大跨度橋梁結(jié)構(gòu)選型調(diào)研報告

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摘　要: 　大跨度橋梁形式多樣,有斜拉橋、懸索橋、拱橋、懸臂桁架橋及其他的一些新型的橋式,如全索橋、索托橋、斜拉—懸吊混合體系橋、索桁橋等等。其中,懸索橋和斜拉橋是大跨徑橋梁發(fā)展的主流。本文針對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計這一問題做了綜合性的總結(jié)和歸納。
關(guān)鍵詞: 大跨度橋梁; 斜拉橋; 懸索橋; 橋梁造型設(shè)計;
 
1 　引　言
20 世紀(jì)90 年代以來, 隨著世界經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展, 大跨度橋梁的建設(shè)出現(xiàn)了前所未有的高潮。目前, 懸索橋的最大跨徑已經(jīng)達(dá)到1 991m , 斜拉橋的最大跨徑達(dá)到890 m。隨著橋梁跨徑的逐步增大, 橋梁結(jié)構(gòu)的柔性化趨勢日趨明顯, 橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、行車舒適性、架設(shè)方便性等一系列問題開始變得愈來愈突出。如何更好地解決伴隨著橋梁跨徑長大化而出現(xiàn)的這些問題, 成為21世紀(jì)世界橋梁工作者共同面對的挑戰(zhàn)。本文簡要回顧了大跨度橋梁的發(fā)展歷史, 對現(xiàn)有大跨度橋梁建設(shè)的成就與問題進行了系統(tǒng)的分析, 在此基礎(chǔ)上, 提出了有關(guān)大跨度橋梁設(shè)計的一些新構(gòu)想, 希望對未來橋梁設(shè)計的發(fā)展有所幫助。
2 　現(xiàn)代斜拉橋的發(fā)展與演變
2.1　早期的斜拉橋
斜拉橋由索塔、拉索、主梁三部分組成。從歷史上看, 影響斜拉橋發(fā)展的技術(shù)因素主要有三個第一, 力學(xué)分析手段的進步。第二, 材料性能的改進。第三, 施工技術(shù)的發(fā)展。從力學(xué)分析的角度講, 斜拉橋?qū)儆诙啻纬o定體系, 在沒有電子計算機幫助的條件下, 手工進行力學(xué)分析相當(dāng)復(fù)雜。現(xiàn)存的早期斜拉橋中, 較有代表性的是1867 年建造的新加坡Cavenagh 橋和1874 年建造的倫敦Albert橋。二十世紀(jì)五、六十年代, 斜拉橋獲得了較快的發(fā)展。1955 年, 瑞典建成了主跨183m 的Stromsund橋; 1959 年, 聯(lián)邦德國建成了主跨302 m 的Severin橋。早期建造的斜拉橋有兩個比較顯著的特點: 一是單柱式索塔比較多; 二是斜拉索很少
2.2　密束斜拉體系的出現(xiàn)
隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的普及, 高次超靜定結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析開始變得簡單易行。1967 年, 聯(lián)邦德國建成了主跨280m 的Friedrich2E2bert 橋, 從此拉開了密束體系斜拉橋建設(shè)的序幕。通過將導(dǎo)入拉索的預(yù)應(yīng)力分布式地傳遞給主梁, 可顯著減小梁中的彎矩, 并且易于采用懸臂法進行施工。因此, 密束體系斜拉橋的出現(xiàn)加速了斜拉橋跨度, 特別是預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋跨度的迅速增長。1986 年, 加拿大建成了主跨465 m 的An2nacis 橋; 1991 年, 挪威建成了主跨530 m 的Skaron2sundet 橋。
二十世紀(jì)九十年代, 世界斜拉橋的建設(shè)進入了一個鼎盛時期。1993 年, 中國建成了跨度位居當(dāng)時世界第一的主跨602 m 的上海楊浦大橋; 1995 年,法國建成了主跨856 m 的Normandy 大橋; 1999 年, 日本建成了跨度位居世界第一的主跨890m 的多多羅大橋。九十年代的大跨度斜拉橋建設(shè)有兩個特點: 一是大部分出現(xiàn)在中國; 二是倒Y 型和分離式倒Y型(有文獻(xiàn)稱之為鉆石型) 索塔被廣泛采用。倒Y型和分離式倒Y型索塔的廣泛使用, 既有技術(shù)方面的原因, 也有審美習(xí)慣和技術(shù)傳統(tǒng)的影響, 下文將對此做具體的分析。
2.3　斜拉橋索塔的造型與選擇
索塔的形態(tài)可以多種多樣, 需要指出的是, 索塔的形態(tài)通常和斜拉索的配置密切相關(guān)。如果采用單索面, 則通常會選用單柱塔或倒Y型塔。單柱塔可能存在的問題主要有兩點: 一是從人體工程學(xué)的角度看, 如果橋面不是太寬的話, 單柱塔相對寬大的塔柱會對汽車駕駛員的運動視線產(chǎn)生一些阻斷,給人某種程度的壓迫感。二是從建筑美學(xué)的角度看, 由于單柱塔上塔柱和下橋墩的剖面尺寸有時相差懸殊, 給人以整體不協(xié)調(diào)的感覺.　
單索面的使用通常有兩個前提條件: 一是主梁 (橋身) 要有固定拉索的中央分割帶; 二是主梁本身要有比較大的抗扭剛度。雖然采用單索面的日本鶴見翼大橋, 其主梁跨度達(dá)到了510 m , 但對于大多數(shù)橋梁設(shè)計師來說, 在設(shè)計大跨度斜拉橋時, 處于技術(shù)和心理感受兩方面的考慮, 他們通常更傾向于選擇雙索面布置。和單索面橋構(gòu)造上最接近的是雙側(cè)單索面橋, 即在橋面的兩側(cè)各布置一根互不相連的塔柱, 每根塔柱獨立張拉出一面索。象荷蘭的Waal 大橋這樣采用雙根單柱橋塔的斜拉橋?qū)嶋H上并不多見, 原因有技術(shù)方面的, 也有心理感受方面的。從技術(shù)的角度看, 由于垂直索面的結(jié)構(gòu)剛度相對比較弱, 風(fēng)載作用下存在發(fā)生振動發(fā)散的可能。從心理學(xué)的角度看, 設(shè)計師通常更傾向于結(jié)構(gòu)在橫橋向存在某種形式上的連接。
一方面是出于結(jié)構(gòu)受力方面的考慮, 另一方面是出于尋找視覺上的支撐, 兩種因素匯合起來的結(jié)果, 使設(shè)計師們更傾向于用橫梁將兩根獨立的單柱聯(lián)接在一起, 以形成垂直于橋面縱軸的框架型橋塔支撐體系。當(dāng)橫梁在塔頂將兩根獨立的單柱聯(lián)接在一起時, 便形成了門型橋塔。而當(dāng)橫梁在塔的中部將兩根獨立的單柱聯(lián)接在一起時, 便形成了H 型橋塔。將門型橋塔的塔柱向內(nèi)側(cè)傾斜至極限,可形成倒V 型橋塔; 將H 型橋塔的塔柱向內(nèi)側(cè)傾斜至極限, 則形成了倒A 橋塔。究竟是什么原因促使設(shè)計師紛紛將塔柱向內(nèi)傾斜? 塔柱向內(nèi)傾斜的直接好處是什么? 不利之處在哪里? 有什么辦法能夠平衡兼顧, 揚長避短。加斜拉索的最初目的是給主梁提供一個豎向支撐, 從而減小主梁由于重力荷載而產(chǎn)生的豎向彎矩和變形, 使主梁在跨度增加的同時, 并不顯著增加梁的內(nèi)力和變形。僅從抵抗重力荷載的角度考慮, 索平面應(yīng)盡可能地和主梁平面垂直, 以保證斜拉索在沿橋向(縱向) 鉛垂面上的投影, 和水平面的夾角最大。因此, 單柱塔、雙根單柱塔、門型塔和H 型塔是該條件下比較合適的塔型選擇。但實際面對的問題是, 主梁除了要承受豎向重力荷載外, 還必須承受橫向風(fēng)荷載等其它方向的荷載, 并且橫向風(fēng)荷載的影響程度隨主梁跨度的增加迅速增長。從力學(xué)分析的角度看, 要有效地抵抗橫向風(fēng)荷載, 索平面應(yīng)和主梁平面保持比較適當(dāng)(注意, 不是最大) 的夾角, 以保證索力在橫橋方向上的投影, 有比較合適的大小。因此, 此時的最優(yōu)塔型,應(yīng)當(dāng)是適度扁平的倒V 型或倒A 型橋塔。隨著橋面寬度的增大, 相對扁平的倒V 型和倒A 型橋塔, 會使橋墩基礎(chǔ)的占用空間增大。比較簡單的解決辦法有兩種: 一是在增大塔柱陡度的同時增大索力; 二是將柱塔在主梁以下向內(nèi)收縮間距, 形成所謂的鉆石型塔身。顯然, 抵抗豎向重力荷載和抵抗橫向風(fēng)荷載對最優(yōu)塔型的要求存在一些矛盾。另外, 大跨度斜拉橋還需要考慮抗扭曲的問題。綜合幾個方面的因素, 人們發(fā)明了一種最簡單和最直接的解決辦法, 即在倒V 型(包括鉆石型)橋塔的頂部向上增加一根垂直立柱, 并將斜拉索錨固在新增加的垂直立柱上。倒V 型橋塔加垂直立柱形成的新塔型, 就是目前在大跨度斜拉橋建設(shè)中廣
泛采用的倒Y型橋塔
當(dāng)橋梁跨度比較大的時候(500 m～600 m 以上) , 倒Y型橋塔中的垂直立柱會變得比較粗, 結(jié)果使橋塔沿橋向和橫橋向的風(fēng)阻大大增加。降低橋塔風(fēng)阻的最簡單、也是最實用的辦法之一, 是將倒Y型橋塔中的垂直立柱橫橋向壓扁、沿橋向鏤空,也就是將立柱變成橫橋向的比較細(xì)長的H 型或日型框架, 由此形成的橋梁塔型, 本文稱之為分離式倒Y型橋塔。事實上, 倒A 型橋塔也可以歸類為分離式倒Y型橋塔。
當(dāng)橋梁跨度低于500 m 時, 同樣可以采用分離式倒Y型橋塔。分離式倒Y型橋塔近年來得到廣泛采用的原因主要有以下幾點: 一是橋塔本身的造型比較美觀; 二是對橋面寬度變化的適應(yīng)能力比較強; 三是垂直立柱分離使正橋向原先存在的索面空間閉合狀態(tài)被打破, 由此形成的開放式視覺空間,可以有效降低傾斜索面對行車人視覺可能產(chǎn)生的壓迫感。
從拓?fù)潢P(guān)系看, 分離式倒Y型橋塔可根據(jù)變形路徑的不同, 退化演變?yōu)榈筜型、H 型和門型橋塔中的任何一種。換句話說, 從分離式倒Y型塔型出發(fā)進行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化, 可以發(fā)現(xiàn)目前已知常用塔型中的最優(yōu)塔型。
斜拉橋的跨度最大能夠達(dá)到多少是人們非常關(guān)心的一個話題。在正面回答這個問題之前, 我們先分析一下影響斜拉橋跨度急速增大的因素主要有哪些。顯然, 有技術(shù)方面的因素, 也有經(jīng)濟和美學(xué)方面的因素。事實上, 正是多因素的復(fù)合限制了斜拉橋跨度的急速增大。從力學(xué)的角度看, 斜拉橋跨度急速增大帶來的主要問題是: 第一, 由于斜拉索索力的水平分量需由主梁中的內(nèi)力來平衡, 隨著斜拉橋跨度的增加, 塔處主梁根部的壓應(yīng)力急劇增大,因此, 主梁的抗壓穩(wěn)定性將成為制約斜拉橋跨度急速增大的一個主要因素。第二, 長柔的拉索比較容易發(fā)生獨立索振動, 加穩(wěn)定索和抗風(fēng)阻尼器雖在一定程度上可以緩解這一問題, 但因此付出的經(jīng)濟代價是否值得則有待商榷。從經(jīng)濟學(xué)和美學(xué)的角度看, 限制斜拉橋跨度急速增大的主要因素是: 第一, 斜拉索的最小傾斜角有一個合理的下限, 這個下限值大致在20 度左右。第二, 斜拉橋索塔的高度有一個合理的上限, 這個上限值大致在300 m～350 m左右。綜合這兩個因素, 我們估計斜拉橋最大可以接受的跨度應(yīng)當(dāng)在1 250 m～1 500 m 左右。
3 　現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展與演變
3.1大跨度懸索橋的出現(xiàn)與流行
懸索橋通常由主塔、主纜、吊索、加勁梁、錨碇五部分組成。懸索橋自古就有, 但近代意義上的大跨度懸索橋則出現(xiàn)在十九世紀(jì)中葉。1855 年, J1A1 Roebling 建成了世界首座跨度為250 m 的鐵路懸索橋。1883 年, 美國布魯克林橋的跨度達(dá)到了486m。1931 年, 喬治•華盛頓大橋的跨度首次超過1000 m。1937 年, 跨度1 280 m 的金門大橋在美國建成。1981 年, 英國建造了跨度1 410 m 的亨伯橋。1998 年, 日本明石海峽大橋的跨度接近2 千米, 達(dá)到1 991 m。
懸索橋跨度的不斷增大一方面來源于材料科技和建造技術(shù)的進步, 但最主要的原因恐怕直接來源于設(shè)計思想的根本性轉(zhuǎn)變。
在近代懸索橋的發(fā)展歷史上, 曾經(jīng)出現(xiàn)過3 次比較大的設(shè)計思想變革。
第一次變革出現(xiàn)在二十世紀(jì)初。1888 年, Me2len 提出了考慮載荷引起的變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算影響的撓度理論, 奠定了近代懸索橋設(shè)計的理論基礎(chǔ)。撓度理論發(fā)現(xiàn), 懸索橋的整體剛度主要由主纜的重力剛度構(gòu)成, 加勁梁自身的剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)不大。因此, 隨著橋梁跨度的增加, 加勁梁的高度可基本維持不變。1909 年, 采用撓度理論設(shè)計的曼哈頓橋在美國建成。
第二次變革出現(xiàn)在二十世紀(jì)四十年代。1940年, 美國建成了塔科瑪橋。4 個月之后, 在19m•s - 1的風(fēng)速下, 發(fā)生劇烈彎扭振動而坍塌。塔科瑪橋坍塌的事故導(dǎo)致了兩個積極的結(jié)果: 第一, 人們開始重新審視撓度理論, 發(fā)現(xiàn)加勁梁保持必要的剛度, 特別是抗扭剛度十分必要。第二, 橋梁的抗風(fēng)設(shè)計, 或者說橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性問題開始引起人們的高度重視。試驗發(fā)現(xiàn), 風(fēng)引起的扭轉(zhuǎn)或彎扭耦合模態(tài)的發(fā)散性振動是導(dǎo)致塔科瑪橋坍塌的主要原因。為加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度, 加勁梁的高度開始出現(xiàn)大幅反彈, 普遍達(dá)到7 m～12 m。桁架式加勁梁幾乎成了大跨橋加勁梁的固定做法。
第三次變革出現(xiàn)在二十世紀(jì)六十年代。塔科瑪舊橋坍塌事件對橋梁設(shè)計思想的影響, 在北美和在歐洲是完全不同的。美國人的做法是采用桁架式加勁梁解決減小風(fēng)阻的問題, 并將加勁梁的高度大幅增加以提高斷面的抗扭剛度。英國人則認(rèn)為, 改善橋梁氣動穩(wěn)定性的合理方式, 應(yīng)當(dāng)是采用合理的加勁梁剖面形式, 主要通過降低風(fēng)阻和控制氣流分離的辦法減小扭矩, 通過將橫剖面閉合的辦法增加箱梁的抗扭剛度。1966 年, 英國人的設(shè)計思想在塞文橋中得以實現(xiàn)。當(dāng)時, 塞文橋988 m的跨度雖然并不起眼, 但它首次采用的流線型扁平鋼箱梁設(shè)計卻使整個橋梁界產(chǎn)生了強烈的震撼。塔科瑪舊橋垮橋事件后, 對于大跨懸索橋, 桁架式加勁梁曾被認(rèn)為是最有效的加勁梁形式, 這一看法由于塞文橋的出現(xiàn)而開始受到人們的質(zhì)疑。塞文橋的設(shè)計思想, 在土耳其的博斯普魯斯I 橋上得以再次展現(xiàn)。1981 年, 英國人建造了跨度1 410 m的亨伯橋。亨伯橋不僅從美國的維拉扎諾海峽橋(, 跨度1 298 m , 建于1964 年) 那里奪走了跨徑世界第一的寶座, 而且在造型上的特征異常鮮明: 一是橋塔很矮, 只有155 m。二是邊跨比很小, 且左右不對稱(分別為0120 和0138) 。　
塞文橋的著名并不在于它的跨度是否曾經(jīng)達(dá)到過世界第一, 而在于它首創(chuàng)了一個全新的設(shè)計理念。唯其如此, 著名德國橋梁設(shè)計師F1 Leonhardt認(rèn)為, 塞文橋的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代懸索橋設(shè)計風(fēng)格的開始[4 ] 。
3.2索橋主塔的造型與選擇
現(xiàn)代懸索橋的主塔形式主要有三種: 第一種是使用水平桿件將兩根塔柱相連的剛架式;第二種是使用水平橫桿和交叉斜桿將兩根塔柱相連的桁架式; 第三種是路面以上為剛架, 加勁梁下用交叉斜桿連接的混合式。在懸索橋(同樣適用于斜拉橋) 橋塔的設(shè)計中, 有幾點是需要仔細(xì)處理的: 第一, 要合理安排下、中、上三個塔段的高度分割比例。依據(jù)美學(xué)原則, 類似甘蔗的節(jié), 按由短到長順序設(shè)置的塔段高度給人以穩(wěn)重、流暢的感覺。如果做到下短上長有困難, 則應(yīng)逐步減小上層塔柱的截面尺寸。第二, 如果橋面以上塔柱的高度低于橋面以下塔柱高度的2 倍,則橋面以上的塔柱間應(yīng)使用單橫梁。強度不夠時可將頂部橫梁的高度加大, 橫梁下緣做成拱型曲面。第三, 橋上、橋下的塔段設(shè)計風(fēng)格應(yīng)當(dāng)盡可能地和諧。適度的變化是允許的,只要構(gòu)造上蘊涵的內(nèi)在節(jié)奏和韻律不遭到破壞。第四, 需要仔細(xì)安排塔柱剖面尺寸、橫梁剖面尺寸和塔高間的相對比例關(guān)系, 不要使塔柱和橫梁顯得過于笨重, 給人以不舒服的沉重感。
塔型設(shè)計是一門綜合性的藝術(shù), 是結(jié)構(gòu)工程學(xué)和建筑美學(xué)的有機結(jié)合。塔型設(shè)計同時又是一門個性化的藝術(shù), 她的身上不可避免地鐫刻著建筑傳統(tǒng)和設(shè)計師個人風(fēng)格的烙印。前者要求塔型構(gòu)造除了本身各部分之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)之外, 還必須和加勁梁的設(shè)計風(fēng)格相協(xié)調(diào)。而兩者的綜合則可以解釋一些令人費解的現(xiàn)象。
伊藤學(xué)發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象: 日本的大跨懸索橋比較多地采用了桁架式的塔型設(shè)計, 而歐美的同類橋梁則比較多地采用了剛架式的塔型設(shè)計。比較典型的有桁架式的日本明石海峽大橋和剛架式的美國金門大橋等。伊藤學(xué)認(rèn)為,造成這一現(xiàn)象的主要原因是, 日本的地震和強風(fēng)等橫向荷載比較大, 采用桁架式的塔型設(shè)計比較經(jīng)濟。我們認(rèn)為, 日本明石海峽大橋和美國金門大橋設(shè)計風(fēng)格上的差異更多地源于設(shè)計傳統(tǒng)和設(shè)計師的個人風(fēng)格, 而不是源于地理上的差異。日本人的確喜歡使用交叉桁架式的塔型, 如日本的關(guān)門橋、南、北備贊瀨戶大橋、因島大橋等, 但未必源于地理環(huán)境上的差異。第一, 金門大橋的橋位位于著名的加利福尼亞強地震帶上, 并且和明石海峽大橋一樣, 曾經(jīng)遭受過強地震的洗禮。第二, 歐洲和美國也都有一些桁架式塔型的大跨度懸索橋, 如葡萄牙里斯本的塔古斯河橋、美國的奧克蘭海灣橋、英國蘇格蘭福斯灣公路大橋(圖15) 等。第三, 日本人采用剛架式塔型的大跨度懸索橋也不少, 如日本的來島大橋、大島大橋、東京港彩虹橋、下津井瀨戶大橋等。還有一個有趣的現(xiàn)象: 美國人設(shè)計的橋塔比較剛勁, 而英國人設(shè)計的橋塔則比較纖柔。我們對這一現(xiàn)象的解釋是: 美國人設(shè)計的這些橋梁采用了高度7m～12 m 的高大的桁架式加勁梁, 無論從美學(xué)還是從力學(xué)的角度看, 橋塔都應(yīng)該設(shè)計得比較剛勁。而英國人設(shè)計的這些橋梁采用了高度為310 m～415 m的扁平的鋼箱梁, 無論從美學(xué)還是從力學(xué)的角度看, 橋塔都應(yīng)該設(shè)計得比較纖柔。事實上, 由英國人設(shè)計的香港青馬大橋, 由于加勁梁的高度為717m , 其橋塔同樣設(shè)計得剛勁有力(圖17) 。因此,對橋梁設(shè)計而言, 體現(xiàn)設(shè)計師的個人風(fēng)格和魅力固然重要, 但橋型設(shè)計和橋梁的內(nèi)在功能及與周邊環(huán)境的關(guān)系保持協(xié)調(diào)則更為重要。我們的看法是, 如果采用扁平的鋼箱梁為加勁梁, 則橋塔造型以采用剛架式為宜.
4　結(jié)語
人類已開始向跨海工程挑戰(zhàn)。世界上寬度在100km以內(nèi)的海峽有20多處。獨立于大陸之外，具有開發(fā)價值的近海島嶼無數(shù)。它們將是21世紀(jì)人類用橋梁去征服的目標(biāo)。
21世紀(jì)橋梁將實現(xiàn)大跨、輕質(zhì)、靈敏的國際橋梁發(fā)展新目標(biāo)，意大利與西西里島之間墨的西拿海峽大橋，主跨3300米懸索橋，其使用壽命200年。高強度鋁合金、玻璃鋼、碳纖維等太空材料將取代當(dāng)代的橋梁鋼、混凝土，成為橋梁建筑的主體材料，從而實現(xiàn)輕質(zhì)目標(biāo)；不同類型輕質(zhì)材料組合拼裝的各類新型斜拉橋、懸索橋、輕質(zhì)拱橋?qū)⒁豢缍^大川巨流或小海灣，實現(xiàn)1500米以上大跨目標(biāo)；橋梁上裝配的計算機系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)將可以感知風(fēng)力、氣溫等天氣狀況，同時可以隨時得到并反映出大橋的承載情況、交通狀況。綜觀大跨徑橋梁的發(fā)展趨勢，可以看到世界橋梁建設(shè)必將迎來更大規(guī)模的建設(shè)高潮。
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