西堠门大桥
在大跨度桥梁需求日益增加的今天，以方便文明建设的需要，斜拉桥和悬索桥是常用于大跨度桥梁的结构体系。采用高强度索支撑是实现超长桥梁的可行方案, 斜拉桥中的斜拉索使桥的刚度得到了提高，悬索桥通过加劲梁可实现更大的跨度。缆索承重桥梁的使用跨度通常在200m到2000m之间，其最大跨度是由所用材料的强度、桥梁的刚度和所用材料的密度决定。在斜拉桥和悬索桥的设计与分析中，高强度钢丝由于优越的抗拉性能，是主要考虑的材料。在缆索承重桥梁中，优点是结构体系使用材料的方式，其结构形式在性能方面起着重要作用。
然而，随着工程实践的累积，结构形式、材料工艺和分析方法等方面的创新，为大跨度缆索承重桥梁体系的进一步发展提供了新的思路。通过将斜拉桥和悬索桥相结合，一种新型的斜拉-悬索协作体系，可为桥梁的建设提供“性能更优 成本更低”的双赢成果。
缆索承重桥梁体系的迭代
悬索桥的发展始于18世纪，从19世纪初开始，悬索桥在跨径上有了快速发展，自1930年以来，已完全占据了大跨径桥梁范围。如1931年建造的美国乔治·华盛顿大桥，主跨1066米；1937年建造的美国金门大桥，主跨1280米；1981年建造的英国亨伯尔大桥，主跨1410米；1997年建造的丹麦大带东大桥，主跨1624米；以及1998年建成的日本阿卡西-凯京大桥，主跨1991m。
在悬索桥的结构中，桥面是由竖向吊索支撑，与主缆相连。主缆在索塔处支承，并锚固在端部。而在斜拉桥的结构体系中，斜拉索的布置主要取决于结构材料、地基中的土体类型、主跨长度、结构设计的创新四个方面。桥面由斜拉索支撑，斜拉索另一端连接在塔上。
直接由桥塔支撑的斜拉索被拉伸到足以提供主梁所需的横向稳定性，由主缆支撑的吊杆，在垂直方向支撑主梁。因此，在同一桥梁体系中加入两根主缆，可以同时发挥拉索和吊索的优点。Dischinger、Roebling、Gimsing和Steinmann等桥梁大师开创了在同一结构中使用斜拉索和竖直吊杆的先河。1920年后，美国布鲁克林大桥通过在同一结构体系中引入斜拉索和吊索进行了修复。
葡萄牙萨尔扎尔桥、法国坦卡维尔桥等桥梁也通过在同一结构体系中引入拉索和吊杆进行了修复。通过研究，可以看出斜拉-悬索协作体系在同一座桥梁中具有增强结构体系性能的特性。这也证明了斜拉-悬索协作体系桥梁是缆索承重桥梁的创新形式，用于改善结构性能，我国在1997年建成了第一座主跨288m的斜拉-悬索混合梁桥。
法国坦卡维尔桥
英国亨伯尔大桥
经济与性能双管齐下的组合式结构
通过将悬索和斜拉两种体系的桥梁缆索承重体系结合，可实现新的桥梁体系。为了在桥梁体系中实现超大跨度，斜拉-悬索混合体系将成为一种极具吸引力的替代桥梁体系。将吊杆的荷载转移到悬索桥的主缆上，在斜拉-悬索协作体系中，桥面也由斜拉索支撑。因此，与相同跨度的悬索桥相比，主缆中的张力大大降低。在架设桥梁期间，有效缩短了悬臂，从而提高桥梁在施工期间的风稳定性。并且，对相同跨度的悬索桥而言，由于主缆和大型锚具的成本有效降低，因此组合式桥梁体系可降低项目的总体成本。由于主跨的增加消除了在水中施工的困难，即使在软土地层中也可进行施工。斜拉索支撑的桥梁部分缩短了，从而减少了桥面的轴向力、斜拉索长度和索塔高度。组合桥梁体系节省了桥面材料，提升了其经济，并可在悬索和斜拉部分采用不同的材料。悬索桥部分可采用轻型钢箱梁，斜拉桥部分可采用预应力混凝土梁。
常规荷载设计的斜拉-悬索协作体系本质上是柔性的，对风、地震荷载非常敏感。通过确定准静态风或地震效应的分析，长跨径或超长跨径桥梁表现出明显的动力特性，桥梁的动力特性取决于结构的质量、刚度、频率、几何形状和阻尼等，这些特性往往与桥梁的型式和主跨有关。
在SAP2000 V14软件中，通过对1400m主跨地锚斜拉-悬索协作体系桥梁进行建模分析，可看出边跨辅助墩支撑对桥梁力学行为的影响情况。
设定桥梁主跨长度为1400m，边跨长度700m，桥塔高度为258.98m，斜拉-悬索协作体系的悬索部分与主跨的比值为0.5，为了提高缆索承重桥梁的竖向弯曲刚度，多数情况下可在边跨中设置几个辅助墩。
以设置0-3个辅助墩来看，增加辅助墩的数量可以有效地缩短桥梁的振动周期。仅设置1个辅助墩支撑时，横向、纵向和竖向的振动周期分别减少1.00%、3.65%和2.11%。设置3个辅助墩支撑时，横向、纵向和竖向的时间周期分别减少1.59%、4.01%和2.3%。设置1个和3个辅助墩支撑，塔的弯曲振动周期分别减少1.06%和4.98%。由此可以看出，通过设置辅助墩支撑，桥面和桥塔的垂直方向性能得到了最大限度的提高，因此，辅助墩支撑可以有效地提高桥的竖向抗弯刚度。
随着斜拉桥、悬索桥和斜拉-悬索协作桥梁结构演变的发展，可以看出，协作体系能够提供更大的刚度，以及为悬索桥体系提供更大的跨度。在桥梁性能方面，通过对斜拉-悬索协作体系桥梁的建模分析，无量纲几何参数分析显示斜拉-悬索协作桥梁具有广阔的应用前景。其中，辅助墩支撑的设置对斜拉-悬索协作体系桥梁的竖向弯曲性能起着重要作用, 仅提供1个辅助墩支撑，便能有效地减少约3.65%的振动周期。而其组合式的结构形式，为材料的应用提供了更多的选择性，节省了桥面材料，直接降低了工程的造价成本。
本文刊载 / 《桥隧产业》杂志 2022年 4月刊 总第48期
文章来源 / IOP Conference Series:Materials Science and Engineering
编译 / 张永涛
作者单位 / 中交第二航务工程局有限公司
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