曾勇 莫磊 敖付勇 李強(qiáng) 董志龍 肖光烈

1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 400074

2.重慶市鐵路（集團(tuán)）有限公司 401120

3.中冶建工集團(tuán)有限公司 重慶400084

4.中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司 北京 101400

5.重慶市永川區(qū)公路服務(wù)中心 400074

引言

斜拉橋是大跨度橋梁最主要的常用橋型之一，由于其外形美觀、經(jīng)濟(jì)性好，在國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁中非常流行。同時(shí)，隨著跨度的增大，拉索長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)，相應(yīng)地斜拉橋的整體剛度變得更小，從而使大跨度斜拉橋越來(lái)越柔，斜拉索的內(nèi)阻尼低、固有頻率分布廣的特點(diǎn)越來(lái)越突出，在各種外界因素的激勵(lì)下易發(fā)生振動(dòng)，有必要選擇合適的阻尼器來(lái)進(jìn)行斜拉索的減振控制。黃康等主要研究了大跨混合梁斜拉橋拉索的阻尼器選型［1］。Krzysztof Wilde等通過研究建立了斜拉索風(fēng)雨振動(dòng)的簡(jiǎn)單模型［2］。M.Matsumoto等對(duì)斜拉橋纜索的風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行了研究［3］。目前，斜拉索阻尼器的研究都主要集中在減振效果的評(píng)估和影響減振性能的因素等方面［4-6］，在斜拉索阻尼器選型方面的研究還相對(duì)較少。本文調(diào)研并分析了長(zhǎng)江上游地區(qū)的部分斜拉橋、全球范圍主跨超過700m的斜拉橋的拉索阻尼器類型情況，對(duì)比研究了拉索阻尼器的內(nèi)置式與外置式的選用情況，研究結(jié)果可以為大跨度斜拉橋拉索阻尼器的選型提供借鑒與參考。

1 長(zhǎng)江上游地區(qū)斜拉橋拉索阻尼器選用情況

本文調(diào)研的區(qū)域位于四川的宜賓市和瀘州市，以及重慶市和湖北省巴東地區(qū)，調(diào)研區(qū)域基本覆蓋了長(zhǎng)江上游地區(qū)。對(duì)比23座長(zhǎng)江上游地區(qū)斜拉橋的阻尼器選型情況，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與阻尼器統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 長(zhǎng)江上游地區(qū)跨長(zhǎng)江的斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)與阻尼器類型Tab.1 Structural parameters and damper types of cable-stayed bridges across the yangtze river in the upper reaches of the yangtze river

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在所調(diào)查的23座斜拉橋中，主梁的截面形式有鋼主梁、混凝土梁、疊合梁、混合梁，幾乎包含了斜拉橋主梁的主要截面形式，拉索內(nèi)外置阻尼器選型特點(diǎn)具體分析如下：

主梁截面形式為鋼主梁的斜拉橋，斜拉索大都使用內(nèi)置阻尼器和外置阻尼器的組合形式，由于主梁具有較高的剛度，斜拉索的索力通常較大，采用內(nèi)置式阻尼器就可以達(dá)到良好的減振效果，而長(zhǎng)拉索和中長(zhǎng)拉索通常采用外置阻尼器。但是東水門長(zhǎng)江大橋是一個(gè)特例，其全部采用內(nèi)置阻尼器，東水門長(zhǎng)江大橋是一座主跨360m的公軌兩用單索面雙塔斜拉橋，其斜拉索直徑大，索力噸位大，阻尼比大，因此只需設(shè)置內(nèi)置阻尼器就能滿足減振的性能要求，而無(wú)需采用外置阻尼器。主梁截面形式為混凝土梁的斜拉橋，斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器，這是因?yàn)槔鞯腻^固點(diǎn)位于主梁內(nèi)部或底板下方，斜拉索具有較大的索力。主梁截面形式為疊合梁的斜拉橋，斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器與外置阻尼器相結(jié)合的形式，采用外置阻尼器的主要原因是其拉索具有較大的長(zhǎng)度而索力較小。主梁截面形式為混合梁的斜拉橋，其跨度往往很大，由于邊跨側(cè)的主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，相應(yīng)地其斜拉索通常也選用內(nèi)置阻尼器，而中跨側(cè)的主梁一般為鋼截面主梁，斜拉索的長(zhǎng)度與邊跨側(cè)相比要長(zhǎng)很多，并且拉索的索力較小，因此使用的是外置阻尼器。

從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所有的大跨度斜拉橋在選擇拉索內(nèi)外置阻尼器時(shí)，通常需要對(duì)橋梁的多方面因素進(jìn)行綜合考慮，主要包括主梁的截面形式、斜拉索的索力情況、斜拉索的長(zhǎng)度等方面。具有較大索力和較短長(zhǎng)度的斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器，而較大長(zhǎng)度的拉索往往使用外置阻尼器。

2 全球主跨超過700m的斜拉橋的阻尼器選用情況

目前，全球共有15座斜拉橋主跨超過700m。除去法國(guó)的諾曼底大橋，其他的斜拉橋均位于東亞地區(qū)，且均位于中國(guó)及其周邊地區(qū)，全球主跨超過700m的斜拉橋的拉索阻尼器的選用情況見表2。

表2 全球主跨700m以上斜拉橋的拉索阻尼器選用情況Tab.2 Selection of cable dampers for cable-stayed bridges with main spans above 700m in the world

從主跨大于700m的大跨度斜拉橋的斜拉索阻尼器的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，斜拉索阻尼器的類型不盡相同，都具有更好的使用性能和相對(duì)多元化的類型選擇。所有的大跨度斜拉橋在選擇阻尼器形式時(shí)，一般都要進(jìn)行多方面因素的綜合考慮，主要包括橋梁自身的結(jié)構(gòu)特性、橋梁的位置特征、橋梁斜拉索的索力情況、橋梁斜拉索氣動(dòng)措施等方面，使得選用的阻尼器的外觀和性能達(dá)到最佳，從而在實(shí)際使用中達(dá)到最好的減振效果。

中國(guó)香港的昂船洲大橋主跨為1018m，主梁為相對(duì)較寬的分離式鋼箱梁，有較大的橫向剛度，斜拉索采用內(nèi)置式阻尼器。日本多多羅大橋主跨為890m，由于拉索表面配備了凹坑氣動(dòng)措施，阻尼比較大，所以其斜拉索采用內(nèi)置式阻尼器。韓國(guó)Incheon大橋主跨為800m，其斜拉索全部使用內(nèi)置式阻尼器。上海長(zhǎng)江大橋主跨為730m，是一座公軌兩用的斜拉橋，其拉索具有較大的索力，斜拉索采用內(nèi)置式阻尼器。

全球范圍內(nèi)已經(jīng)建成的15座主跨700m以上的斜拉橋，有7座斜拉橋的拉索采用了內(nèi)置式阻尼器，有8座斜拉橋的拉索采用內(nèi)置+外置式阻尼器的組合形式，這兩種阻尼器形式的使用情況幾乎相等。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，阻尼器的類型并不完全是由斜拉橋的主跨跨徑與斜拉索的長(zhǎng)度作為主要決定因素，如香港昂船洲大橋（分離式鋼箱梁）、多多羅大橋（鋼箱梁）、韓國(guó)Incheon大橋、金角灣大橋等均采用內(nèi)置式阻尼器。內(nèi)置式阻尼器成為國(guó)外的大跨斜拉橋的主流選擇，而內(nèi)置+外置式阻尼器的組合形式則是國(guó)內(nèi)的大跨斜拉橋的主要選擇。

3 內(nèi)置式阻尼器的錨筒與長(zhǎng)度的實(shí)例分析

對(duì)于采用內(nèi)置式阻尼器的斜拉索，拉索錨頭的長(zhǎng)度與阻尼器的減振效果直接相關(guān)，其外形美觀也會(huì)受到影響。在本節(jié)中分析6座國(guó)內(nèi)外采用內(nèi)置式阻尼器的斜拉橋的跨中區(qū)拉索的錨筒直徑與內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，其主跨跨度均在700m以上。

昂船洲大橋離海平面高度僅73.5m，以鋼箱梁結(jié)構(gòu)作為該橋的主梁，采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域，該橋沒有設(shè)置人行道。從圖1可以看出，該橋的錨筒直徑比拉索直徑大得多，約為拉索直徑的4～5倍，并且橋面防撞護(hù)欄的高度比內(nèi)置式阻尼器的安裝高度略高。從外觀上看，該內(nèi)置式阻尼器具有良好的美觀效果，其顏色與防撞護(hù)欄和大海的顏色相互協(xié)調(diào)，保證了整體的統(tǒng)一性，具有良好的美學(xué)參考價(jià)值。

圖1 昂船洲大橋的跨中最長(zhǎng)索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.1 The anchor head with built-in dampers for the longest mid-span cable of Stonecutters Bridge

日本多多羅大橋主跨為890m，位于本州到四國(guó)島的聯(lián)絡(luò)橋西線上，主塔高220m，鋼箱主梁上采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域，該橋的橋面設(shè)置了檢修道，拉索的位置處于檢修道內(nèi)側(cè)的預(yù)留區(qū)域。從圖2可以看出，該橋防撞護(hù)欄的高度高于內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，安裝高度基本位于橋面處，該橋錨筒的直徑大約是拉索直徑的3～4倍。

圖2 日本多多羅大橋的跨中最長(zhǎng)索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.2 Anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of Tatara Bridge in Japan

韓國(guó)的仁川大橋（Incheon bridge）通航凈空為74m，主跨為800m，大橋主塔高238m，其形狀為經(jīng)典的倒Y字型。以鋼箱梁結(jié)構(gòu)作為該橋的主梁，采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域。從圖3可以看出，該橋防撞護(hù)欄的高度與內(nèi)置式阻尼器的安裝高度基本一致，該安裝高度較矮，該橋錨筒直徑是拉索直徑的4～5倍。

圖3 韓國(guó)Incheon Bridge的跨中最長(zhǎng)索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.3 The anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of Incheon Bridge，South Korea

海參崴金角灣大橋主跨為734m，橋面寬度為28.5m，主塔高度為226.25m，位于俄羅斯海參崴市的中心，略長(zhǎng)于主跨跨徑為730m的萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋。該橋橋面設(shè)置了人行道，斜拉索采用錨拉板式結(jié)構(gòu)的錨固形式，并且拉索的位置處于人行道內(nèi)側(cè)的預(yù)留區(qū)域。該橋防撞護(hù)欄的高度遠(yuǎn)低于內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，安裝高度約為人身高的2倍，約為3.6m。該橋的錨筒上下兩端的直徑不同，其中下端約為上端直徑的2倍，并且大約是拉索直徑的3倍。該橋的錨筒下端較粗，從下端到上端是具有一定特征的漸變式結(jié)構(gòu)，看起來(lái)非常漂亮。從圖4可以看出，該橋防撞護(hù)欄的高度略高于錨筒下端的高度，錨筒下端的高度大約為1.8m，人行道與其他橋的橋面布置不同，其標(biāo)高低于車行道的標(biāo)高。該橋跨中最長(zhǎng)拉索的內(nèi)置阻尼器錨頭外形有點(diǎn)像某種準(zhǔn)備發(fā)射的導(dǎo)彈的形狀，這可能與俄羅斯的民族文化有關(guān)。

圖4 海參崴金角灣大橋的跨中最長(zhǎng)索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.4 Anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of the Golden Horn Bridge in Vladivostok

上海長(zhǎng)江大橋主跨為730m，該橋橋面沒有設(shè)置人行道。以鋼箱梁結(jié)構(gòu)作為該橋的主梁，采用錨箱式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部為錨固區(qū)域。從圖5可以看出，該橋防撞護(hù)欄的高度略高于內(nèi)置式阻尼器的安裝高度，該橋錨筒的直徑大約是拉索直徑的3倍。

圖5 上海長(zhǎng)江大橋的跨中最長(zhǎng)索內(nèi)置阻尼器錨頭Fig.5 The anchor head of the longest cable with built-in damper in the middle of the Shanghai Yangtze River Bridge

上海閔浦大橋主跨為708m，主塔高210m，東西岸分別位于閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)沈杜公路和閔行區(qū)吳涇鎮(zhèn)放鶴路。閔浦大橋一跨過江，其跨徑為世界上雙層公路斜拉橋之最。該橋以鋼桁架結(jié)構(gòu)作為主梁，采用錨拉板式的拉索錨固結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)域位于橋面處，該橋橋面設(shè)有人行道。從圖6可以看出，該橋在跨中段拉索的內(nèi)置式阻尼器，其安裝高度不高，并且與橋面的行車道護(hù)欄高度大致相同，其護(hù)筒長(zhǎng)度約為1.0m，該橋錨筒的直徑約是拉索直徑的2～3倍。

4 結(jié)論

1.從對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)斜拉橋的阻尼器選型統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，內(nèi)置阻尼器通常被使用于混凝土斜拉橋的拉索，即使是大跨度混凝土斜拉橋也常常使用，主要原因是其斜拉索具有較大的索力，斜拉橋的邊跨側(cè)拉索通常也使用內(nèi)置阻尼器，這是因?yàn)檫吙鐐?cè)斜拉索長(zhǎng)度較短。分析表明，具有較大索力和較短長(zhǎng)度的斜拉索通常使用內(nèi)置阻尼器，而較大長(zhǎng)度的拉索往往使用外置阻尼器。

2.對(duì)全球主跨超過700m斜拉橋的拉索內(nèi)外置阻尼器選型分析表明，所有的大跨度斜拉橋在選擇阻尼器形式時(shí)，通常要同時(shí)考慮橋梁自身的結(jié)構(gòu)特性、位置特征、斜拉索的索力情況以及氣動(dòng)措施等因素，內(nèi)置式阻尼器成為國(guó)外的大跨斜拉橋的主流選擇，而內(nèi)置+外置式阻尼器的組合形式則是國(guó)內(nèi)的大跨斜拉橋的主要選擇。

3.大跨度斜拉索阻尼器的選型在借鑒國(guó)內(nèi)外同類型橋梁的同時(shí)，有必要考慮自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地域位置來(lái)做出選擇，以滿足拉索減振的要求，還應(yīng)考慮景觀、維護(hù)、耐久性等功能，并滿足某些創(chuàng)新性要求。從某種角度來(lái)說，大跨度斜拉橋拉索阻尼器的選型研究不僅具有重要的工程實(shí)用價(jià)值，而且具有重要的國(guó)際參考意義。