一种自锚式悬索桥的结构研究
2018-03-26
自锚式悬索桥结构新颖，外观造型美观，近年来较为广泛地应用到城市桥梁中。随着中小跨径的自锚式桥梁的发展，在一些的特定条件下，需要对常规的三跨自锚式悬索桥结构造型进行一些调整。本文将讨论边跨无吊杆的自锚式悬索桥的受力特点，并通过计算，对多种的边跨跨度的桥型进行比较，给出合理可行的跨度的范围。同时根据计算分析给出边跨无吊杆的自锚式悬索桥的极限跨度。
1 结构受力特点
边跨无吊杆自锚式悬索桥与常规的三跨自锚式悬索桥结构比较，在以下基本方面有其特点：
1.1 端锚块
自锚式悬索桥是通过梁端的锚块将主缆的拉力转换成主梁的轴力和竖直向上的拉力。水平向轴力为主梁提供轴压力，作用效果类似预应力。常规的自锚式悬索桥可以通过转索鞍和吊杆的共同作用，改变主缆对主梁作用力的角度，进而改变主缆拉力对主梁的轴力和竖直向上的拉力的比例。主缆与主梁夹角越小，主缆对主梁的轴压力就越大，反之则越小。对于边跨无吊杆的自锚式悬索桥，边跨主缆线形无法调整，因此当边跨跨径和主塔塔高确定的情况下，边跨主缆的线形也就是确定的。通常情况下，边跨无吊杆自锚式悬索桥的主缆与水平向夹角大于常规自锚式悬索桥，因此通常需要体积比较大的边跨锚块压重进行平衡。
1.2 主梁
整个自锚式悬索桥的主梁受力结构是一个边跨跨径比较大的多跨连续梁结构。因此，若主梁采用相同的截面，则边跨主梁通常需要设置预应力，以满足恒载和运营荷载的作用。中跨主梁与常规自锚式悬索桥受力基本相同。
1.3 主塔
运营阶段主塔的应力幅要稍大于常规自锚式悬索桥的应力幅。施工阶段通过合理的施工顺序，可以实现主塔的控制应力满足规范要求。
1.4 主索鞍
由于边跨无吊杆的作用，因此边跨主缆由空缆线形张拉至成桥线形的过程中只有两种途径，一是通过索鞍顶推，二是在主缆锚固端张拉主缆。因此，如果单纯依靠顶推索鞍，则索鞍顶推距离将比较大，甚至会大于主塔纵向尺寸的1/2。对于跨度比较的此类桥型，需要将索鞍顶推和锚固端主缆张拉相结合。主缆张拉的过程中也要配合吊杆的张拉。在施工控制的过程中，特别是张拉初期，要特别注意主缆和主索鞍之间的摩擦力。严防主缆和主索鞍之间的相对滑动。
2 边跨合理跨径的讨论
从主梁结构受力的角度上考虑，边跨比较合理的应该为30～50米。但是边跨的跨度大小与中跨的跨度矢高以及主梁截面等因素有关。若只考虑边跨梁端锚块的压重，边跨主缆的倾斜角度越小，产生的竖直方向分力就越小，需要的梁端就越小。因此，边跨主梁的跨度越大，越有利于梁端压重。当中跨跨度和矢高确定时，根据H=ql2/8f，边跨主缆的水平拉力也是确定的，所以边跨主缆的拉力仅与主缆的倾斜角度有关。
tanθ= h/L2
其中h为主梁与索鞍之间主塔高度
L2为边跨跨度
θ为边跨主缆与水平方向夹角
即边跨主梁的跨度与边跨主缆的倾角的正切值成反比。除了考虑梁端的横梁的压重外，还需考虑边跨主梁的纵向受力情况、主塔的受力情况以及整个结构在汽车等活载作用下的性能。本文以一中跨为120m，矢高20m，梁宽18m的自锚式悬索桥为例，分别采用30m、40m、50m的边跨跨径，对应的几种考虑因素的情况：
上表中，压重为扣除主梁重量后增加的混凝土重量。通过比较可知，梁端压重的重量，随着边跨的跨径的加大不断减小。边跨主梁、主塔的最大弯矩与边跨主梁的跨径不接近线性关系。在40m左右为最小值。
中跨主梁在汽车荷载作用下的竖向变形值，随着边跨跨径的增大逐渐减小。因此在对于边跨无吊杆的自锚式悬索桥确定边跨的跨径时，应考虑各个影响因素。综合各个因素考虑，比较合理的跨径范围应该为0.3～0.4L1比较合适。L1为中跨的跨径。
3 中跨合理跨径的讨论
根据边跨的跨径的合理范围的讨论，边跨无吊杆自锚式悬索桥边跨的压重混凝土的重量主要取决于中跨重量。因为压重混凝土的体积不可能无限制的增大，因此也就决定了此类自锚式悬索桥只能适用于中小跨度的自锚式悬索桥。对于跨度大于150米的混凝土自锚式悬索桥，其梁端压重块的体积将过于庞大，影响结构美观，也影响结构的经济性。中跨采用钢结构主梁可以降低边跨混凝土压重量。
4 压重处理
边跨梁端压重是边跨无吊杆自锚式悬索桥需要重点考虑的因素之一。增大梁端压重混凝土的重量一般是通过增加梁端主梁的梁高来实现。但是当梁高高于5米后，对结构的美观和施工都存在很大影响。可以考虑增加压重块的梁长，特别是边跨支撑点后的梁长，最有效的增加压重混凝土对边跨支点的力矩。此外还可以通过调整主缆的锚固位置，来增大边支点的反力，也可以减小混凝土的压重量。
5 结语
边跨无吊杆的自锚式混凝土悬索桥适合中跨跨度比较小的中小跨度结构。其跨径布置时应重点考虑边跨梁端压重、边跨主梁以及主塔的受力等因素。混凝土结构中跨不建议大于150m，边跨跨径建议为0.3～0.4倍中跨跨径为宜。中跨采用钢梁结构，边跨采用混凝土梁，对于此类桥型是比较适宜的结构。
参考文献
1 刘健新等. 大跨度吊桥. 人民交通出版社，1995
2 钱冬生等. 大跨悬索桥的设计与施工. 西南交通大学出版社，1992
3 张哲.混凝土自锚式悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2005.
4 周孟波.悬索桥手册[M].北京：人民交通出版社，2003.
