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刘效尧谈桥梁结构的演变与组合

2011-10-26　来源：中国桥梁网

桥梁有多少种类，在建筑学和结构力学意义上还会出现新的桥型吗？有规律吗？能预测吗？本文将尝试予以回答。

    1．桥梁构件组合

     笔者曾试图找到桥梁的基本结构元素，并组合派生出许多并不陌生的桥型出来（表1）。类似门捷列夫的元素周期表，还预测可能会出现的新桥型，也留出许多空格，等待填补。此后确实有人实现了预测新型桥梁，在此有必要再回顾一下表1的解释。


    1.1．单纯型桥

     主对角元是单纯性桥梁，Q11吊桥、Q22桁架桥、Q33拱桥、Q44梁桥，分别由索、杆、曲杆、梁等单一的线元素组成；Q55、Q66、Q77分别由单一的平板（膜）、弯板、壳组成的箱结构、板桥、双曲桥。

    1.2．复合桥

     主元素两侧的副元都是两种元素组合成复合型桥。

    1.2.1拱与索

    （1）Q13——是在曲杆内侧张拉索，加大拱的轴力，增强拱的特征。图1，a）是苏格兰（Glasgow, Scotland）的一座人行桥设计方案，利用了内侧张拉索。曲梁桥主梁由下吊索悬吊着（类似下承式拱的吊杆），下吊索挂在倾斜的拱上，拱的上面又有差不多等长的背吊索张拉着，再由一根弯曲主背索穿在这些等长背吊索的末端，弯曲主背索张紧后，两端锚在地面锚碇上。桥面曲主梁、下吊索、拱、背吊索、主背索彼此互相传递着作用，形成一组大串联的复合结构，把复合桥演绎得淋漓尽致。


    还有一种设计，见图1，b）省略斜拱，而曲梁采用“L形”构件。L水平肢上支承行走桥面系，L竖肢顶端穿以背索，张拉背索成桥。已完成静动载模型试验，强迫振动加速度0.578m/s2，接近捷克《1988人行桥设计标准》规定不适感允许值0.589 m/s2，需要设置阻尼器。

     （2）Q31——是在曲杆外侧张拉索，减轻拱的轴力，有“去拱”的趋势，进入了索桥的范畴，保留着拱的特征。2007年湖南建成了跨径400m的“湘潭湘江四桥”，就是Q31复合桥，见图2。可以称为拱式斜拉桥，或悬吊式拱桥，前者名称比较恰当，但是这种桥型尚未显现其结构优势。

    这种桥型实际上就是把悬臂节段拼装肋拱桥的临时拉索系统永久化，用以分担拱肋的负担。但是索尾是锚固在边跨混凝土梁上的自锚体系，梁的重量和塔的弯矩接近于零，两个约束决条件定了拉索对拱轴力影响的程度。

    1）拉索将有减小中部拱段的轴力，加大根部拱段轴力的趋势。而在均布荷载g作用下，拱足的轴力N0原本就大于拱顶的轴力Nf。例如跨径为L的二次抛物线无铰拱中

    ；；。

    2）均布荷载q作用下在拱顶无弯矩。成对索力的影响线hab(a)、hcc(a)、vab(a)、vcc(a)如下式和图3，半跨坐标a=x/L，x≤L/2，矢跨比f/L，

    （1）一对水平拉力对根部弯矩：f×hab(a)=2fa(1-a)[(1-a) (2-7a+8a2)+a(3-9a+8a2)]；

     （2）一对水平拉力对拱顶弯矩：f×hcc(a)=-2f(3-14a+20a2-8a3)a2；

     （3）一对竖向拉力对根部弯矩：L×vab(a)=La(1-a)(1-5a+5a2)；

     （4）一对竖向拉力对拱顶弯矩：L×vcc(a)=La2 (3-10a+5a2)/2。

    其中水平力分力影响线不变号；竖向分力影响线在区间[0.26，0.36]之间变号。只要布索区均不大于L/3，拱足影响线大部分位于正弯距区，可以组合出正弯距；拱顶影响线分居正、负弯距区，可以组合出零弯距。所以建议拱上跨中L/3区间不宜布索。

    当矢跨比f/L=1/4~1/5时，水平拉力对根部影响较大，比较容易调整索力达到理想状态。


    1.2.2．梁与索——大梁段与稀（集中）索

    (1)实际上早期的稀索斜拉桥是梁与索的复合体系，委内瑞拉于1962年建成的马拉开波桥就是一例Q41复合桥（图4），与现代密索斜拉桥Q21有着本质的区别。稀索斜拉桥是以索支承梁，梁仍然是以受弯为主的构件；密索斜拉桥是压杆撑开索，梁是作为压杆为主的构件，受弯功能已从有跨度的连续梁转换到有长度无跨度的弹性地基连续梁。Q41不同于Q21常规的斜拉桥，Q21梁的高度小、索密、塔高，梁分担的车道荷载作用与桥的大跨径相比较是微小的。随着索的加密，马拉开波桥此后进化为高塔斜拉桥——常规斜拉桥。

    马拉开波湖桥（Maracaibo Lake Bridge）和乌尔塔内塔将军桥，位于南美洲国家委内瑞拉的第二大海港城市马拉开波市。大桥连接马拉开波湖东西两岸，将马拉开波湖周边地区的公路网连为一体，是世界上第一座公路预应力混凝土斜拉桥，第二座现代斜拉桥。该桥为六塔双索面稀索体系双箱单室预应力混凝土箱梁斜拉桥，24组拉索从塔顶拉向桥面，桥塔纵向为A形，横向为门字形，下塔柱另有X形墩向上支撑桥面。马拉开波桥主桥共有5孔，跨径235米，宽17.4米，塔高86.6米，梁高5.4米，最高处距水面45米，全桥长8.7公里，由意大利结构专家工程师莫兰第（Rieca do Morandi）于1957年设计，1958年动工，1962年建成通车，其造型结构是受到英国福斯桥（图5）的启发，并改造成斜拉索体系。


    Q14于Q41不同，Q14是体外预应力桥，以梁的特征为主。

    (2)此外，收集到Q41——老挝的日本桥资料（图6），“矮塔”而且“拉索集中”锚在跨中三分点附近。从构件组合来看，索减小梁的弯矩，有“去梁”的趋势，进入了索桥的范畴，保留着梁的特征。其施工方法也与常规斜拉桥不同（图7），继承了梁式桥传统的桁式挂篮架设工法。此后进化为典型的矮塔斜拉桥——部分斜拉桥。

    Q41这种结构可以用在悬臂梁桥、连续梁桥、刚构桥加固，已有工程实例。安徽省也曾对五河淮河大桥主桥5×90m跨径的T形刚构桥（挂孔长30m）计划过这种加固方案。由于块件拼装缝开裂、混凝土老化，对老桥残存承载能力判断不确定，也就是悬臂梁与拉索共同承载时怎样设定悬臂梁的总体残余刚度。怎样才能恰到好处，使拉索既能帮助T构共同受力，又不至于起反作用扩大老桥已产生的损伤导致中断交通？斟酌再三最终作罢。

    2．混合法

    20世纪后期，又有了进一步发展，在表1的基本桥型上再进一步采用“串联、并联”方式的“混合法”，构成混合式桥梁，有几个实例，在此逐一介绍分析如下。

    2.1并联式混合法

    两种形式的桥共同而且各自支撑着同一段桥梁行车道称为并联混合法。两种支撑作用是耦合的，由变形协调条件决定着他们分摊的作用。

    2.1.1.连续梁+系杆拱

    图8中的杭州钢河桥就是连续梁桥和系杆拱的并联混合式桥梁，连续梁和系杆拱共同支承车道系，随着拱和梁的刚度变化，协调分配承担比例。连续梁中孔L=130m；根部梁高4m，L/32.5；跨中梁高2.5m，L/52；端部梁高2m。拱矢跨比L/4.75；吊杆间距5.8m，1860MPa的GJ15—27钢绞线。全支架施工，一次落梁。

    当连续梁根部梁高为L/35—L/25，可以承受全部或一部分自重，边孔可为0.35L至0.45L，大大小于连续梁的合理边跨比，节约非跨河桥梁长度。这种桥型是可以根据边孔跨径长度不同，采用全悬臂或部分长度悬臂法施工；在采用部分长度悬臂法时，可以在主跨中部辅以河中临时支架。


    2.1.2．斜拉索+悬索桥

    斜拉悬索桥约有40至50余座，大多在19世纪修建，跨径不大。其中比较知名的Brooklyn桥是用斜拉索加固悬索桥，初衷不是斜拉悬索桥。现代斜拉悬索桥以贵州乌江大桥为代表。见表2和图9。


    图10中的布鲁克林桥就是悬索桥用斜拉索加固的实例；图9贵州乌江大桥是1997年建成的世界第一座现代吊拉混合桥(斜拉悬索桥)，跨径为66+288+66(m)。他们由吊索和斜拉索共同而且各自支撑着行车道梁。吊索和斜拉索作用是耦合的，由变形协调条件决定着他们分摊的作用。吊拉混合桥还有更大跨径的设计方案（图11），但是由于吊——拉过渡段应力变化复杂，尚未实施。

    2.1.3． 斜拉索+中承式拱桥

    图12中马来西亚跨径300m的Seri Saujana 桥，就是由中承式拱和斜拉桥共同而且各自支撑着行车道梁。中承式拱吊索和斜拉索作用是耦合的，由变形协调条件决定着他们分摊的作用。


    2.2．串联式混合法

    两种形式的桥各自支撑着一段桥梁行车道称为串联混合法。两种支撑作用不一定是耦合的，他们分摊作用是明确的。

    2.2.1．T构+系杆拱桥

    图13是于2007年建成的重庆菜园坝桥，主跨420m，就是在两个互相分离的三角形T构之间安放一个系杆拱桥。T构和系杆拱各自支撑一段行车道，互不耦合。

    2.2.2．斜拉+自锚悬索桥

    图14是于2008年建成的常州龙城桥桥，跨径72+114m，一跨是斜拉桥，一跨是自锚索索桥。二者各自支撑一段行车道，虽然通过桥塔有微弱的耦合作用，但他们的荷载分摊作用是明确的。（未完待续）

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