局部斜拉橋設(shè)計分析
2018-04-02
前言
由于目前局部斜拉橋命名和界定問題比較混亂，該橋型的名稱筆者認(rèn)為其中文合理名稱為“局部斜拉橋”，英文名稱為“Partially Cable-stayed Bridge”，也有資料稱其為部分斜拉橋。部分斜拉橋在國外慢慢成為一種比較流行的新型結(jié)構(gòu)，而在國內(nèi)這種橋梁的發(fā)展還處于起步階段，這種結(jié)構(gòu)的很多方面還待于研究。近幾年，在國內(nèi)不管是在斜拉橋還是在連續(xù)橋的設(shè)計和施工方面都達(dá)到了一個較高的水平，大部分專業(yè)人員對斜拉橋和連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)和受力方面都有了很好的把握。
1、部分斜拉橋的特點
部分斜拉橋是介于梁式橋和斜拉橋之間的剛?cè)嵯酀?jì)的新的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其具有獨特的優(yōu)點：(1)部分斜拉橋主梁的高跨比介于斜拉橋和連續(xù)梁橋之間，布置在跨線橋位上，具有較小的建筑高度，減少橋梁長度，為經(jīng)濟(jì)橋型。(2)部分斜拉橋橋塔高度只有一般斜拉橋的橋塔高度的1/2，大大節(jié)約橋塔造價。(3)部分斜拉橋索塔較矮，主梁剛度較斜拉橋大，塔頂水平位移和主梁豎向撓度較斜拉橋小，亦可以說部分斜拉橋的整體剛度較斜拉橋大，因此部分斜拉橋不用設(shè)置斜拉橋的重要特征構(gòu)件-端錨索來增大結(jié)構(gòu)剛度，邊跨可以設(shè)置有較大的無索區(qū)段。(4)部分斜拉橋與一般斜拉橋相比，由于主梁剛度較大，斜拉索在主跨跨中和邊跨邊部設(shè)置有明顯的無索區(qū)段。 (5)部分塔斜拉橋斜拉索應(yīng)力變化幅度為一般斜拉橋斜拉索應(yīng)力變化幅度1/3左右，由此，可提高橋梁抗疲勞性能，尤其用于荷載大，通車密度大的鐵路橋，有它的突出優(yōu)點。(6)部分斜拉橋與同跨度連續(xù)梁橋在施工上比，由于斜拉索的存在，可以利用斜拉索進(jìn)行懸臂架設(shè)。與同跨徑的一般斜拉橋比，可減少橋塔和斜拉索的施工工程量。
2、部分斜拉橋的界定和索梁剛度比研究
部分斜拉橋作為一種介于連續(xù)梁橋和常規(guī)斜拉橋間的新型橋梁，引起了越來越多的業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。但對于該橋型的命名和界定卻不盡統(tǒng)一，這對更好的應(yīng)用和發(fā)展這種結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有任何好處。對于一種橋型的命名，應(yīng)該從這種橋型的基本特點出發(fā)。對于部分斜拉橋來說，在結(jié)構(gòu)性能上，斜拉索僅承擔(dān)部分荷載，大部分的荷載由主梁承擔(dān)，相對于荷載全部由斜拉索承擔(dān)的斜拉橋而言“部分斜拉”即源于斜拉索承擔(dān)荷載的程度。
與斜拉橋相比，部分斜拉橋主梁具有較大的剛度，同時斜拉索對主梁具有彈性支承作用，豎向外荷載由主梁和斜拉索共同承擔(dān)，以梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載作用。索對具有一定剛度的主梁起加勁作用，可以理解為真正意義上的彈性支承連續(xù)梁橋。每根索皆為一個彈性支承，使主梁所受彎矩與無斜拉索作用的連續(xù)梁相比得以減小。常規(guī)斜拉橋拉索的彈性支承作用計算方法是假定豎向力皆由斜拉索單獨承擔(dān)的條件下推導(dǎo)的出的，與部分斜拉橋主梁具有一定剛度，豎向外荷載由拉索和主梁共同承擔(dān)的條件不一致，為此應(yīng)尋求部分斜拉橋斜拉索剛度和主梁剛度的關(guān)系。
部分斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，要精確表達(dá)其剛度比較困難，故以其拉索和主梁的豎向剛度來表示該構(gòu)件的剛度。索梁剛度比由結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，因此可根據(jù)已知的部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)就可以計算出索梁剛度比，而不必進(jìn)行有限元分析。
結(jié)構(gòu)的剛度與結(jié)構(gòu)的支承條件存在著密切的關(guān)系，以下將按照部分斜拉橋常見的幾種體系推導(dǎo)部分斜拉橋的索梁剛度比，在推導(dǎo)過程中假定主梁為等截面、等剛度梁。對于多跨的情況，選取主跨為研究對象。
對于給定的斜拉橋，其索梁剛度比取決于斜拉索的軸向剛度、主梁的抗彎剛度、塔的高度和斜拉索的傾角。上述四個參數(shù)中，塔的高度和斜拉索的傾角是線性正相關(guān)的，可以作為一個量來考慮。這樣對于給定的跨徑來說，索梁剛度比有這三個斜拉橋體系的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，因此索梁剛度比的概念可以反映這種體系的整體力學(xué)特征和外形特征。對于部分斜拉橋單塔結(jié)構(gòu)體系和雙塔結(jié)構(gòu)體系，比較了他們在不同支承條件下這三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對索梁剛度比的影響。
3、概念設(shè)計的原理
橋梁的概念設(shè)計是橋梁工程前期工作中的一個十分重要的環(huán)節(jié)，它決定了橋梁的總體布置和主要構(gòu)造的格局，對橋梁的美學(xué)價值、結(jié)構(gòu)安全性能、可施工性以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，甚至建成后的耐久性、可養(yǎng)護(hù)性、可檢查性等都有決定性的影響，所以概念設(shè)計也被譽為橋梁設(shè)計之魂。
橋梁的概念設(shè)計是一個創(chuàng)新的過程，但是，現(xiàn)在這個必需過程逐漸被工程師們忽略，代替的卻是單一的、重復(fù)的、類似的設(shè)計[68]。在計算機(jī)輔助設(shè)計高度發(fā)展的今天，人在設(shè)計中的地位應(yīng)該如何定位，顯然，計算機(jī)的任務(wù)只是把工程師們從機(jī)械的運算中解放出來，工程師們應(yīng)該把主要精力放在機(jī)器不能解決的問題上，通過主觀分析得到結(jié)論。
概念設(shè)計是一個項目建設(shè)的雛形和成形階段，它的準(zhǔn)確定位對于整個項目的成敗起著關(guān)鍵作用。其整體構(gòu)思創(chuàng)意的過程，往往決定著綜合矛盾的解決方向和主導(dǎo)思路，在這個階段要考慮幾乎所有的建筑問題，并對他們提出相應(yīng)的解決方法。
4、概念設(shè)計的步驟
概念設(shè)計是橋梁設(shè)計師構(gòu)思創(chuàng)意的過程，往往決定著主要矛盾的解決方向和主導(dǎo)思路。概念設(shè)計的思維過程是由不清晰到逐漸清晰的非線性過程，盡管其中有著相當(dāng)程度的不確定性、模糊性和重復(fù)性，但總的趨勢一定是呈現(xiàn)出從模糊到清晰的漸變特征。
4.1目標(biāo)和方向的確定
概念設(shè)計的規(guī)律同樣是一個發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的規(guī)律，概念設(shè)計過程的最大任務(wù)在于發(fā)現(xiàn)問題的過程，而不僅僅是過早的確立目標(biāo)，當(dāng)然更不是簡單地滿足任務(wù)書的一份答卷，它不同于科學(xué)問題的解決過程，它不僅要尋求途徑，同時要提出目標(biāo)。經(jīng)過準(zhǔn)備階段后，就要把握問題的實質(zhì)，確立設(shè)計目標(biāo)。在眾多的設(shè)計問題之中，總有主次之分，對于同一矛盾也包含有矛盾的主次方面。
4.2概念的形成階段
確定構(gòu)思需要達(dá)到的目標(biāo)或?qū)δ硞€問題的解決提出大致的方向還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要針對這個目標(biāo)和方向提出初步的建筑構(gòu)思，也即把這種設(shè)計設(shè)計目標(biāo)“物化”成某種建筑意象。概念形成階段所形成的建筑意象與最終的建筑形象有所不同，它只是所確定的目標(biāo)基礎(chǔ)上的一種或多種較模糊的建筑構(gòu)想。
4.3概念設(shè)計的基本原則
概念設(shè)計的原則對做好結(jié)構(gòu)概念設(shè)計有著重要的指導(dǎo)作用，一般來說有如下幾點：(1)三維構(gòu)思原則，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計要對其所涉及的各個方面作全面考慮。包括建筑、結(jié)構(gòu)和施工方面的考慮。這三個方面的考慮構(gòu)成了概念設(shè)計的三維構(gòu)思。（2）功能協(xié)調(diào)原則，概念設(shè)計應(yīng)該盡可能做到結(jié)構(gòu)、建筑和施工手段的功能協(xié)調(diào)，以便取得盡可能大的效能和盡可能多的效益。（3）實際出發(fā)原則，概念設(shè)計必須從實際出發(fā)處理所遇到的各種問題。要認(rèn)真考慮當(dāng)?shù)毓逃械淖匀粭l件，如氣候、地質(zhì)條件等；當(dāng)?shù)貧v史形成的人文條件，如文化背景等（4）精益求精原則，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計往往是多種方案比較選優(yōu)的過程，在思維上，既要有縱向思維，還要有橫向思維，就是要從多方面去思考。
5、結(jié)語
本文主要針對部分斜拉橋的界定問題和概念設(shè)計展開系統(tǒng)、全面的研究，本文認(rèn)為要將結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計當(dāng)成一個設(shè)計過程來看待，也就是對工程的設(shè)計要求、地區(qū)規(guī)劃、地理環(huán)境、材料供應(yīng)、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析。本文對部分斜拉橋的界定和概念設(shè)計作了較為詳細(xì)的分析和總結(jié)，希望可以對以后的研究有所幫助。
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