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[转帖] 理念的实现 ——交叉拉索在多塔斜拉桥的应用 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2016-1-18 14:55:45 |显示全部楼层 |          |
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文/邓文中

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图1 普通双塔斜拉桥

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多塔斜拉桥的特性

       一般的斜拉桥都是双塔或者单塔的。如果一座斜拉桥有三个或更多的桥塔,就算是多塔斜拉桥。其设计与普通斜拉桥主要的区别是结构的刚度。斜拉桥的桥塔一般是比较柔软的,它的结构基本上是一个垂直的悬臂梁,虽然可以承受很大的垂直力(轴力),但水平的、纵桥向的刚度不足,本身不能为主梁提供有效的支撑。一座双塔或者单塔斜拉桥,桥塔的刚度主要来自从塔顶连接边墩的背拉索,相当于为塔顶安置了一个水平的弹性支座,从而大大增加了塔的刚度(图1)。因为一座斜拉桥的和梁是由拉索连起来的,塔的变形和主梁的变形有密切的关联,塔的刚度增加,等于是把梁的刚度也增加了。

       多塔斜拉桥的边跨也提供了背拉索。但是,在中间的塔就没有拉索连接到墩上,所以其刚度无法为主梁提供有效的支持。这样一来,在活载下,除了两端的边跨外,所有内面跨度主梁的弯矩和变形都会很大,塔的弯矩和变形也会很大,使大桥难以满足设计要求。在结构设计上,通常有四个方法可以弥补这个缺陷:一是在每两跨中间加一个桥墩,把多塔斜拉桥分解为一连串的双塔斜拉桥(图2);二是增加桥塔刚度,例如早期的委内瑞拉Maracaibo大桥、希腊Anti Rion大桥(图3)和法国Millau大桥;三是把所有的塔顶用一根大的水平索连接起来(图4a);四是每个搭顶用拉索与相邻的塔和主梁的交点连接起来(图4b)。


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图2 增加桥墩的稳定方式

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图3 Maracaibo大桥与Anti Rion大桥


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图4 普通加强多塔斜拉桥的方式


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       第一个方法当然最直接,但这样的结构只能算是几座双塔斜拉桥的组合,不能算是多塔斜拉桥,不在本文讨论范围;第二个方法为所有桥墩都要增加刚度,造价会很昂贵;第三和第四两个方法都不好看。而且,当大桥的总长增大时,第三个方法会渐渐失效。


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交叉拉索理念的源起

       为了改善多塔斜拉桥的美观和经济效益,在1994年参加香港汀九大桥投标的时候,我提出了一个应用交叉拉索的三塔斜拉桥方案(图5)。1 a# }( v! s( o

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图5 交叉索三塔斜拉桥


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       但当时的施工单位认为,这个理念太新,不愿意作为投标方案。当时的投标是设计施工总承包,我们公司是为承包单位工作,没有发言权。投标结果是另一组投标者得标,建成了今日的汀九大桥,是一座利用塔顶拉索的三塔斜拉桥(图6)。

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图6 香港汀九大桥

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       1995年10月,在香港工程师学会主办的学术会议上,我把在汀九桥投标时的理念整理后,发表了一篇交叉拉索在多塔斜拉桥上应用的论文《Multispan Cable-Stayed Bridges, Proceedings, Bridges into the 21st Century,Hong Kong, 1995》。但是,这个理念好像一直没有得到适当应用。直到今年6月,我到英国爱丁堡(Edingburgh)参加2015年欧洲桥梁(European Bridge Conference2015),同时参观附近正在施工的新福斯大桥(Forth BridgeReplacement),发现他们正在将交叉拉应用在他们的三塔斜拉桥上(图7)。

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图7 新福斯大桥

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       最早的福斯大桥 (Firth of Forth Bridge) 建于1890年,是一座双主跨2x521m的钢桁架火车专用桥(图7右侧),通车时是世界上最大跨径的桥。后来在附近又建造了一座悬索桥,供公路使用。现在的新福斯大桥是第三座(图8左侧)。

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图8 福斯海峡的三座大桥

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       新福斯大桥是一座三塔斜拉桥,有两个650m主跨,每边两个跨径为221m+104m的边跨(图9)。根据英国结构工程师学会(Institute of Structural Engineers)会刊的一篇论文《Design of the Forth replacement crossing, Scotland》(作者:M. Carter, S. Kite, N. Hussain, and B. Minto),设计单位研究过几个不同的结构方案,一个是像汀九桥一样的方案,从中间塔顶拉索连接到两个边塔,另外一个是把中间塔造得很刚的方案,但最后还是选择了应用交叉拉索的方案。主梁有两个方案:正交异性板桥面和叠合梁桥面。图10显示他们的研究结论,交叉拉索对大桥主梁弯矩的影响。从这个图可以看出,不管是用比较轻的正交异性板桥面抑或较重的叠合梁,交叉拉索都可以把主梁上的弯矩大大降低。交叉拉索对减低大桥下挠也起很大的作用。应用交叉拉索,主跨的最大下挠在正交异性板方案减少了35%,在叠合梁方案减少了25%。同时,中间桥塔的弯矩和变形也大大减少。这座桥的交叉拉索部分只占主跨的25%。


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图9 英国苏格兰新福斯大桥


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图10 新福斯大桥交叉拉索对主梁弯矩的影响
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       新福斯大桥主梁全宽39.8m,高3.9m,经过各种比较,最终决定选择叠合梁(图11)。底部是一个由正交异性板组合的钢箱,横隔板采用桁架结构,中间设置一个纵箱梁,拉索连接在中间纵箱的腹板上。由于在有交叉索地方有两组共四个索面,为了避免两组拉索的互相干扰,中间塔的拉索锚在腹板的外侧,边塔的拉索锚在腹板的内侧。

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图11 新福斯大桥主梁截面

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图12 新福斯大桥于2015年6月施工中的情况


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        桥塔是单柱式, 设在主梁的中线上。两个边塔高203.3m,中间塔高210.7m。截面是混凝土空心圆柱。这座大桥正在施工阶段,预计2016年中完工。


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交叉拉索对多塔斜拉桥的优点

       为了证实交叉拉索在多塔斜拉桥的优越性,我1995年发表的论文是用一座5个塔的斜拉桥为例,探索多塔斜拉桥在活载下的弯矩,垂直变形和垂直转角的最大和最小值。在设计一座刚度不足的大跨度桥梁时,最重要的往往不是应力的问题,而是变形的问题。其中,主梁的垂直转角尤其重要。垂直转角就是活载下主梁纵坡的变动。不同的交通形式:行人、汽车、轻轨、火车或高铁,对活载下最大的垂直转角(纵坡)会有不同的限制,不能超越。譬如,重庆市的轻轨桥,活载下的垂直转角不得超过0.4%。这篇论文是用美国公路桥梁的活载设计,文中比较了各种不同的方案,可以看出交叉拉索的优越性能。为了方便有兴趣的读者,我把其中最主要的图表展示给大家参考(图13、14)。在这个例子里,大桥的边跨是196m,主跨是400m。交叉拉索的部分大约是主跨的40%。原文可以从《桥梁》杂志网站下载。


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图13 各种多塔斜拉桥在活载下性能比较 (MC Tang)

上:活载下主梁弯矩的包络图;下:活载下主梁下挠的包络图


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图14 活载下主梁垂直转角的包络图

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       交叉拉索不但对多塔斜拉桥的刚度有明显帮助,对普通的双塔斜拉桥也有一定的辅强作用。当跨度增加,而主梁比较柔的情况下,交叉拉索可以增加整体结构的刚度。

       一个新的桥梁理念常常不是立即实现的。多塔斜拉桥应用交叉拉索的理念是我在1995年发表的,我能在20年后的今天看到它被应用在实际的工程上,的确是一件令人兴奋的事情!

(作者系美国国家工程院院士中国工程院外籍院士 林同国际董事长)

(编辑:陈晨)

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