混合缆索体系支撑桥梁的竞争性

刘明虎的图书馆 2021-09-29

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桥梁缆索的形式广义上可以分为三类：悬索体系、斜拉体系和混合体系。最近，研究人员逐渐意识到采用混合体系相对纯粹斜拉或悬索体系的诸多优点。因此，斜拉悬索混合体系桥梁在大跨度桥梁的方案设计中很具竞争性。

如今的桥梁设计考虑安全、耐久性和观赏性的理念已经根深蒂固。为了契合这种设计方法，桥梁结构必须综合考虑形式、功能和行为。在以往的设计阶段，结构形式和结构行为之间的关系较为明确，确定美观而且合理的结构形式比较容易。特别是结构形式的产生是基于设计几何线形的静力图式，并同步考虑结构行为。静力图式在桥梁美学设计中能提高对结构荷载路径的理解。

就混合缆索支撑桥梁结构形式的发展而言，关键问题是混合缆索体系结构形式和结构行为之间的关系的理解；混合缆索体系结构形式确定的参数模拟，考虑不同主塔形式下斜拉索和吊杆的荷载路径。

混合缆索支撑的演化

混合缆索支撑桥梁的发展最早开始于19世纪初期，大都基于工程直觉和经验。

混合缆索体系桥梁的早期形式

19世纪早期的悬索桥主要特征是悬链线外形的主索链、主梁未加劲以及辅助的交叉斜拉索。图1所示为1817年建造的Dryburgh寺桥，主缆为悬链线铁杆。然而，该桥在1818年经历了特大风暴，因斜拉索的锚固失效而破坏。重建时采用了抛物线主缆，并采用焊接接头的链接连。艾伯特桥建于1873年，横跨英国伦敦的泰晤士河，采用抛物线主缆以及16根带眼杆链条的斜拉索。这两座桥最大的差异是主塔附近构件的荷载传递。

图1 19世纪的混合缆索支撑桥梁

斜拉悬索桥

另一方面，1824年马克·赛甘设计的第一座悬索桥成功坐落，带来了法国的繁荣。那个时期悬索桥的法国模式主要特点是轻质的未加劲主梁，但在抗风方面仍不足。在所有缆索支撑桥梁的历史事件中，约翰罗宾逊设计了混合缆索体系，其中的斜拉索集成为结构的主要构件，如图2a和b所示。该体系称为斜拉悬索桥，由抛物线主缆、斜拉索和加劲梁组成。斜拉悬索桥梁的辐射式斜拉索提高了结构的空气动力性能，主跨增加时可提高斜拉索的数量。跨径最大的斜拉悬索桥梁为布鲁克林桥。

图2 斜拉悬索桥

现代混合缆索支撑桥梁

1938年，狄辛格建议了一种混合体系：通过在悬索体系中引入斜拉索，可减小列车荷载作用下的挠度。该建议未得到实施，但却推动了在大跨度悬索桥中采用斜拉索。以这种形式建造的典型公路桥为1977年建成的遵义乌江桥，主跨299m。近年建成的土耳其伊斯坦布尔博斯普鲁斯海峡三桥为主跨1408m，与众不同的是其重叠区从跨中开始且只有部分重叠。

图3

混合缆索支撑桥梁的主要问题

狄辛格提出的混合缆索体系中，首要问题是体系不连续。如图4所示，对超大跨径桥梁尤其突出，且相对空气动力稳定能力更为重要。影响连续性的几个因素有主缆垂跨比、主跨斜拉区和悬索区所占比例、重叠区的比例、斜拉索的布置形式。此外，还可预见的是这些应力幅较大区域的构件易出现疲劳问题。

图4 混合缆索体系的非连续区

结构形式的展开探索

混合缆索体系桥梁的设计方案，不仅要同时满足结构力学行为和视觉效果，还需考虑纵向倾斜吊杆的方式。

非比例模型试验

为了理解混合体系桥梁的主要特点，设计了几组非比例模型。通过试验可以看出，随着重叠区吊索数量的增加，主缆的线形更加平滑。

图5 混合体系的施工

图6 垂直吊杆与倾斜吊杆

图7 重叠区大小的效应

图8 不同的重叠区布置方案

参数模拟

参数模拟对混合体系的研究，主要围绕悬索体系主缆垂度的影响，斜拉体系和悬索体系所占比例；重叠区大小的影响和斜拉索的布置形式两个问题。

通过改变主跨的长度，而索塔高度和斜拉体系的布置未变。对比可见，随主跨长度增加，主缆垂跨比变小，因此悬索主缆的荷载也会增加。相应地，锚碇水平力、背索荷载和索塔荷载均会增加。另外，斜拉体系的构件内力保持不变。

图9 垂跨比对荷载路径的影响

图10 重叠区不同的吊杆布置形式

图10所示为垂直吊杆和倾斜吊杆两种不同吊杆形式。值得一提的是，出现在重叠区的斜拉索不平衡力在边跨采用地锚拉索来平衡。

如果采用垂直吊杆，需对吊杆力进行优化以使得沿着荷载路径实现逐渐过渡。至于垂直吊杆的调整则有很多方法实现。其中一个方法是保证相同吊杆间距的同时,调整对应的斜拉索索力。另一方面，如果采用倾斜吊杆，其吊杆力会随着倾斜角的增大而增大。这种渐变的荷载路径带给力多边形偏正面的影响。对比各自的力多边形图式，可以发现采用倾斜吊杆能减小主缆张力，主缆张力的减小对于背索及索塔都可带来正面的影响。