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        淺談橋梁結(jié)構(gòu)體系的變化與創(chuàng)新

        2017-04-10 18:09:48王宗偉李志雷
        四川水泥 2017年10期
        關(guān)鍵詞:橋型橋塔斜拉橋

        王宗偉 李志雷

        (1重慶交通大學(xué) 400074 2南昌工程學(xué)院 330099)

        淺談橋梁結(jié)構(gòu)體系的變化與創(chuàng)新

        王宗偉1李志雷2

        (1重慶交通大學(xué) 400074 2南昌工程學(xué)院 330099)

        本文總結(jié)了橋梁結(jié)構(gòu)體系層次劃分,包括橋梁結(jié)構(gòu)功能、橋梁結(jié)構(gòu)形式以及橋梁結(jié)構(gòu)受力特性,并舉例說明了橋梁結(jié)構(gòu)形式與主要構(gòu)件的變化與創(chuàng)新,包括主梁、主拱、塔墩、纜索等。

        橋梁;結(jié)構(gòu)體系;變化;創(chuàng)新

        0 引言

        近年來,人們對于橋梁實(shí)用性、力學(xué)性能、景觀造型等多方面的要求促使橋梁對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行變化、組合。從而促進(jìn)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展、變化與創(chuàng)新,造就了今天豐富的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

        1 橋梁結(jié)構(gòu)體系層次劃分

        1.1 第一層次:結(jié)構(gòu)功能

        橋梁功能及實(shí)用性是最基本的條件,同時(shí)也是修建一座橋梁主要目的。橋梁主要功能是供人和物體跨越障礙物如河流、山谷等,是交通網(wǎng)絡(luò)的咽喉。

        1.2 第二層次:結(jié)構(gòu)形式

        根據(jù)結(jié)構(gòu)形式橋梁結(jié)構(gòu)體系可以分為:梁式體系、拱式體系、斜拉橋體系、懸索橋體系以及組合體系等橋型體系。

        1.3 第三層次:受力特性

        受力特性包括結(jié)構(gòu)平衡時(shí)的內(nèi)力形態(tài)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞路徑。相同橋型體系仍有著千差萬別的受力形態(tài)。影響結(jié)構(gòu)受力形態(tài)的主要因素為結(jié)構(gòu)體系所受的外界約束、內(nèi)部主要受力構(gòu)件間的連接方式、主要構(gòu)件間的受力分配三個(gè)方面。

        2 結(jié)構(gòu)體系變化與創(chuàng)新

        2.1 結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新方式

        隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,橋梁數(shù)量快速增長,建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不斷豐富,設(shè)計(jì)和施工也不斷成熟,橋梁建設(shè)正作為產(chǎn)業(yè)在發(fā)展。當(dāng)建設(shè)發(fā)展到一定程度后,橋梁美學(xué)的追求隨之興起,橋梁美學(xué)觀念和景觀需求在橋梁設(shè)計(jì)中逐漸凸顯,各種奇異美觀的橋型出現(xiàn)。美學(xué)設(shè)計(jì)競爭越發(fā)激烈,我國橋梁設(shè)計(jì)企業(yè)不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)橋型,千姿百態(tài)的橋型出現(xiàn)在中國大地之上,城市景觀也因各類奇異美觀的橋型得到極大豐富。

        材料創(chuàng)新與體系創(chuàng)新是現(xiàn)代橋梁創(chuàng)新的主要方面。為滿足特定建橋環(huán)境條件而對基本橋梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改變、組合而做的創(chuàng)新工作就是橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新。由于橋梁結(jié)構(gòu)體系的不斷創(chuàng)新,各種各樣的橋梁結(jié)構(gòu)體系誕生出來。創(chuàng)新包括技術(shù)創(chuàng)新、理論創(chuàng)新,兩者是相輔相成的。就目前的橋梁發(fā)展階段來看,工程師們所面臨的問題就是如何創(chuàng)造出新型橋梁。通常橋梁結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新思路主要有三種:直觀方式創(chuàng)新、間接方式創(chuàng)新、分解或重組創(chuàng)新。

        直觀方式創(chuàng)新是通過對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式直接做一些比較直觀的改變,以改進(jìn)結(jié)構(gòu)體系,同時(shí)使結(jié)構(gòu)外觀呈現(xiàn)美感,并且結(jié)構(gòu)的受力更加合理;間接方式創(chuàng)新是一種更加開闊的思路:一種是傳統(tǒng)的漸變革新,由一種最初的形式漸變成現(xiàn)在的或是將來的形式;第二種是借鑒革新方式,創(chuàng)新的很多思路都來源于生活,生活中許多事物和技術(shù)是值得人們?nèi)パ芯拷梃b的,將他們運(yùn)用到設(shè)計(jì)中也可以完成一種創(chuàng)新。分解或重組創(chuàng)新就如同化學(xué)中僅發(fā)生物理變化而沒有發(fā)生化學(xué)變化的分解、合成作用一樣。在橋梁設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系是有限的,新型的、實(shí)用的結(jié)構(gòu)體系也較難以開發(fā)。然而,仍然可以在這些基本體系的基礎(chǔ)上加以分解或組合設(shè)計(jì),產(chǎn)生許多創(chuàng)新的設(shè)計(jì),這種方法研究結(jié)構(gòu)體系的基本組成并將他們重新組合,從而產(chǎn)生一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。

        2.2 結(jié)構(gòu)體系分解與重組實(shí)例

        廣東省虎門二橋,是融合斜拉橋和懸索橋于一體的超長跨徑橋梁。與單一的懸索橋或斜拉橋相比具有優(yōu)勢:相比斜拉橋,可減小錨碇規(guī)模,大大減少修建錨碇的造價(jià)與風(fēng)險(xiǎn);斜拉橋部分選用混凝土梁,進(jìn)一步減少橋梁造價(jià);靜力方面可以提高橋梁剛度;動力方面則可以提高抗風(fēng)能力。與斜拉橋相比,可以減小索塔高度,從而降低造價(jià);靜力方面減小主梁軸力;動力方面減小施工最大懸臂,增加其抗風(fēng)穩(wěn)定能力。

        廣東省肇慶金馬大橋,是斜拉橋與剛構(gòu)橋、梁橋的組合協(xié)作的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系形式。斜拉橋外索與主梁的夾角是設(shè)計(jì)的控制參數(shù),夾角過小,將影響索的支撐效率。因而當(dāng)塔高受到限制時(shí)斜拉橋的跨徑就被限制。但是,如果能將引橋端伸出的懸臂梁橋或剛構(gòu)橋與之相連就能避免斜拉索的傾角過小并增大橋梁跨徑,從而形成斜拉橋與懸臂梁橋或剛構(gòu)橋的組合體系。

        瑞士Sunniberg橋?yàn)椴糠中崩瓨?。?dāng)連續(xù)梁跨徑增大,主梁抗彎不足不能承擔(dān)全部荷載時(shí),增加梁高不僅會使材料用量增加,還會使主梁梁高增大,外形笨重,還有可能阻礙航運(yùn)。用輔助的索塔與主梁在墩頂固結(jié),用斜拉索承擔(dān)部分荷載可以起到良好效果。這樣可使主梁輕薄,景觀良好;部分斜拉橋與傳統(tǒng)斜拉橋相比主塔矮,稱為矮塔斜拉橋;具有較長中邊跨無索區(qū),塔墩固結(jié)彌補(bǔ)剛度上的不足;斜拉索恒載作用下應(yīng)力變化幅度較小,可采用較低的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

        湘西四橋是斜拉飛燕式系桿鋼管混凝土拱橋,是斜拉橋與拱橋的完美組合。由于拱橋的施工常需要臨時(shí)索塔和斜拉索對拱圈提供支撐,省去臨時(shí)構(gòu)件的拆除工序能縮短施工周期,并能充分利用各構(gòu)件,可以將施工用的索塔和斜拉索作為永久構(gòu)件保留下來。該橋型集拱梁索于一體,這種橋梁在一定程度上使得拱橋和斜拉橋兩種橋型相互補(bǔ)充,斜拉索協(xié)助受力,可起到調(diào)節(jié)拱肋軸線、改善結(jié)構(gòu)剛度、減少拱肋推力的作用。

        重慶菜園壩長江大橋?yàn)楣皹颉倶?gòu)橋和梁橋的組合協(xié)作。若采用全鋼結(jié)構(gòu)的大跨度中承式拱橋造價(jià)昂貴,且拱角靠近水面,易于發(fā)生腐蝕,影響結(jié)構(gòu)耐久性。菜園壩長江大橋采用組合式的系桿拱和三角剛構(gòu)體系,三角形的剛構(gòu)混凝土拱腳充分利用混凝土材料的抗壓性能;結(jié)構(gòu)從復(fù)雜的形式分為簡單的三個(gè)獨(dú)立子結(jié)構(gòu),受力、設(shè)計(jì)和施工都得到很好的優(yōu)化。

        3 主要受力構(gòu)件的變化與創(chuàng)新

        橋梁的創(chuàng)新不僅僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體系上,也體現(xiàn)在受力構(gòu)件上。

        3.1 主梁的變化與創(chuàng)新

        為提高側(cè)向剛度和氣動性等結(jié)構(gòu)特性,對主梁的截面進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。如西堠門大橋的橫截面采用分離式的鋼箱梁來增加橋梁的側(cè)向剛度和氣動性。

        3.2 主拱的變化與創(chuàng)新

        主拱的創(chuàng)新可美化結(jié)構(gòu)、改善拱橋穩(wěn)定性與動靜力特性等。化整為零可以減輕橋梁自重并方便結(jié)構(gòu)施工;斜靠提籃式主拱可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度與穩(wěn)定性,同時(shí)也對橋梁的美觀做出很大的改善。

        3.3 塔墩的變化與創(chuàng)新

        最簡單的是獨(dú)塔形式,之后為達(dá)到適應(yīng)雙索面、提高側(cè)向剛度、減小承臺體量和尺寸等目的,橋塔經(jīng)過了H形橋塔、門式框架橋塔、倒V形橋塔、A形橋塔、花瓶式橋塔等的優(yōu)化創(chuàng)新,這是對于結(jié)構(gòu)合理受力形式的追求,近年來橋塔在美學(xué)方面的追求也是越發(fā)高漲,各種傾斜式橋塔、異形橋塔也豐富了橋塔的形式外觀。

        3.4 纜索的變化與創(chuàng)新

        纜索的變化與創(chuàng)新也是對結(jié)構(gòu)受力體系和外觀美學(xué)追求的結(jié)果,拉索的變化與創(chuàng)新與索塔的關(guān)系較大,可以協(xié)調(diào)兩者整體考慮。追求結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化,進(jìn)而產(chǎn)生部分地錨斜拉橋;對于多塔斜拉橋,為保證中間橋塔剛度,而設(shè)置塔頂水平拉鎖、從塔頂?shù)较噜徦撞坷i、相鄰索塔的拉鎖在主梁跨中處交叉;獨(dú)塔斜拉橋也可以通過不同的拉鎖的空間體系布置來增大其抗風(fēng)穩(wěn)定性。

        構(gòu)件尺寸與約束連接同樣也有著不同程度的變化與創(chuàng)新。當(dāng)主要受力構(gòu)件的尺寸從量變達(dá)到質(zhì)變時(shí),還可以形成新的結(jié)構(gòu)體系,與原結(jié)構(gòu)相比形態(tài)呈現(xiàn)較大的差別。

        4 總結(jié)

        梁索組合、以梁為主的組合結(jié)構(gòu)橋型有著很強(qiáng)的競爭力,是新橋型的重要發(fā)展方向。新材料性能的提升是橋梁技術(shù)的重要原動力,輕質(zhì)、高強(qiáng)是橋梁復(fù)合材料技術(shù)革新的重要方向。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步、仿真數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等,使橋梁設(shè)計(jì)精細(xì)化。橋梁創(chuàng)新有其發(fā)展過程,不必一味求大求奇,應(yīng)從量變到質(zhì)變。橋梁創(chuàng)新的重要性不言而喻,但是要使橋梁創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化,則需要一個(gè)推動創(chuàng)新的體制制度,在這個(gè)制度體系進(jìn)行可持續(xù)創(chuàng)新。

        [1]王美,李盼到,邱文亮,王新山.跨座式單軌交通橋梁結(jié)構(gòu)體系研究[J].世界橋梁,2016,(03):63-68.

        [2]趙秋,陳寶春,郭智勇,陳美忠.新月形拱-連續(xù)梁組合橋梁結(jié)構(gòu)體系試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2015,(S1):8-14.

        [3]肖汝誠,陳紅,魏樂永.橋梁結(jié)構(gòu)體系的研究、優(yōu)化與創(chuàng)新[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,(06):69-74.

        [4]高玉潔,張義.重慶新建組合結(jié)構(gòu)體系橋梁的特點(diǎn)和創(chuàng)新[J].黑龍江科技信息,2010,(06):214.

        U45

        B

        1007-6344(2017)10-0014-01

        第一作者:王宗偉(1994—)男,漢族,湖北省襄陽市人,在讀碩士研究生,單位:重慶交通大學(xué),研究方向:橋梁養(yǎng)護(hù)。

        第二作者:李志雷(1996—)男,漢族,江西省景德鎮(zhèn)市人,在讀本科生,單位:南昌工程學(xué)院,研究方向:土木工程。

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