蘇俊龍

摘要：隨著橋梁建設(shè)理論與體系的快速發(fā)展與橋梁的快速修建，以及新材料、新軟件、新工具的應(yīng)用，人們開始對橋梁有了基本交通功能以外的要求。更加美觀，甚至成為地標(biāo)性建筑成了現(xiàn)在人們對橋梁的另一大的關(guān)注點(diǎn)。組合體系橋以其新穎的結(jié)構(gòu)、耳目一新的視覺感受很好的迎合了這一要求。目前使用最多和最為成熟的組合體系橋有梁拱組合體系橋、自錨式懸索橋和矮塔斜拉橋。本文從這三類組合體系橋梁的產(chǎn)生、發(fā)展與前景來對其在以后橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行合理的評價(jià)，為以后對組合體系橋進(jìn)行大規(guī)模的研究和使用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

組合體系橋；產(chǎn)生；發(fā)展；前景

1 組合體系橋的產(chǎn)生與發(fā)展

1.1 梁拱組合體系橋

1.1.1梁拱組合體系橋的產(chǎn)生與發(fā)展

組合體系拱橋是在拱式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行受力方向的改變而得到的。在設(shè)計(jì)過程中，將鋼架、梁、拱等多種承載結(jié)構(gòu)組合在一起，或者將行車道板（梁）與拱組合，形成整體，承受荷載。

梁拱組合體系橋是目前組合體系橋梁中較為常見的一種，它的雛形在100年以前就產(chǎn)生于設(shè)計(jì)者的大膽試驗(yàn)中。緊接著1858年，奧地利人蘭格爾獲得了剛性梁柔性拱的系桿拱橋?qū)＠Ｔ?9世紀(jì)末期，洛澤拱橋的先驅(qū)——透鏡形弦桿鐵路橋在德國的易北河上成功建造了，其主跨為96.35m，總共有10跨。

我國于20世紀(jì)初開始研究組合體系橋，金成棣（2000）教授用了大量的精力來研究梁拱組合體系橋的施工和設(shè)計(jì)。 [4]

劉世忠等（2009）運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的SMAD有限元軟件，建模和分析了具有V型橋墩的剛構(gòu)梁拱組合體系橋的受力，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。最終對于其所具有的溫度應(yīng)力、收縮徐變內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力帶來的不利影響，給出了解決方案。[7]

1.1.2 梁拱組合體系橋的特點(diǎn)

將梁結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)相組合，也就形成了梁拱組合體系橋。他具有梁和拱兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，也就是及能承受較大拉力，又能保證結(jié)構(gòu)剛度值、極限承載力和材料利用度。[9]

1.2 自錨式懸索橋

1.2.1 自錨式懸索橋的產(chǎn)生與發(fā)展

19世紀(jì)60年代，奧地利工程師Josef Langer和美國工程師Charles Bender首次提出了自錨式懸索橋的構(gòu)想。20世紀(jì)初，設(shè)計(jì)師們開始對自錨式懸索橋進(jìn)行試驗(yàn)。1915年，德國的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)修建了第一座大型自錨式懸索橋——科隆—迪茲橋（圖1），該橋主跨為185m。

從那之后，美國和日本在其影響和啟發(fā)下，相繼修建了4座自錨式懸索橋，提高了施工技術(shù)。

在20世紀(jì)下半葉，自錨式懸索橋由于其跨越能力達(dá)不到要求、體系轉(zhuǎn)換存在問題、施工難度等缺點(diǎn)，開始受到冷落。之后一段時(shí)間，橋梁美學(xué)開始受重視，設(shè)計(jì)師重新審視自錨式懸索橋在結(jié)構(gòu)和環(huán)境相互協(xié)調(diào)以及藝術(shù)與文化的結(jié)合上的表現(xiàn)，對這一橋型進(jìn)行了新的嘗試。美國在舊金山的奧克蘭海灣建設(shè)了主跨為380m的自錨式懸索橋。這座橋是自錨式懸索橋發(fā)展史上一座里程碑，也標(biāo)志著21世界自錨式懸索橋建設(shè)頂峰的到來。[12]

中國在20世紀(jì)末的自錨式懸索橋發(fā)展高峰，進(jìn)步的很快。2002年我國建成了世界上第一座鋼筋混凝自錨式懸索橋——大連市金石灘金灣橋，該橋的加勁梁率先采用拱形，使懸索橋形成了吊拱體系，主纜的水平分力抵消了拱腳的推力。實(shí)現(xiàn)了在滿足跨中主拱的通航凈空要求的同時(shí)，又將主梁兩端高度降低，減少引橋長度，節(jié)約了成本。之后，佛山于2006年建成了當(dāng)時(shí)跨度最大的獨(dú)塔自錨式懸索橋——佛山平勝大橋，其主跨為350m；2010年，建成首座海上自錨式懸索橋——青島海灣大沽河航道橋。

1.2.2 自錨式懸索橋的特點(diǎn)

主纜的抗拉剛度和矢跨比與自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度有著正相關(guān)的關(guān)系；為了降低自錨式懸索橋的跨中彎矩，可以采用在加勁梁上設(shè)置拱度的方式。考慮條件，如果允許的話，錨固在主纜上的加勁梁可以向外延伸一跨或者多跨，以提高結(jié)構(gòu)的性能；梁的受力性能受到吊桿間距的影響，且其關(guān)系是非線性的；在動(dòng)力方面，由于懸索體系的存在，它的特點(diǎn)是振型密集、自振周期長。

1.3 矮塔斜拉橋

1.3.1 矮塔斜拉橋的產(chǎn)生與發(fā)展

矮塔斜拉橋，又名“部分斜拉橋”，它的主要受力構(gòu)件形狀和彎矩圖相似，滿足橋型要求。[16]

1988年，法國人馬秀佛特（Mathivat）教授首次正式提出矮塔斜拉橋這一橋型。日本對矮塔斜拉橋相當(dāng)重視，1994年，第一座矮塔斜拉橋——小田原港（OdawaraBlueway）橋在日本建成。按照馬秀佛特的設(shè)計(jì)，拉索穿過鞍座，錨固在主梁之上。[14]

之后，日本又開始研究將最新誕生的波形鋼腹板和體外預(yù)應(yīng)力運(yùn)用在矮塔斜拉橋上。2000年，日本采用體外索方案，建成塔梁固結(jié)的士狩大橋，針對預(yù)應(yīng)力的施加。

東歐、韓國、美國等世界上其他國家也在對矮塔斜拉橋進(jìn)行研究和建設(shè)。

我國在矮塔斜拉橋領(lǐng)域的研究和建設(shè)起步比較晚，但是發(fā)展很快。2000年，我國建成世界上首座采用鋼桁架作為主梁的雙層矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋（圖2），該橋?yàn)楣墐捎脴?，主跨?12m。

2001年，福建建成主跨為132m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁矮塔斜拉橋——漳州戰(zhàn)備大橋。在這之后，我國的矮塔斜拉橋技術(shù)發(fā)展速度越來越快，2014年，我國建成了目前國內(nèi)最大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋——大連長山大橋，主跨長達(dá)540m，采用的是雙塔雙索面形式。

1.3.2 矮塔斜拉橋的特點(diǎn)

主梁作為矮塔斜拉橋主要的受力構(gòu)件，其剛度很大，斜拉索起到一個(gè)調(diào)整和加勁的作用。斜拉索的恒載索力占總索力（恒載索力+活載索力）的比重較斜拉橋大，斜拉索的應(yīng)力變幅較小，疲勞問題不突出，因而斜拉索的容許應(yīng)力可取0.6，從而降低工程造價(jià)。矮塔斜拉橋較連續(xù)梁橋跨徑更大，成本更低，并且具有施工簡單的優(yōu)點(diǎn)；矮塔斜拉橋較普通斜拉橋具有材料成本低、主梁剛度大和施工容易等優(yōu)點(diǎn)。

2 組合體系橋存在的問題與發(fā)展前景

2.1 梁拱組合體系橋存在的問題與發(fā)展前景

計(jì)算方面：只有經(jīng)常接觸該類橋計(jì)算的設(shè)計(jì)師才能做到較快的通過力學(xué)公式，計(jì)算和分析，得到梁拱組合體系橋的各個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)作機(jī)理。另外，值得提到的一點(diǎn)是，對于拱形結(jié)構(gòu)，我們考慮的安全系數(shù)為4-5，而對于梁拱抗彎剛度比值較大的梁拱組合體系，具體的數(shù)值還需要在大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，分析得出更為貼切的結(jié)果。

結(jié)構(gòu)和受力方面：單一的梁拱組合體系受力性能受到限制，主要只能用于中小跨徑的橋梁中，在加大跨徑方面，該體系還需要在結(jié)構(gòu)上做些改動(dòng)；而針對橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)實(shí)穩(wěn)的問題，還需要在整體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行研究和改進(jìn)，比如加上風(fēng)撐等額外結(jié)構(gòu)物；由于主梁為混凝土梁，其收縮、徐變特性還需要得到更進(jìn)一步研究，改變結(jié)構(gòu)體系以減小收縮、徐變的影響。

在條件不同的地方，我們還需要在梁拱組合體系橋上做其他的改變。針對剛拱柔梁、剛拱剛梁和柔拱剛梁三類體系，不同施工階段，橋的受力情況和參數(shù)確定，還需要更為細(xì)致的研究，S. H. Ju（2003）采用了有限元分析的方法，分析了拋物線拱橋（系桿拱、上承式拱橋和提籃拱）的拱肋有效長度，得出了拱肋的傾斜角、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、跨徑和矢高等參數(shù)的影響公式。

2.2 自錨式懸索橋存在的問題與發(fā)展前景

計(jì)算方面：（1）在考慮靜力荷載對自錨式懸索橋的幾何非線性影響時(shí)，考慮將接觸和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性分析加入進(jìn)去。（2）在自錨式懸索橋，特別是修建于海上的自錨式懸索橋的施工階段的的動(dòng)力特性和抗震抗風(fēng)問題上，還需要加深研究和分析。

構(gòu)造方面：（1）考慮新材料和結(jié)構(gòu)在自錨式懸索橋上的適用性，比如CFRP主纜等新材料主纜和分離式的箱梁作為懸索橋的加勁梁等。（2）分析不同結(jié)構(gòu)、不同跨徑、不同主梁截面的自錨式懸索橋固有振動(dòng)頻率。（3）在主纜錨固處改變結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低自錨式懸索橋造價(jià)。

施工方面：（1）需要加深在針對自錨式懸索橋施工中體系轉(zhuǎn)換問題和吊索張拉時(shí)的非線性過程分析上的研究。（2）優(yōu)化施工過程中吊桿張拉時(shí)的吊桿力施加，降低其盲目性。

2.3 矮塔斜拉橋存在的問題與發(fā)展前景

計(jì)算方面：（1）針對目前對跨徑的普遍高要求，我們還需要對大跨徑矮塔斜拉橋的受力性能進(jìn)行模擬和分析。（2）對斜拉索錨固處的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。（3）針對矮塔斜拉橋的不同情況下，計(jì)算出最合適的跨徑。

材料方面：（1）將目前最新的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性好的材料應(yīng)用于矮塔斜拉橋上。（2）加強(qiáng)在拉索所用材料上的疲勞研究，特別是在正式安裝上之后的疲勞模擬。

構(gòu)造方面：（1）將斜拉橋與更多的橋型結(jié)合起來是現(xiàn)在一大探究方向。（2）為了改善施工中對調(diào)節(jié)索力精度的高要求，對柔梁剛塔形式的矮塔斜拉橋進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析。（3）在拉索和預(yù)應(yīng)力優(yōu)化的程序上，由于施工和成橋階段的索力不一致所帶來的問題還需要解決。

3 結(jié)語

本文針對三種最為普遍的組合體系橋：梁拱組合體系橋、自錨式懸索橋、矮塔斜拉橋，進(jìn)行了產(chǎn)生、發(fā)展、存在問題以及前景的綜述?？偣膊殚喴话儆嗥墨I(xiàn)，從每種橋型的構(gòu)想產(chǎn)生到第一座成橋建成，從發(fā)展到前景，系統(tǒng)的描述和構(gòu)建了組合體系橋領(lǐng)域的框架。

目前是我國橋梁建設(shè)和發(fā)展的過渡階段，組合體系橋開始受工程師們的青睞，既能有梁的特點(diǎn)能承受較大拉力，又有拱的特點(diǎn)承受荷載潛力大的梁拱組合體系橋；不用修建龐大錨錠和隧道錨，且依然具有懸索橋美觀等優(yōu)點(diǎn)的自錨式懸索橋；跨越能力大、主梁剛度大、成本低的矮塔斜拉橋就開始出現(xiàn)在人們的視線之內(nèi)。

但是僅有這三類橋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能不滿足人類對橋梁事業(yè)發(fā)展的需要的。我們還需要在橋梁的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、外形、材料上下功夫，將受力特點(diǎn)不同的基本體系合理的組合起來，使橋梁的主要的承重構(gòu)件能具有較為合理的使用狀況，并提高其美觀性、跨越能力、耐久性等能力。針對目前高鐵技術(shù)的大發(fā)展和跨江、跨海的大跨徑橋梁的大修建，組合體系橋的研究和發(fā)展應(yīng)該更加往這些方面靠攏，滿足國家和人民的要求。

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