甌江北口大橋鋼桁梁懸吊方案及結(jié)構(gòu)體系研究

馬碧波，李 恒，廖劉算

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310006；2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430056)

多塔懸索橋受整體剛度與主纜抗滑移問(wèn)題困擾，制約了其應(yīng)用與發(fā)展。若能通過(guò)提高主纜與鞍座間抗滑能力，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可從根本上解決“中塔效應(yīng)”對(duì)多塔連跨懸索橋方案的設(shè)計(jì)制約[1-2]。目前國(guó)內(nèi)已建成的3塔大跨度懸索橋分別在結(jié)構(gòu)體系上進(jìn)行了一些嘗試和創(chuàng)新，如泰州長(zhǎng)江大橋在中塔處加勁梁上設(shè)置了縱向彈性索、馬鞍山長(zhǎng)江大橋在中塔處采用塔梁固結(jié)體系、鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋采用4跨簡(jiǎn)支體系[3-4]。

甌江北口大橋跨江主橋采用3塔4跨雙層鋼桁梁懸索橋，為世界上首次使用，相較國(guó)內(nèi)已建成的3座3塔懸索橋，該橋在中塔和加勁梁結(jié)構(gòu)形式等方面存在較大區(qū)別[5-7]，使得該橋的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能與之不同。為了使甌江北口大橋主橋設(shè)計(jì)安全合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)耐久，需對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行深入研究，徹底弄清不同結(jié)構(gòu)體系對(duì)其結(jié)構(gòu)行為特性的影響規(guī)律，得出合理的結(jié)構(gòu)體系方案。

1 鋼桁梁懸吊方案比選

1.1 4跨吊與2跨吊橋跨布置

1) 主纜4跨吊方案[8]

跨度布置為(230+800+800+348) m，懸吊部分加勁梁的跨度為(213.6+800+800+273.6) m，主橋加勁梁全長(zhǎng)2 087.2 m，如圖1所示。

單位：m圖1 4跨吊橋式布置Fig.1 General layout of four-span suspension bridge scheme

2) 主纜2跨吊方案

跨度布置與4跨吊方案相同，僅2個(gè)主跨的加勁梁懸吊在主纜上，加勁梁全長(zhǎng)1 600.0 m。北岸邊跨引橋采用4×68.75 m的鋼混組合連續(xù)梁，頂推施工；南岸邊跨引橋?yàn)?×68.75 m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，采用預(yù)制節(jié)段拼裝施工，如圖2所示。

單位：m圖2 2跨吊橋式布置Fig.2 General layout of two-span suspension bridge scheme

1.2 4跨吊方案與2跨吊方案比選

利用非線性有限元分析程序BNLAS建立結(jié)構(gòu)整體空間模型，從主纜受力、索塔受力、整體剛度、錨碇規(guī)模、主纜抗滑移等各項(xiàng)主要受力指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知：

表1 4跨吊與2跨吊方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Calculation results comparision between four-span suspension bridge schemes and two-span suspension bridge scheme

1) 4跨吊方案主纜拉力增大，主纜索股需加大。4跨吊主跨及南邊跨通長(zhǎng)索主纜規(guī)格為169-127Φ5.54，2跨吊主跨及南邊跨通長(zhǎng)索主纜規(guī)格為169-127Φ5.46。

2) 4跨吊與2跨吊方案北塔及中塔應(yīng)力變化不大，4跨吊方案南塔應(yīng)力較2跨吊方案有所增加。

3) 2種方案主梁豎向剛度及梁端位移變化不大，但4跨吊方案梁端轉(zhuǎn)角大幅減小約47%，由于鋼桁梁梁高較高，轉(zhuǎn)角減小后伸縮縫的反復(fù)開(kāi)合會(huì)得到改善，對(duì)行車(chē)有利。

4) 4跨吊與2跨吊方案相比，主纜入射角變化較大，主纜水平力基本不變，但4跨吊方案豎向力減小，可減少錨碇的規(guī)模，以北錨為例，可減少約4 300 m3混凝土。

5) 4跨吊方案對(duì)中塔處主纜抗滑移安全系數(shù)小幅提高，約3.6%，這主要是恒載纜力增大所致。

綜上所述，4跨吊方案較2跨吊方案受力性能更合理，同時(shí)結(jié)合引橋施工風(fēng)險(xiǎn)、船撞風(fēng)險(xiǎn)、景觀效果、工程量及造價(jià)等因素考慮[8]，甌江北口大橋最終采用鋼桁梁4跨吊方案。

2 約束體系研究

3塔懸索橋約束體系研究，主要包括中塔處主梁與中塔間縱向和豎向連接，邊塔處主梁與邊塔間縱向和豎向連接，跨中主梁與主纜的連接[9-11]；由于主梁與邊塔間縱向連接除須結(jié)合中塔綜合考慮外，豎向連接與中塔處沒(méi)有明顯區(qū)別，故豎向連接可以以中塔研究成果作為參考。

2.1 豎向支承體系

加勁梁在中塔處的豎向約束體系可分為2大類(lèi)[12]：第1類(lèi)為多跨簡(jiǎn)支體系，即主梁在中塔處斷開(kāi)，如圖3(a)方案1所示；第2類(lèi)為多跨連續(xù)體系，即主梁連續(xù)通過(guò)中塔，根據(jù)吊索及支座的布置形式，可分為另外6種方案。

方案2：離中塔中心線20 m設(shè)置第1對(duì)吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(b)所示。

方案3：離中塔中心線10 m設(shè)置第1對(duì)吊索(吊索1#)，懸吊于主塔上塔柱上；離中塔中心線20 m設(shè)置第2對(duì)吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(c)所示。

方案4：在主塔中心處設(shè)置1對(duì)0#吊索(吊索0#)，懸吊于中塔橫梁上；離中塔中心線10 m設(shè)置第1對(duì)吊索(吊索1#)，懸吊于主塔塔柱上；離中塔中心線20 m設(shè)置第2對(duì)吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(d)所示。

方案5：在主塔中心處設(shè)置1對(duì)0#吊索(吊索0#)，懸吊于主塔橫梁上；離中塔中心線20 m設(shè)置第2對(duì)吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，如圖3(e)所示。

方案6：離中塔中心線20 m設(shè)置第1對(duì)吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，在兩主塔柱中橫梁所對(duì)應(yīng)的鋼桁梁下弦節(jié)點(diǎn)處沿縱向設(shè)置2排豎向支座，如圖3(f)所示。

方案7：離中塔中心線20 m設(shè)置第1對(duì)吊索(吊索2#)，懸吊于主纜上，在兩主塔柱中橫梁之間設(shè)置系梁，在塔柱中心線對(duì)應(yīng)的鋼桁梁下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1排豎向支座，如圖3(g)所示。

針對(duì)上述7個(gè)豎向支撐方案建立有限元總體模型，分別研究主梁與中塔間不同的豎向連接方式對(duì)主纜、吊索、鋼桁梁、支座的影響，結(jié)論如下：

1) 各豎向約束體系方案主纜抗滑安全系數(shù)相差不大，均在2.0左右，方案6主纜抗滑移安全系數(shù)最大，為2.16。

單位：m

2) 方案1、方案6吊索力與普通吊索基本相當(dāng)；方案7吊索力是普通吊索力的1.5倍左右；方案2、方案3吊索力非常大，單側(cè)吊索力達(dá)到12 000 kN以上，索夾的設(shè)計(jì)較為困難；方案4、方案5的0#索有卸載現(xiàn)象，且吊索力及應(yīng)力幅值均很大，見(jiàn)表2。

表2 7種方案吊索內(nèi)力和支座反力 kNTable 2 Internal force of sling and reaction force of bearing under seven different schemes

3) 各豎向約束體系方案，除方案5鋼桁梁豎桿應(yīng)力較大之外，其他方案主梁的應(yīng)力通過(guò)適當(dāng)調(diào)整截面基本能滿足設(shè)計(jì)要求，其中方案1的主梁應(yīng)力水平較低，見(jiàn)表3。

表3 7種方案中塔處鋼桁梁應(yīng)力 MPaTable 3 Stress of steel truss beam of middle tower of seven different schemes

4) 方案1支座負(fù)反力較小，僅為3 084 kN；方案6支座負(fù)反力高達(dá)20 915 kN，負(fù)反力過(guò)大對(duì)支座以及支座錨栓附近混凝土的局部受力提出了非常高的要求；方案7負(fù)反力6 838 kN，處于可控范圍，采用局部少量壓重即可消除該處負(fù)反力。

綜合主纜抗滑移、吊索受力、主梁受力、支座受力以及運(yùn)營(yíng)舒適性等各方面因素考慮，甌江北口大橋中塔處的豎向約束體系最終采用方案7。為降低支座設(shè)計(jì)難度、支座及錨固區(qū)混凝土受力的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)中塔塔根附近梁段進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲褐?，以徹底消除支座?fù)反力。

2.2 縱向支承體系

縱向支承體系主要包括塔梁連接形式和纜梁連接形式[13-15]。針對(duì)塔梁連接形式分別研究了主梁與中主塔間縱向不約束、彈性索約束、剛性限位擋塊約束3種情況，分析對(duì)中塔受力、主纜抗滑移安全、主梁受力、支座參數(shù)等因素的影響。針對(duì)纜梁連接形式分別研究了主跨跨中不設(shè)中央扣、設(shè)1對(duì)柔性中央扣、設(shè)3對(duì)柔性中央扣3種情況，分析跨中主梁與主纜間的連接對(duì)中塔受力、主纜抗滑移安全、主梁受力、支座參數(shù)以及動(dòng)力性能方面的影響。分析計(jì)算結(jié)果可得到如下結(jié)論：

1) 加勁梁與中塔間是否設(shè)置縱向約束，對(duì)主纜與中主鞍座間抗滑移安全及中塔受力影響不大；彈性索、剛性約束方案的加勁梁縱向活載梁端位移基本相當(dāng)，全飄體系位移稍大，見(jiàn)表4，加勁梁豎向剛度3種方式也基本一致；彈性索方案索力幅值較大，剛性約束方案支座往復(fù)作用力較大。由于全飄體系構(gòu)造簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，功能與其他約束方式差別不大，因此，甌江北口大橋加勁梁與中塔間縱向采用全飄體系，通過(guò)在邊塔處設(shè)置縱向阻尼器以遏制加勁梁在日常行車(chē)條件下梁端縱移的速度。

表4 活載作用下梁端位移 mTable 4 Displacements of beam end under live load

2) 設(shè)置中央扣后，中央扣內(nèi)力非常大，且應(yīng)力幅非常高，設(shè)置中央扣可減小結(jié)構(gòu)縱向位移，提高結(jié)構(gòu)豎向剛度，但提高值十分有限，約10%?；谥醒肟蹆?nèi)力及應(yīng)力幅均較大的情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)困難，疲勞應(yīng)力幅高。

2.3 橫向支承體系

對(duì)于主塔處加勁梁的橫向約束方式，分別研究3種工況：在加勁梁下弦、上弦、以及上弦和下弦同時(shí)設(shè)置橫向抗風(fēng)支座，其中中塔縱向設(shè)置2排橫向抗風(fēng)支座，分別支撐在A型中塔縱向兩塔柱上。

根據(jù)計(jì)算分析可知：加勁梁僅在上弦或僅在下弦設(shè)置抗風(fēng)支座時(shí)，腹桿面外彎矩較大，單項(xiàng)風(fēng)荷載作用下其應(yīng)力水平較高，弦桿應(yīng)力也較高，見(jiàn)表5；在上、下弦同時(shí)設(shè)置抗風(fēng)支座時(shí)，弦桿及腹桿受力大有改善，且抗風(fēng)支座規(guī)模較小，對(duì)主梁和索塔局部受力均較為有利。因此，甌江北口大橋最終在上下弦同時(shí)設(shè)置抗風(fēng)支座。

表5 極限風(fēng)荷載作用下主梁應(yīng)力 MPaTable 5 Stress of beam under ultimate wind load

3 結(jié)論

多通道合建的多塔連跨大跨度橋梁是我國(guó)未來(lái)在海峽、海灣、江口等深水條件下設(shè)計(jì)長(zhǎng)大橋梁需重點(diǎn)研究和應(yīng)用的橋梁方案，甌江北口大橋首次采用3塔4跨主梁連續(xù)結(jié)構(gòu)，對(duì)其懸吊方案和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行系統(tǒng)研究，得到以下認(rèn)識(shí)：

1) 4跨吊與2跨吊方案相比，主梁豎向剛度及梁端位移變化不大，但4跨吊方案梁端轉(zhuǎn)角大幅減小，對(duì)行車(chē)有利。

2) 加勁梁豎向支撐體系對(duì)支撐位置附近的吊桿及主梁局部受力有很大的影響，在采用混凝土中塔的情況下，支撐體系的選擇取決于支撐位置附近的吊桿受力及主梁局部受力。

3) 中塔處設(shè)置2排豎向支撐會(huì)形成很大的支座負(fù)反力，這是由于2排支座受結(jié)構(gòu)尺寸限制距離太近，在其中1跨加載時(shí)，空載跨會(huì)上翹；中塔或邊塔處設(shè)置0#或1#吊索，均會(huì)產(chǎn)生卸載現(xiàn)象，其吊索應(yīng)力幅很大；設(shè)單排豎向支座后，會(huì)產(chǎn)生支座負(fù)反力，但反力值不大，可采用主梁局部壓重的方式解決。

4) 設(shè)置中央扣后，可減小主梁縱向位移，可提高橋梁整體剛度約10%，但因中央扣自身及其布置范圍內(nèi)吊索的應(yīng)力幅很大，在未解決由此導(dǎo)致的疲勞、錨固及索夾滑移等問(wèn)題前，不宜應(yīng)用于大跨度多塔懸索橋工程實(shí)踐中。