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两百年来桥梁的进展和本世纪的展望——多跨索桥
2013-12-27 
多跨悬索桥和多跨斜拉悬索桥早有修建,但是很少见。近代多跨索桥为解决塔的内力和位移过大的缺陷,都在塔顶设置一对稳定索,锚在边墩或地锚中。现代多跨索桥而是依靠足够刚劲的中塔或内部结构刚度组合来抵抗水平力差,取消了塔顶稳定索。

  1.多跨悬索桥

  图1中的近代6跨自锚悬索桥,有两套互相独立的索系——悬吊索系和稳定索系,致使塔顶鞍座构造复杂,稳定索和悬索的内力分配也需要设定组合,限制了这种桥型的使用。

  现代多跨悬索桥,以马鞍山长江大桥和泰州长江大桥开创了新纪元(图2、图3),中塔的刚度和柔度匹配、所在中塔鞍座上的滑动约束成为这种桥型的技术关键。至此可以设想把悬索桥推广到更多跨径,以至于其跨越能力无限。
  
   
  
  
  
  图1.Montjean-sur-Loire 桥
 
   泰州长江大桥钢结构中塔的下段顺桥向采用了人字形,底部双肢中距35m,借以提高中塔的刚度。马鞍山长江大桥上塔柱采用钢结构,下塔柱采用中空混凝土结构,底部外宽25m,借以提高中塔的刚度,上(钢)下(砼)塔柱之间用无粘结预应力钢绞线连接。
  
  图2 马鞍山长江大桥
  
  图3 泰州长江大桥
 
  2.多跨斜拉悬索桥
   近代多跨斜拉悬索桥更少见,索系比多跨悬索桥更复杂,这种桥型有三个索系——斜拉索、悬索、稳定索,都交会到塔顶的鞍座上(图3)。复杂的鞍座和三个索系内力的分配,限制了它的使用,至今未见到更多的实例。但是,多跨现代斜拉桥已有修建,有的设有稳定索,有的不设稳定索,主要取决于设计者对塔稳定性的理解与构思。
  
  
  图3 Ingrandes桥
 
  3.多跨斜拉桥

  近代多跨斜拉桥的稳定处理手段多样化,有采用刚性塔(图4)、稳定索(图5)、塔梁固结的部分斜拉桥(图7)等增加稳定性的外部方法。但是,(1)多面体的刚性塔造型要别致,否则显得呆笨,比较图4两座桥,就有所体会;(2)稳定索显得索面紊乱,视觉效果较差;(3)部分斜拉桥结构机理已经偏离传统斜拉桥范畴,接近于体外预应力加强的(变截面)连续刚构或(变截面)连续梁。现代风格的多跨斜拉桥多从内部结构刚度组合入手,比较典型的有岳阳洞庭湖桥和夷陵长江桥。
  
 
  (1)岳阳洞庭湖桥(图6)
采用了内部刚度组合法提高桥梁的整体刚度,即控制背索索距、中跨压重、增加尾索刚度、调整中塔和主梁刚度比有效的解决了多跨飘浮斜拉桥的稳定课题。

  (2)夷陵长江桥(图8)采用两个措施提高整体稳定性,(l)每侧三个小边跨提高整体稳定性,边跨分别为38.08+38.5+43.5米和38.35+38.5+43.5米,边跨变形非常小,充分发挥了边跨锚索的尾索效应,大大提高了结构体系刚度。(2)主梁采用混凝土梁,自重较大,相应斜拉索面积也较大。斜拉索用量的增加对提高体系刚度作用甚大。加设辅助墩和采用混凝土主梁是本桥获得较大体系刚度的最有效措施。如果取消辅助墩,除非采取其它的加劲措施,否则因梁塔在活荷载作用下将产生过大的内力而使方案难以经济合理地实现。如果采用钢主梁,即使设有辅助墩,因主梁重量大幅降低,相应斜拉索用量减少,体系刚度下降,难以实现经济上的合理性。适当的桥梁体系刚度还可以减小基础受力。可见,桥梁体系刚度是三塔斜拉桥设计中的最关键问题,夷陵长江大桥设计就是从研究桥梁体系刚度入手,通过结构的合理选配,取得最经济合理的结果[2]。
  
 
  图注:日新桥(Nhat Tan Bridge)位于越南首都河内,是为纪念升龙—河内建城千年而修建的一座横跨红河(Red River)的多塔连续组合梁斜拉桥。该桥全长3900米,其中正桥长1500米,共设五座高100余米的钢筋混凝土桥塔,主跨300米,宽33.2米,是越南最大且最现代的斜拉桥。这座大桥于2009年8月动工,预计2012年7月建成。
  
  
  
  
  
 
  参考资料

  [1]中国公路学会桥梁和结构工程分会.面向创新的中国现代桥梁.人民交通出版社.2009.

  [2]邓青儿.夷陵长江大桥三塔斜拉桥上部结构设计. 中国建筑文摘.
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