一種自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)研究
2018-03-26
自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)新穎，外觀(guān)造型美觀(guān)，近年來(lái)較為廣泛地應(yīng)用到城市橋梁中。隨著中小跨徑的自錨式橋梁的發(fā)展，在一些的特定條件下，需要對(duì)常規(guī)的三跨自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)造型進(jìn)行一些調(diào)整。本文將討論邊跨無(wú)吊桿的自錨式懸索橋的受力特點(diǎn)，并通過(guò)計(jì)算，對(duì)多種的邊跨跨度的橋型進(jìn)行比較，給出合理可行的跨度的范圍。同時(shí)根據(jù)計(jì)算分析給出邊跨無(wú)吊桿的自錨式懸索橋的極限跨度。
1 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)
邊跨無(wú)吊桿自錨式懸索橋與常規(guī)的三跨自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)比較，在以下基本方面有其特點(diǎn)：
1.1 端錨塊
自錨式懸索橋是通過(guò)梁端的錨塊將主纜的拉力轉(zhuǎn)換成主梁的軸力和豎直向上的拉力。水平向軸力為主梁提供軸壓力，作用效果類(lèi)似預(yù)應(yīng)力。常規(guī)的自錨式懸索橋可以通過(guò)轉(zhuǎn)索鞍和吊桿的共同作用，改變主纜對(duì)主梁作用力的角度，進(jìn)而改變主纜拉力對(duì)主梁的軸力和豎直向上的拉力的比例。主纜與主梁夾角越小，主纜對(duì)主梁的軸壓力就越大，反之則越小。對(duì)于邊跨無(wú)吊桿的自錨式懸索橋，邊跨主纜線(xiàn)形無(wú)法調(diào)整，因此當(dāng)邊跨跨徑和主塔塔高確定的情況下，邊跨主纜的線(xiàn)形也就是確定的。通常情況下，邊跨無(wú)吊桿自錨式懸索橋的主纜與水平向夾角大于常規(guī)自錨式懸索橋，因此通常需要體積比較大的邊跨錨塊壓重進(jìn)行平衡。
1.2 主梁
整個(gè)自錨式懸索橋的主梁受力結(jié)構(gòu)是一個(gè)邊跨跨徑比較大的多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。因此，若主梁采用相同的截面，則邊跨主梁通常需要設(shè)置預(yù)應(yīng)力，以滿(mǎn)足恒載和運(yùn)營(yíng)荷載的作用。中跨主梁與常規(guī)自錨式懸索橋受力基本相同。
1.3 主塔
運(yùn)營(yíng)階段主塔的應(yīng)力幅要稍大于常規(guī)自錨式懸索橋的應(yīng)力幅。施工階段通過(guò)合理的施工順序，可以實(shí)現(xiàn)主塔的控制應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。
1.4 主索鞍
由于邊跨無(wú)吊桿的作用，因此邊跨主纜由空纜線(xiàn)形張拉至成橋線(xiàn)形的過(guò)程中只有兩種途徑，一是通過(guò)索鞍頂推，二是在主纜錨固端張拉主纜。因此，如果單純依靠頂推索鞍，則索鞍頂推距離將比較大，甚至?xí)笥谥魉v向尺寸的1/2。對(duì)于跨度比較的此類(lèi)橋型，需要將索鞍頂推和錨固端主纜張拉相結(jié)合。主纜張拉的過(guò)程中也要配合吊桿的張拉。在施工控制的過(guò)程中，特別是張拉初期，要特別注意主纜和主索鞍之間的摩擦力。嚴(yán)防主纜和主索鞍之間的相對(duì)滑動(dòng)。
2 邊跨合理跨徑的討論
從主梁結(jié)構(gòu)受力的角度上考慮，邊跨比較合理的應(yīng)該為30～50米。但是邊跨的跨度大小與中跨的跨度矢高以及主梁截面等因素有關(guān)。若只考慮邊跨梁端錨塊的壓重，邊跨主纜的傾斜角度越小，產(chǎn)生的豎直方向分力就越小，需要的梁端就越小。因此，邊跨主梁的跨度越大，越有利于梁端壓重。當(dāng)中跨跨度和矢高確定時(shí)，根據(jù)H=ql2/8f，邊跨主纜的水平拉力也是確定的，所以邊跨主纜的拉力僅與主纜的傾斜角度有關(guān)。
tanθ= h/L2
其中h為主梁與索鞍之間主塔高度
L2為邊跨跨度
θ為邊跨主纜與水平方向夾角
即邊跨主梁的跨度與邊跨主纜的傾角的正切值成反比。除了考慮梁端的橫梁的壓重外，還需考慮邊跨主梁的縱向受力情況、主塔的受力情況以及整個(gè)結(jié)構(gòu)在汽車(chē)等活載作用下的性能。本文以一中跨為120m，矢高20m，梁寬18m的自錨式懸索橋?yàn)槔?，分別采用30m、40m、50m的邊跨跨徑，對(duì)應(yīng)的幾種考慮因素的情況：
上表中，壓重為扣除主梁重量后增加的混凝土重量。通過(guò)比較可知，梁端壓重的重量，隨著邊跨的跨徑的加大不斷減小。邊跨主梁、主塔的最大彎矩與邊跨主梁的跨徑不接近線(xiàn)性關(guān)系。在40m左右為最小值。
中跨主梁在汽車(chē)荷載作用下的豎向變形值，隨著邊跨跨徑的增大逐漸減小。因此在對(duì)于邊跨無(wú)吊桿的自錨式懸索橋確定邊跨的跨徑時(shí)，應(yīng)考慮各個(gè)影響因素。綜合各個(gè)因素考慮，比較合理的跨徑范圍應(yīng)該為0.3～0.4L1比較合適。L1為中跨的跨徑。
3 中跨合理跨徑的討論
根據(jù)邊跨的跨徑的合理范圍的討論，邊跨無(wú)吊桿自錨式懸索橋邊跨的壓重混凝土的重量主要取決于中跨重量。因?yàn)閴褐鼗炷恋捏w積不可能無(wú)限制的增大，因此也就決定了此類(lèi)自錨式懸索橋只能適用于中小跨度的自錨式懸索橋。對(duì)于跨度大于150米的混凝土自錨式懸索橋，其梁端壓重塊的體積將過(guò)于龐大，影響結(jié)構(gòu)美觀(guān)，也影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。中跨采用鋼結(jié)構(gòu)主梁可以降低邊跨混凝土壓重量。
4 壓重處理
邊跨梁端壓重是邊跨無(wú)吊桿自錨式懸索橋需要重點(diǎn)考慮的因素之一。增大梁端壓重混凝土的重量一般是通過(guò)增加梁端主梁的梁高來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是當(dāng)梁高高于5米后，對(duì)結(jié)構(gòu)的美觀(guān)和施工都存在很大影響?？梢钥紤]增加壓重塊的梁長(zhǎng)，特別是邊跨支撐點(diǎn)后的梁長(zhǎng)，最有效的增加壓重混凝土對(duì)邊跨支點(diǎn)的力矩。此外還可以通過(guò)調(diào)整主纜的錨固位置，來(lái)增大邊支點(diǎn)的反力，也可以減小混凝土的壓重量。
5 結(jié)語(yǔ)
邊跨無(wú)吊桿的自錨式混凝土懸索橋適合中跨跨度比較小的中小跨度結(jié)構(gòu)。其跨徑布置時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮邊跨梁端壓重、邊跨主梁以及主塔的受力等因素。混凝土結(jié)構(gòu)中跨不建議大于150m，邊跨跨徑建議為0.3～0.4倍中跨跨徑為宜。中跨采用鋼梁結(jié)構(gòu)，邊跨采用混凝土梁，對(duì)于此類(lèi)橋型是比較適宜的結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)
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