候耀華

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團第十市政設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

斜拉-懸索協(xié)同體系是一種新的橋梁設(shè)計形式，由斜拉-懸索兩種體系協(xié)同作用，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，尤其適用于大跨度橋梁。雖然斜拉-懸索體系在設(shè)計理念、設(shè)計技術(shù)和施工技術(shù)上取得了很大的進展，但在具體的橋梁設(shè)計中，需要提出一些具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，以充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)點，提高系統(tǒng)的性能。某省一條跨江隧道位于長江下游，其全長55.5km，設(shè)計時速為100km/h。從方案設(shè)計看，采用急流、深泓、通航為主；根據(jù)跨堤、城市交通、投資控制等工程施工條件，設(shè)計成雙向8車道道路；其主跨為1620m，是一種新型的斜拉-懸索組合橋型。本文以該跨江隧道橋梁為例，對柱式塔同向回轉(zhuǎn)斜拉-懸索體系的設(shè)計進行分析。

四是加大了找水、打井的力度。西南五省新打抗旱水源井1.8萬眼，購置運送水車7615輛，應(yīng)急調(diào)水6000多萬m3，累計為群眾送水941萬t，新建抗旱應(yīng)急調(diào)水工程4307處，新建五小水利工程7萬多處，鋪設(shè)輸水管道2萬多km。

1 構(gòu)建協(xié)同體系

1.1 形成空間結(jié)構(gòu)

協(xié)同體系的承載能力較低，但其優(yōu)點是懸索和錨桿材料的使用有所減少，缺點是由于近塔空載荷和吊索重量的減小而使其剛度下降，為此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)用空間懸索，懸索從塔尖向下，到中間逐步伸展，中間用一根橫撐使其撐開。通過對結(jié)構(gòu)進行改進，一方面，橫向拉桿增加了結(jié)構(gòu)的內(nèi)拉力，使其自重剛度得到相應(yīng)的改善；另一方面，兩個橫梁在縱向上分別與兩個懸掛結(jié)構(gòu)相連，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生共同的橫向和縱向的幾何剛度[1]。在空間吊索結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，采用單柱式橋塔、四索面斜拉索、分體鋼箱梁，通過懸掛系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，提高結(jié)構(gòu)的空間特性和結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而從理論上解決由于剛度降低帶來的問題。

1.2 主跨斜拉和懸索體系的結(jié)合

協(xié)同體系中主梁的斜拉段是壓彎構(gòu)件，而到懸索段幾乎是完全彎曲，甚至是拉彎構(gòu)件，存在著拉、壓界面安全性問題，為此設(shè)計如下方案和應(yīng)對措施：

（1）對邊跨進行加載，通過增大側(cè)跨受力，使主梁受力作用于主跨，由此產(chǎn)生主跨懸索的受力；

在傳統(tǒng)的橋型450側(cè)跨不能去掉附加橋墩的情況下，整體的靜強度剛性很差，而且側(cè)跨和中跨的活荷載變形大大超過了其規(guī)范要求，因此需要對其進行加固處理。通過將3對、5對、9對的側(cè)跨尾部的吊索進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此來與邊跨活載的撓度值影響進行計算和對比，如表1所示。

（3）在四索面斜拉索和主跨處的交叉區(qū)，懸索位于主跨處，將四索面斜拉索與懸索在交叉區(qū)轉(zhuǎn)換成內(nèi)拉外吊雙索面斜拉索與懸索，使兩個體系實現(xiàn)平穩(wěn)的融合。

1.3 在邊跨中設(shè)置懸吊輔助跨

由于施工條件的限制，450m的邊跨未設(shè)置輔助橋墩，給橋梁的整體剛度和邊跨尾索的應(yīng)力幅值控制帶來極大的困難[2]。針對該問題，采取在邊跨中設(shè)置懸吊輔助跨的方法，即在邊跨中以四索面斜拉索為主，采用雙索面斜拉索與內(nèi)拉外吊索，對尾部梁段進行剛性加固，從而達到橋輔跨的錨固作用。

在塔頂部設(shè)置一個雙吊索的空間懸索，并在下部分層設(shè)置雙索面和四索面斜拉索。由于傳統(tǒng)的橋梁塔采用箱形截面，其承載的吊索鞍座壓力和斜拉索造成的張應(yīng)力異常，給單柱梁的使用帶來極大的不確定性。從根源上來看，在斜拉索繞過橋塔后，采用同向旋轉(zhuǎn)的拉索體系，使其在橋塔的同一側(cè)主梁上進行錨固，在橋塔上，套環(huán)的承壓錨索區(qū)域由拉伸應(yīng)力變成壓應(yīng)力（如圖2所示）。通過這種方法，可以在不受拉應(yīng)力的情況下，實現(xiàn)對塔架進行無拉應(yīng)力的聯(lián)合錨索，從而確保其安全、耐用性。同時同向旋轉(zhuǎn)拉索在橋塔上的后壓錨索結(jié)構(gòu)，也是一種很好的單邊安全措施，使中跨和邊跨（四索對應(yīng)）的斜拉索和懸索面可以靈活轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

表5所示為制備的活性炭基脫氯劑與國內(nèi)某牌號的丙烯用活性炭基脫氯劑AC-101的性能對比。分析可知，CT-01I不僅強度、磨耗、孔容及比表面積等均明顯優(yōu)于AC-101，而且其穿透氯容和飽和氯容亦遠(yuǎn)高于AC-101，分別高約3.13%和4.59%。因此，該活性炭基脫氯劑更適合于丙烯深度脫氯。

1.4 雙向阻尼約束系統(tǒng)

因橋梁結(jié)構(gòu)為空間結(jié)構(gòu)，單柱式橋塔系為縱向阻尼+橫向極限支承，雖然可以很好地控制結(jié)構(gòu)的縱向動態(tài)反應(yīng)，但是對結(jié)構(gòu)的側(cè)向動力作用仍然很大[3]。如果再安裝一個橫向減振器，會造成主梁的縱向位移。根據(jù)實際情況，在各塔、梁交匯處設(shè)置4個斜置阻尼器，4個梁對稱設(shè)置（如圖1所示)，在此基礎(chǔ)上，既可達到縱向、橫向兩種阻尼，又可改善橋梁的雙向動態(tài)特性。

1.5 同向回轉(zhuǎn)拉索系統(tǒng)

自2015年來，我市充分借助地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系建設(shè)重點省份的大好契機，加大對地質(zhì)災(zāi)害防治的投入。一方面積極爭取中央和省財政專項資金和項目，累計開展了近兩百個地質(zhì)災(zāi)害隱患勘查、應(yīng)急處理與治理工程項目和828戶搬遷避讓項目，3年來，共爭取上級投入資金約1.5億元。另一方面，各地政府克服“等、靠、要”的思想，創(chuàng)新思路，多方籌措資金，積極開展地質(zhì)災(zāi)害防治工作。以2017年為例：各縣市區(qū)本級財政投入開展地質(zhì)災(zāi)害治理的項目累計達到76個，總計投入的經(jīng)費約6000萬元。此外、交通和鐵路部門在工程建設(shè)和運營中，也投入了大量資金對境內(nèi)鐵路、公路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患進行了有效的防護和治理。

圖2 套箍式承壓錨索區(qū)圖示

圖3 主跨斜拉索和吊索設(shè)置轉(zhuǎn)換

2 形成協(xié)同體系

2.1 設(shè)計與架設(shè)空間懸索

由頂部至中間部分的空間吊索逐漸延伸，從頂部的鞍座到中跨的中間間隔為37.8m。為在橫橋方向上實現(xiàn)部分懸索的合理間距，在梁與梁之間設(shè)置橫向支撐。在有限元計算中，對傳統(tǒng)的方法進行改進，比較三個側(cè)向和五個側(cè)向支承在索力分配上的作用，最終選擇5個側(cè)向支承。該結(jié)構(gòu)采用一種具有610mm的外徑和壁厚20mm的鋼制結(jié)構(gòu)，由凸緣和懸掛索相連。經(jīng)測算，成橋時的最大壓強分別為3037kN、3294kN和208kN。

與常規(guī)懸索法相比，懸索橋的建設(shè)關(guān)鍵在于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中怎樣在水平上逐漸地形成一條空間直線。在完成貓道的建設(shè)后，利用貓道支承繩架設(shè)暫時的貓道橫梁，并在吊桿成型后進行；通過安裝貓道的臨時懸索梁來支撐逐步增多的懸索，以確保吊索的側(cè)向定位[4]。吊索完成后，在固定吊索上使用索卡法蘭接頭進行固定吊索的安裝，并進行拆卸。

2.2 安裝主梁

斜拉梁分段由起重機懸掛，用起重機將其梁分段吊裝；在整個吊索段的末端進行主跨合攏。同時斜拉-懸索協(xié)同結(jié)構(gòu)的特征也在主梁的安裝中得到體現(xiàn)。該橋與單純的斜拉橋和懸索橋相比，可以在6個工作面上同時進行主梁的安裝，即在懸挑部分梁段的同時，從跨中向兩邊進行吊起。在這種情況下，協(xié)作體系的梁分段可以縮短工程工期的二分之一。此外，還可以利用懸掛方法來懸掛一部分的斜拉梁體，也可采用懸架方式，將其與大懸臂梁進行暫時的懸架，以提高其靜、動力穩(wěn)定性。

2.3 交叉區(qū)的吊索安裝

方案一：先安裝完畢所有的斜拉索，然后在橫梁上安裝橫梁。本方案的特點是確保了側(cè)吊的基本內(nèi)力。交叉區(qū)的斜拉索的作用十分明顯，其由輔助吊索承擔(dān)活載荷，并承擔(dān)起邊吊的活載荷內(nèi)力，以減少其活荷載的幅度；交叉區(qū)的斜拉索調(diào)整簡單，通過對邊吊的起重應(yīng)力幅值的計算，確定初始拉力的最佳值；按施工順序進行邊跨的設(shè)計。

3.1.3 主梁計算

為了便于對吊索的受力進行控制，本方案采用先安裝全斜拉索，并在合攏后進行跨線段吊裝。

3.1.2 橋塔設(shè)計計算

3 計算協(xié)作體系

建立協(xié)調(diào)體系中的橋梁模型是十分必要的。主梁和橋塔架均用空間梁進行模擬，吊索、懸索和斜拉索均以空間索為單位進行仿真，因此，在系統(tǒng)形成的過程中，將斜坡的阻尼限制納入計算，并采用定量的分析方法。

3.1 靜力性能

3.1.1 靜剛度的計算

（2）在主跨側(cè)懸索的基礎(chǔ)上，為了使主橋懸索橋受力更大，索橋設(shè)計中應(yīng)采取斜拉索的方式；

最后，在邊跨尾設(shè)9對吊索進行方案設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，橋的最大上、下位移分別為503mm、2501mm，整體靜剛度較好，說明懸索橋具有預(yù)期的錨固作用。

（73）白邊鞭苔 Bazzania oshimensis（Steph.）Horik. 馬俊改（2006）

學(xué)生譯文2：The Chinese have the habit of eating Yuanxiao and enjoying the festive lantern on the 15th of the first lunar month.

3.1.4 斜拉索、懸索及吊索計算

方案二：先將所有的吊索全部安裝，再將吊索安裝到橋面。該方案的主要特點是保證了斜拉索的基本內(nèi)力，而交叉區(qū)懸索活載荷作用的幅度很難有效地控制；交叉區(qū)的斜拉索具容易安裝，其初始張緊能以減小懸吊體的活載荷應(yīng)力幅值為目標(biāo)，橋梁的建造次序比較簡單。

對于洪都拉斯的經(jīng)濟來說，農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，這從農(nóng)業(yè)對GDP的貢獻可以反映。除了傳統(tǒng)作物如咖啡、谷物、香蕉、油籽和可可，新鮮果蔬作物的農(nóng)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值的貢獻顯著。2001年，蔬菜和水果對GDP的貢獻分別為3.7%和2.3%[2]21-22。蔬菜和水果部門分別包括大約15,000個和10,000個農(nóng)民。除了那些大型養(yǎng)殖區(qū)的出口企業(yè)，這些大多是小型農(nóng)場。

分析結(jié)果表明，實施改進措施后，主梁的受力狀況起到了很好的作用，主梁的各部位都處于持續(xù)的受壓狀態(tài)，斜拉索與吊索交界處的主梁上、下緣應(yīng)力過渡較平穩(wěn)，而中跨懸索橋的主梁最小壓力值為2.2MPa。

橋塔采用三種不同的受力方式進行試驗，其最大壓應(yīng)力為15.98MPa，并保持了較好的狀態(tài)，且在施工階段，裸塔、最大雙懸臂及單懸臂的穩(wěn)定性分別為18.6、12.3、1002，每一階段都能確保其穩(wěn)定性。

依據(jù)上述假定，建立分析簡圖，如圖1所示。圖中，p為樁后滑坡推力，a為抗滑樁截面寬度，b為抗滑樁截面高度，L為相鄰兩樁凈間距。

采用邊跨尾斜拉索、懸索、中跨邊懸索、邊跨側(cè)吊索為例，對其進行最大應(yīng)力幅值的計算，其結(jié)果可低于200MPa的理想值（見表2所示）。

表2 運營階段斜拉索、懸索和吊索應(yīng)力情況

3.2 抗震性能

對順橋向+豎向、橫橋向+豎向組合結(jié)構(gòu)進行檢驗，重點探討塔梁與塔梁在不同結(jié)構(gòu)下的受力與移動的關(guān)系。

通過調(diào)節(jié)水平天窗開啟面積改變風(fēng)機負(fù)載，對風(fēng)機風(fēng)量進行調(diào)節(jié)。利用2種方法對不同水平天窗開啟面積下的風(fēng)機風(fēng)量進行測試，2種測風(fēng)方法的相對誤差計算公式見式(11)，2種測試方法的測試結(jié)果見表1。

整體上塔與梁間設(shè)置斜向阻尼約束體系后，在地震作用下，所有墩柱、塔、樁等最不利截面的地震彎矩都比其最大彎曲值??；在荷載作用下，在1%的配筋比例基礎(chǔ)上，最大受力比極限的彎曲扭矩要小，并且能夠恢復(fù)。

在建立斜坡減振限制體系之前，梁與塔柱間的橫向相對位移大于1m，大于25cm時，塔柱與梁間的預(yù)留空隙將會導(dǎo)致塔柱與梁的碰撞。在此基礎(chǔ)上，在地震作用下，梁與塔之間的橫向相對位移減小到小于20cm，避免發(fā)生碰撞，同時塔與梁之間的相對速度和相互作用力也顯著下降。

3.3 抗風(fēng)性能

按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTGD60-01-2004）的要求，計算出橋面上的設(shè)計基礎(chǔ)風(fēng)速為49.6m/s，其顫振試驗風(fēng)速為70.8m/s。三維顫振分析結(jié)果顯示，協(xié)同系統(tǒng)在運行期的顫振臨界風(fēng)速為97、91、88m/s，在-3°、0°和+3°的風(fēng)攻角下，均比70.8m/s的顫振臨界風(fēng)速高。通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)塔與梁間設(shè)置斜坡阻尼約束體系后，在脈動風(fēng)的作用下，在進行安裝前，梁與塔架的橫向相對位移已經(jīng)達到1m，超出了25cm高的塔架與橫梁之間的預(yù)留空間，導(dǎo)致塔架與橫梁的碰撞，移動量減少到10cm左右，不會再出現(xiàn)沖突。

4 結(jié)束語

總之，斜拉-懸索協(xié)同體系橋梁吊桿的剛性有減弱趨勢，主梁承載力存在非連續(xù)性；系統(tǒng)界面上的拉索、吊索等受力過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的疲勞和失效。對此，本文提出采用單柱式橋塔、空間懸索、懸臂支撐等技術(shù)，并給出其剛度、主梁壓力等參數(shù)，為大型索撐結(jié)構(gòu)大橋施工提供十分重要的技術(shù)支撐。