局部斜拉桥设计分析
2018-04-02
前言
由于目前局部斜拉桥命名和界定问题比较混乱，该桥型的名称笔者认为其中文合理名称为“局部斜拉桥”，英文名称为“Partially Cable-stayed Bridge”，也有资料称其为部分斜拉桥。部分斜拉桥在国外慢慢成为一种比较流行的新型结构，而在国内这种桥梁的发展还处于起步阶段，这种结构的很多方面还待于研究。近几年，在国内不管是在斜拉桥还是在连续桥的设计和施工方面都达到了一个较高的水平，大部分专业人员对斜拉桥和连续梁桥的结构和受力方面都有了很好的把握。
1、部分斜拉桥的特点
部分斜拉桥是介于梁式桥和斜拉桥之间的刚柔相济的新的桥梁结构形式，其具有独特的优点：(1)部分斜拉桥主梁的高跨比介于斜拉桥和连续梁桥之间，布置在跨线桥位上，具有较小的建筑高度，减少桥梁长度，为经济桥型。(2)部分斜拉桥桥塔高度只有一般斜拉桥的桥塔高度的1/2，大大节约桥塔造价。(3)部分斜拉桥索塔较矮，主梁刚度较斜拉桥大，塔顶水平位移和主梁竖向挠度较斜拉桥小，亦可以说部分斜拉桥的整体刚度较斜拉桥大，因此部分斜拉桥不用设置斜拉桥的重要特征构件-端锚索来增大结构刚度，边跨可以设置有较大的无索区段。(4)部分斜拉桥与一般斜拉桥相比，由于主梁刚度较大，斜拉索在主跨跨中和边跨边部设置有明显的无索区段。 (5)部分塔斜拉桥斜拉索应力变化幅度为一般斜拉桥斜拉索应力变化幅度1/3左右，由此，可提高桥梁抗疲劳性能，尤其用于荷载大，通车密度大的铁路桥，有它的突出优点。(6)部分斜拉桥与同跨度连续梁桥在施工上比，由于斜拉索的存在，可以利用斜拉索进行悬臂架设。与同跨径的一般斜拉桥比，可减少桥塔和斜拉索的施工工程量。
2、部分斜拉桥的界定和索梁刚度比研究
部分斜拉桥作为一种介于连续梁桥和常规斜拉桥间的新型桥梁，引起了越来越多的业内人士的关注。但对于该桥型的命名和界定却不尽统一，这对更好的应用和发展这种结构形式没有任何好处。对于一种桥型的命名，应该从这种桥型的基本特点出发。对于部分斜拉桥来说，在结构性能上，斜拉索仅承担部分荷载，大部分的荷载由主梁承担，相对于荷载全部由斜拉索承担的斜拉桥而言“部分斜拉”即源于斜拉索承担荷载的程度。
与斜拉桥相比，部分斜拉桥主梁具有较大的刚度，同时斜拉索对主梁具有弹性支承作用，竖向外荷载由主梁和斜拉索共同承担，以梁的受弯、受压和索的受拉来承受竖向荷载作用。索对具有一定刚度的主梁起加劲作用，可以理解为真正意义上的弹性支承连续梁桥。每根索皆为一个弹性支承，使主梁所受弯矩与无斜拉索作用的连续梁相比得以减小。常规斜拉桥拉索的弹性支承作用计算方法是假定竖向力皆由斜拉索单独承担的条件下推导的出的，与部分斜拉桥主梁具有一定刚度，竖向外荷载由拉索和主梁共同承担的条件不一致，为此应寻求部分斜拉桥斜拉索刚度和主梁刚度的关系。
部分斜拉桥是高次超静定结构，要精确表达其刚度比较困难，故以其拉索和主梁的竖向刚度来表示该构件的刚度。索梁刚度比由结构参数决定，因此可根据已知的部分斜拉桥的结构尺寸及材料参数就可以计算出索梁刚度比，而不必进行有限元分析。
结构的刚度与结构的支承条件存在着密切的关系，以下将按照部分斜拉桥常见的几种体系推导部分斜拉桥的索梁刚度比，在推导过程中假定主梁为等截面、等刚度梁。对于多跨的情况，选取主跨为研究对象。
对于给定的斜拉桥，其索梁刚度比取决于斜拉索的轴向刚度、主梁的抗弯刚度、塔的高度和斜拉索的倾角。上述四个参数中，塔的高度和斜拉索的倾角是线性正相关的，可以作为一个量来考虑。这样对于给定的跨径来说，索梁刚度比有这三个斜拉桥体系的主要结构参数确定，因此索梁刚度比的概念可以反映这种体系的整体力学特征和外形特征。对于部分斜拉桥单塔结构体系和双塔结构体系，比较了他们在不同支承条件下这三个结构参数对索梁刚度比的影响。
3、概念设计的原理
桥梁的概念设计是桥梁工程前期工作中的一个十分重要的环节，它决定了桥梁的总体布置和主要构造的格局，对桥梁的美学价值、结构安全性能、可施工性以及经济指标，甚至建成后的耐久性、可养护性、可检查性等都有决定性的影响，所以概念设计也被誉为桥梁设计之魂。
桥梁的概念设计是一个创新的过程，但是，现在这个必需过程逐渐被工程师们忽略，代替的却是单一的、重复的、类似的设计[68]。在计算机辅助设计高度发展的今天，人在设计中的地位应该如何定位，显然，计算机的任务只是把工程师们从机械的运算中解放出来，工程师们应该把主要精力放在机器不能解决的问题上，通过主观分析得到结论。
概念设计是一个项目建设的雏形和成形阶段，它的准确定位对于整个项目的成败起着关键作用。其整体构思创意的过程，往往决定着综合矛盾的解决方向和主导思路，在这个阶段要考虑几乎所有的建筑问题，并对他们提出相应的解决方法。
4、概念设计的步骤
概念设计是桥梁设计师构思创意的过程，往往决定着主要矛盾的解决方向和主导思路。概念设计的思维过程是由不清晰到逐渐清晰的非线性过程，尽管其中有着相当程度的不确定性、模糊性和重复性，但总的趋势一定是呈现出从模糊到清晰的渐变特征。
4.1目标和方向的确定
概念设计的规律同样是一个发现问题并解决问题的规律，概念设计过程的最大任务在于发现问题的过程，而不仅仅是过早的确立目标，当然更不是简单地满足任务书的一份答卷，它不同于科学问题的解决过程，它不仅要寻求途径，同时要提出目标。经过准备阶段后，就要把握问题的实质，确立设计目标。在众多的设计问题之中，总有主次之分，对于同一矛盾也包含有矛盾的主次方面。
4.2概念的形成阶段
确定构思需要达到的目标或对某个问题的解决提出大致的方向还远远不够，还需要针对这个目标和方向提出初步的建筑构思，也即把这种设计设计目标“物化”成某种建筑意象。概念形成阶段所形成的建筑意象与最终的建筑形象有所不同，它只是所确定的目标基础上的一种或多种较模糊的建筑构想。
4.3概念设计的基本原则
概念设计的原则对做好结构概念设计有着重要的指导作用，一般来说有如下几点：(1)三维构思原则，结构概念设计要对其所涉及的各个方面作全面考虑。包括建筑、结构和施工方面的考虑。这三个方面的考虑构成了概念设计的三维构思。（2）功能协调原则，概念设计应该尽可能做到结构、建筑和施工手段的功能协调，以便取得尽可能大的效能和尽可能多的效益。（3）实际出发原则，概念设计必须从实际出发处理所遇到的各种问题。要认真考虑当地固有的自然条件，如气候、地质条件等；当地历史形成的人文条件，如文化背景等（4）精益求精原则，结构概念设计往往是多种方案比较选优的过程，在思维上，既要有纵向思维，还要有横向思维，就是要从多方面去思考。
5、结语
本文主要针对部分斜拉桥的界定问题和概念设计展开系统、全面的研究，本文认为要将结构的概念设计当成一个设计过程来看待，也就是对工程的设计要求、地区规划、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析。本文对部分斜拉桥的界定和概念设计作了较为详细的分析和总结，希望可以对以后的研究有所帮助。
参考文献：
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[3]刘世忠，欧阳永金；独塔单索面部分斜拉桥力学性能及建设实践，北京：中国铁道出版社，2006：1-19
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