jì)在橋梁剛度組成中起到?jīng)Q定作用。