三 跨 连 续 弹 性 支 撑 体 系 悬 索 桥 结 构 体 系 设 计 研 究 董 萌, 崔 冰, 王 潇 军 ( 中 交 公 路 规 划 设 计 院 有 限 公 司, 北 京 100088) [ 摘 要 ] 南 京 长 江 第 四 大 桥 为 主 跨 1 418 m 三 跨 连 续 悬 索 桥, 结 构 体 系 复 杂, 世 界 范 围 内 较 为 少 见 本 文 通 过 对 三 跨 连 续 体 系 悬 索 桥 矢 跨 比 索 塔 区 支 撑 纵 向 限 位 及 竖 向 限 位 的 比 较 研 究, 详 细 阐 述 了 该 结 构 体 系 的 受 力 特 点, 并 结 合 南 京 长 江 第 四 大 桥 的 实 际 情 况, 提 出 了 适 合 的 结 构 体 系 形 式 同 时, 三 跨 连 续 弹 性 支 撑 体 系 在 悬 索 桥 中 首 次 应 用, 具 有 创 新 意 义 [ 关 键 词 ] 南 京 长 江 第 四 大 桥 ; 弹 性 支 撑 ; 结 构 体 系 [ 中 图 分 类 号 ] U448.25 [ 文 献 标 识 码 ] A [ 文 章 编 号 ] 1009-1742(2013)08-0018-08 1 前 言 南 京 长 江 第 四 大 桥 位 于 长 江 江 苏 南 京 区 段 内, 在 南 京 长 江 第 二 大 桥 下 游 约 10 km 处, 距 长 江 入 海 口 约 320 km 主 桥 为 主 跨 1 418 m 三 跨 连 续 弹 性 支 撑 体 系 悬 索 桥, 其 结 构 体 系 典 型 特 点 为 : 三 跨 连 续 体 系 矢 跨 比 为 1 9 过 渡 墩 位 置 设 置 柔 性 限 位 拉 索 索 塔 下 横 梁 处 设 置 竖 向 弹 性 支 座 和 纵 向 限 位 约 束 ( 见 图 1) 当 前 最 大 跨 度 三 跨 连 续 悬 索 桥 是 丹 麦 [1] 的 大 贝 尔 特 桥,1998 年 8 月 通 车, 其 跨 径 为 535 m+ 1 624 m+ 535 m =2 694 m, 双 向 四 车 道 其 结 构 体 系 上 的 典 型 特 点 : 矢 跨 比 1 9; 三 跨 连 续 体 系 ; 跨 中 设 置 中 央 扣 ; 梁 端 设 置 液 压 缓 冲 器 ; 索 塔 位 置 加 劲 梁 为 全 飘 浮 体 系, 仅 设 置 横 向 抗 风 支 撑 矢 跨 比 的 选 择 主 要 基 于 经 济 性 的 考 虑, 采 用 三 跨 连 续 体 系, 有 利 于 减 小 加 劲 梁 在 风 荷 载 作 用 下 的 横 向 变 位, 减 少 伸 缩 缝, 便 于 养 护 管 理 ; 设 置 中 央 扣 和 液 压 缓 冲 器, 减 小 了 伸 缩 缝 的 规 模, 减 小 跨 中 短 吊 索 的 疲 劳 ; 该 桥 在 索 塔 位 置 加 劲 梁 支 撑 体 系 选 择 上 也 进 行 了 技 术 分 析, 认 为 竖 向 支 座 只 是 对 加 劲 梁 的 扭 转 起 作 用, 对 整 桥 的 空 气 动 力 稳 定 性 没 有 影 响, 故 而 采 取 了 全 漂 浮 体 系 另 外 还 有 瑞 典 高 海 岸 桥,1997 年 11 月 建 成, 其 跨 径 布 置 为 301 m+ 1 210 m+280 m= 1 800 m, 为 三 跨 连 续 全 漂 浮 体 系 悬 索 桥 图 1 主 桥 总 体 布 置 图 ( 单 位 :cm) Fig.1 Overall arrangement of main bridge(unit:cm) [2] 国 内 的 厦 门 海 沧 桥,1999 年 12 月 通 车, 其 跨 径 布 置 为 230 m+648 m+230 m=1 108 m 该 桥 主 要 从 结 构 特 点 养 护 及 行 车 条 件 等 方 面 对 三 跨 两 铰 悬 索 桥 三 跨 连 续 漂 浮 体 系 悬 索 桥 和 三 跨 连 续 支 撑 悬 索 桥 进 行 了 对 比, 最 终 选 择 三 跨 连 续 漂 浮 体 系 悬 索 桥 世 界 范 围 内 采 用 三 跨 连 续 体 系 的 悬 索 桥 并 不 多 见, 主 要 原 因 是 三 跨 连 续 体 系 较 简 支 体 系 受 力 状 态 复 杂, 对 计 算 分 析 架 设 控 制 要 求 高, 部 分 研 究 成 果 的 错 误 结 论 也 误 导 了 设 计 者 的 选 择 本 文 基 于 Ansys 程 序 的 二 次 开 发, 对 三 跨 连 续 体 系 悬 索 桥 的 结 构 体 系 进 行 比 较 研 究, 选 择 最 优 的 适 合 南 [ 收 稿 日 期 ] 2013-05-22 [ 作 者 简 介 ] 董 萌 (1980 ), 男, 河 南 唐 河 县 人, 高 级 工 程 师, 主 要 研 究 方 向 为 大 跨 度 桥 梁 ;E-mail:nj4q@163.com 18 中 国 工 程 科 学
京 长 江 第 四 大 桥 的 结 构 体 系 2 三 跨 连 续 结 构 的 选 择 南 京 长 江 第 四 大 桥 在 工 程 可 行 性 研 究 阶 段 结 合 建 设 条 件, 考 虑 到 桥 位 区 河 段 内 船 舶 密 度 大, 航 运 繁 忙, 桥 梁 结 构 应 选 择 大 跨 度 结 构, 并 尽 可 能 选 择 跨 越 有 效 通 航 水 域 为 宜 结 合 通 航 净 空 尺 度 论 证 及 综 合 比 选, 桥 型 选 择 上 确 定 以 悬 索 桥 作 为 南 京 长 江 第 四 大 桥 建 设 方 案 经 通 航 净 空 尺 寸 论 证, 南 京 长 江 第 四 大 桥 最 高 通 航 水 位 7.98 m, 主 通 航 孔 单 孔 双 向 通 航 净 宽 不 小 于 690 m, 其 净 空 高 度 不 低 于 50 m; 在 深 水 航 道 北 侧, 设 置 200 m 航 宽 推 荐 航 路, 供 吃 水 4.5 m 以 下 船 长 小 于 50 m 的 小 型 船 舶 上 行 使 用 ; 南 主 墩 布 设 距 离 金 陵 石 化 8# 码 头 前 沿 线 210 m 或 直 接 置 于 岸 上, 供 码 头 进 出 船 舶 使 用 ( 见 图 2) 图 2 跨 径 布 置 示 意 图 Fig.2 Sketch of span selection 布 跨 的 另 一 个 重 要 限 制 条 件 是 锚 碇 的 位 置, 为 确 保 大 堤 的 防 洪 安 全, 锚 碇 距 离 大 堤 不 小 于 100 m, 这 实 际 上 限 定 了 两 锚 间 的 最 小 距 离, 根 据 桥 位 区 地 形 条 件, 该 距 离 不 应 小 于 2 460 m 若 考 虑 单 跨 吊 悬 索 桥 方 案, 南 墩 应 置 于 岸 上, 其 合 理 的 跨 径 为 1 620 m 左 右 ; 若 采 用 三 跨 吊 悬 索 桥 方 案, 南 墩 墩 位 布 置 在 金 陵 石 化 8# 码 头 前 沿 210 m 位 置, 其 合 理 跨 径 1 418 m 左 右 考 虑 到 北 边 跨 处 于 水 域, 未 考 虑 两 跨 吊 悬 索 桥 方 案 在 初 步 设 计 阶 段, 对 上 述 两 种 跨 径 的 悬 索 桥 方 案 进 行 了 综 合 比 选, 三 跨 吊 悬 索 桥 方 案 全 面 优 于 单 跨 吊 方 案, 主 桥 建 安 费 分 别 为 18.67 亿 元 和 19.31 亿 元, 平 米 经 济 指 标 较 单 跨 吊 方 案 减 小 28 % 最 终 推 荐 三 跨 悬 索 桥 方 案 选 择 连 续 结 构 主 要 基 于 以 下 原 因 :a. 加 劲 梁 在 横 向 风 荷 载 作 用 下 位 移 较 小 ;b. 减 小 伸 缩 缝 支 座 及 阻 尼 器 数 量, 便 于 养 护 管 理 ;c. 索 塔 区 加 劲 梁 线 形 匀 顺, 行 车 舒 适 度 高 3 矢 跨 比 的 选 择 3.1 静 力 影 响 分 析 矢 跨 比 是 悬 索 桥 重 要 的 结 构 指 标, 其 优 化 选 择 对 桥 梁 整 体 受 力 性 能 和 经 济 性 影 响 重 大 表 1 对 1 9 和 1 10 两 种 矢 跨 比 进 行 了 对 比 分 析, 其 中 : Ⅰ: 南 京 长 江 第 四 大 桥 设 计 桥 型 结 构, 采 用 1 9 矢 跨 比, 相 关 参 数 与 设 计 完 全 一 致 限 制 位 移 表 示 对 主 梁 在 索 塔 位 置 进 行 纵 向 限 位, 为 便 于 对 比, 限 制 位 移 均 为 ±34 cm(Ⅱ Ⅲ 同 ); 纵 向 约 束 表 示 在 索 塔 位 置 约 束 主 梁 纵 向 荡 移 (Ⅱ Ⅲ 同 ); 纵 向 不 限 位 表 示 完 全 释 放 主 梁 纵 向 约 束, 可 自 由 荡 移 (Ⅱ Ⅲ 同 ); Ⅱ: 在 Ⅰ 基 础 上, 将 中 跨 主 缆 矢 跨 比 调 整 为 1 10, 其 余 参 数 均 不 调 整 ; Ⅲ: 在 Ⅰ 基 础 上, 将 中 跨 主 缆 矢 跨 比 调 整 为 1 10, 降 低 塔 高, 使 跨 中 吊 索 长 度 保 持 不 变, 同 时, 调 整 边 跨, 其 余 参 数 均 不 调 整 由 表 1 可 知 : 1) 主 缆 轴 力 在 恒 载 + 活 载 工 况 作 用 下 差 异 明 显, 较 1 9 矢 跨 比 跨 中 主 缆 最 大 轴 力 增 加 约 10.8 %, 相 应 地 成 比 例 增 加 了 主 缆 的 工 程 数 量, 同 时, 也 大 大 增 加 了 锚 碇 和 锚 固 系 统 的 规 模 ; 2) 由 Ⅰ Ⅲ 主 梁 活 载 挠 度 受 主 梁 纵 向 约 束 情 况 影 响 较 大, 纵 向 约 束 和 限 制 位 移 由 于 吊 索 倾 斜 提 供 的 水 平 力 减 小 了 主 缆 竖 向 挠 度 进 而 也 减 小 了 主 梁 竖 向 挠 度 ;Ⅱ 由 于 吊 索 长 度 加 长, 尤 其 中 跨 跨 中 吊 索 的 加 长, 消 弱 了 吊 索 倾 斜 对 主 缆 挠 度 的 影 响, 使 得 主 梁 纵 向 约 束 情 况 对 主 梁 挠 度 影 响 相 对 较 小 3) 由 Ⅰ Ⅲ, 各 工 况 主 梁 向 上 位 移 Ⅲ 明 显 小 于 Ⅰ, 但 向 下 位 移 差 异 较 小 在 设 置 限 制 位 移 条 件 下,Ⅲ 较 之 Ⅰ 主 梁 活 载 竖 向 位 移 极 值 向 上 减 小 约 13.6 %, 向 下 位 移 略 有 增 加 这 与 概 念 上 对 两 种 矢 跨 比 的 理 解 不 一 致, 实 质 上, 处 于 实 桥 结 构 体 系 中 的 主 缆 位 移 受 吊 索 传 递 的 竖 向 力 和 水 平 力 共 同 影 响, 在 塔 顶 位 移 相 差 不 大 的 情 况 下, 这 是 影 响 主 缆 表 观 刚 度 的 重 要 因 素 在 两 种 矢 跨 比 的 对 比 中, 主 梁 挠 度 实 质 上 反 映 的 是 主 缆 挠 度, 主 缆 挠 度 受 到 吊 索 传 递 水 平 力 影 响, 除 了 受 中 跨 吊 索 直 接 影 响 外, 还 受 到 边 跨 吊 索 的 间 接 影 响, 尤 其 是 短 吊 索 的 影 响 相 同 条 件 下 的 主 缆 竖 向 刚 度 大 于 1 9 矢 跨 比 的 主 缆 竖 向 刚 度, 但 放 在 结 构 体 系 中 的 结 构 表 现 未 必 如 此 2013 年 第 15 卷 第 8 期 19
Table 1 表 1 矢 跨 比 结 构 静 力 影 响 对 比 Static stess under various rise span ratios 项 目 工 况 跨 中 主 缆 最 大 轴 力 /kn 主 梁 活 载 竖 向 位 移 /m 对 应 节 点 水 平 位 移 /m 对 应 工 况 索 塔 水 平 位 移 /m 北 塔 南 塔 1 9 矢 跨 比 ( 限 制 位 移 ) 1.832 /-3.468 0.320( 向 中 跨 ) /-0.307( 向 边 跨 ) -0.009 /0.335-0.092 /-0.211 Ⅰ 1/9 矢 跨 比 ( 纵 向 约 束 ) 2.59E5 1.652 /-3.298-0.018( 向 边 跨 ) /0.029( 向 中 跨 ) -0.034 /0.343-0.098 /-0.190 1 9 矢 跨 比 ( 纵 向 不 限 位 ) 1.998 /-3.603 0.612( 向 中 跨 ) /-0.579( 向 边 跨 ) 0.004 /0.310-0.080 /-0.209 ( 限 制 位 移 ) 1.650 /-3.560 0.314( 向 中 跨 ) /-0.291( 向 边 跨 ) 0.022 /0.314-0.084 /-0.225 Ⅱ ( 纵 向 约 束 ) 2.88E5 1.567 /-3.494-0.026( 向 边 跨 ) /0.036( 向 中 跨 ) 0.024 /0.321-0.097 /-0.220 ( 纵 向 不 限 位 ) 1.682 /-3.578 0.446( 向 中 跨 ) /-0.409( 向 边 跨 ) 0.025 /0.318-0.082 /-0.233 1/10 矢 跨 比 ( 限 制 位 移 ) 1.582 /-3.480 0.321( 向 中 跨 ) /-0.299( 向 边 跨 ) 0.017 /0.320-0.091 /-0.220 Ⅲ ( 纵 向 约 束 ) 2.88E5 1.422 /-3.342-0.016( 向 边 跨 ) /0.025( 向 中 跨 ) -0.006 /0.339-0.097 /-0.211 ( 纵 向 不 限 位 ) 1.676 /-3.545 0.506( 向 中 跨 ) /-0.452( 向 边 跨 ) 0.026 /0.308-0.084 /-0.220 注 : 表 1 中 主 梁 活 载 竖 向 位 移 向 上 为 正, 向 下 为 负, 节 点 位 于 中 跨 北 半 跨 ; 对 应 节 点 水 平 位 移 至 取 得 最 大 活 载 竖 向 位 移 的 节 点 对 应 状 态 下 水 平 位 移 ; 索 塔 水 平 位 移 表 示 对 应 工 况 下 塔 顶 纵 向 位 移, 其 中 北 塔 正 值 南 塔 负 值 表 示 向 中 跨, 反 之 向 边 跨 3.2 动 力 影 响 分 析 通 过 对 两 种 矢 跨 比 主 梁 一 阶 对 称 竖 弯 扭 转 及 反 对 称 竖 弯 扭 转 的 对 比, 两 者 振 动 特 性 总 体 上 差 异 不 大, 但 矢 跨 比 增 大 提 高 了 结 构 整 体 的 抗 扭 刚 度, 一 阶 对 称 扭 转 1 9 矢 跨 比 明 显 具 有 优 势, 较 1 10 矢 跨 比 提 高 约 4.3 %, 这 对 结 构 抗 风 稳 定 性 是 有 利 的 ( 见 图 3 图 4) 通 过 对 两 种 矢 跨 比 的 静 动 力 影 响 分 析, 选 择 1 9 的 矢 跨 比 既 满 足 了 结 构 总 体 刚 度 的 需 求, 又 大 大 减 小 了 缆 索 系 统 和 锚 碇 系 统 的 规 模, 同 时 提 高 了 结 构 整 体 抗 风 稳 定 性 图 4 矢 跨 比 1 10 一 阶 对 称 扭 转 ( 频 率 =0.270 9) Fig.4 First order symmetrical torsion stress under rise span ratios of 1 10(frequency=0.270 9) 4 索 塔 区 主 梁 支 撑 图 3 矢 跨 比 1 9 一 阶 对 称 扭 转 ( 频 率 =0.282 6) Fig.3 First order symmetrical torsion stress under rise span ratios of 1 9(frequency=0.282 6) 4.1 竖 向 弹 性 支 座 索 塔 区 主 梁 约 束 系 统 布 置 如 图 5 所 示 20 中 国 工 程 科 学
Fig.5 图 5 索 塔 区 主 梁 约 束 系 统 布 置 General layout of main girder restraint system at cable tower 4.1.1 对 静 力 特 性 的 影 响 三 跨 连 续 体 系 在 主 梁 穿 越 索 塔 位 置 因 主 缆 角 度 转 度 将 引 起 较 大 的 活 载 弯 矩 矢 跨 比 吊 索 布 置 吊 索 形 式 梁 的 刚 度 及 竖 向 支 撑 条 件 等 均 与 此 问 题 相 关, 但 并 非 所 有 因 素 均 可 据 此 进 行 优 化 调 整, 在 各 项 其 余 因 素 确 定 的 前 提 下, 对 主 梁 竖 向 支 撑 条 件 进 行 了 优 化 对 比 如 表 2 所 示, 全 飘 浮 体 系 与 弹 性 支 撑 半 飘 浮 体 系 相 对 于 半 飘 浮 体 系 可 大 幅 度 减 小 索 塔 区 域 主 梁 弯 矩, 全 漂 浮 体 系 弯 矩 极 值 出 现 在 靠 近 索 塔 首 吊 索 位 置, 而 半 飘 浮 体 系 和 弹 性 支 撑 半 飘 浮 体 系 均 出 现 在 主 梁 竖 向 支 撑 位 置 全 漂 浮 体 系 索 塔 位 置 主 梁 竖 向 位 移 变 幅 较 大, 较 难 设 置 抗 风 支 座 和 抗 震 阻 尼 器 ; 而 弹 性 支 撑 半 飘 浮 体 系 能 大 幅 降 低 主 梁 竖 向 位 移 变 幅, 且 并 未 增 加 主 梁 受 力 综 合 考 虑 索 塔 位 置 主 梁 弯 矩 竖 向 位 移 及 邻 近 吊 索 受 力, 南 京 长 江 第 四 大 桥 选 择 的 弹 性 支 座 单 个 竖 向 刚 度 为 350 kn/cm, 铺 装 完 成 后 安 装, 仅 承 担 运 营 期 结 构 荷 载 在 350 kn/cm( 索 塔 位 置 主 梁 共 计 700 N/cm) 弹 性 支 撑 刚 度 下, 控 制 工 况 支 座 竖 向 反 力 最 大 4 200 kn( 受 压 ), 最 小 -2 100 kn( 受 拉 ); 索 塔 位 置 主 梁 竖 向 位 移 最 小 -12 cm, 最 大 6 cm Table 2 表 2 索 塔 区 域 不 同 支 撑 条 件 主 梁 及 吊 索 受 力 比 较 Stress of main girder and suspension cable under different form of support at cable tower 项 目 索 塔 区 域 主 梁 弯 矩 /(kn m) 近 索 塔 吊 索 力 /kn 索 塔 位 置 主 梁 竖 向 位 移 /mm 全 漂 浮 体 系 185 329/-117 117 6 306/3 526 255/-406 半 飘 浮 体 系 215 947/-171 452 4 626/3 708 0/0 弹 性 支 撑 半 飘 浮 体 系 180 920/-146 331 4 566/3 992 72/-121 注 : 表 中 弯 矩 对 应 恒 载 + 活 载 计 算 工 况, 表 中 为 最 大 值 与 最 小 值 的 对 比 4.1.2 对 动 力 特 性 的 影 响 相 对 全 漂 浮 体 系, 弹 性 半 飘 浮 体 系 改 变 了 结 构 的 支 撑 条 件 由 于 并 未 明 显 改 变 结 构 总 体 刚 度, 弹 性 支 撑 半 飘 浮 体 系 较 全 漂 浮 体 系 振 形 态 及 频 率 差 异 很 小, 但 其 中 主 梁 反 对 称 扭 转 频 率 提 高 约 10 % ( 见 图 6 图 7) 虽 然 并 不 控 制 本 桥 的 抗 风 设 计, 但 显 然 这 种 布 置 形 式 对 提 高 结 构 抗 风 性 能 是 有 益 的 图 6 弹 性 半 飘 浮 体 系 主 梁 一 阶 反 对 称 扭 转 Fig.6 First order anti-symmetric torsion stress of elastic semi-floating main girder 2013 年 第 15 卷 第 8 期 21
图 7 弹 性 全 飘 浮 体 系 主 梁 一 阶 反 对 称 扭 转 Fig.7 First order anti-symmetric torsion stress of elastic floating main girder 4.2 纵 向 限 位 研 究 4.2.1 纵 向 限 位 设 置 悬 索 桥 缆 索 系 统 为 柔 性 体 系, 活 载 作 用 下 主 缆 将 产 生 较 大 的 水 平 位 移, 在 未 做 限 制 的 情 况 下, 该 位 移 导 致 活 载 作 用 下 主 梁 的 纵 向 荡 移 ( 南 京 长 江 第 四 大 桥 约 为 ±70 cm), 据 此 增 加 伸 缩 缝 的 规 模 是 不 经 济 的 设 置 纵 向 限 位 的 目 的 旨 在 释 放 双 向 位 移 ( 如 温 度 位 移 ), 限 制 单 向 位 移 ( 如 活 载 引 桥 的 纵 飘 ), 进 而 减 小 伸 缩 缝 的 规 模 鉴 于 设 置 限 位 装 置 的 目 的, 限 制 单 向 位 移 的 方 式 是 多 样 的, 常 见 的 如 限 位 纵 向 弹 性 索 中 央 扣 和 限 位 挡 块 限 位 弹 性 索 通 过 设 置 主 梁 与 索 塔 间 纵 向 弹 性 索 限 制 纵 向 位 移, 对 三 塔 两 跨 悬 索 桥 结 构 适 用 性 较 好, 难 以 较 好 适 用 单 跨 或 双 塔 三 跨 悬 索 桥 结 构, 温 度 作 用 下 产 生 附 加 拉 力 且 限 制 纵 向 荡 移 作 用 有 限 以 下 为 设 置 刚 性 中 央 扣 与 限 位 挡 块 的 受 力 分 析 对 比 1) 主 梁 竖 向 挠 度 及 纵 向 位 移 对 比 由 计 算 分 析, 刚 性 中 央 扣 几 乎 没 有 限 制 主 梁 活 载 纵 向 位 移 的 作 用 主 梁 的 活 载 纵 向 荡 移 是 由 主 缆 的 纵 向 位 移 引 起 的, 在 不 设 置 限 位 挡 块 和 中 央 扣 情 况 下, 由 于 边 中 跨 主 缆 纵 向 位 移 不 一 致, 边 跨 吊 索 限 制 了 主 梁 进 一 步 荡 移, 任 意 状 态 下, 所 有 吊 索 水 平 力 自 平 衡, 主 梁 活 载 荡 移 较 单 跨 吊 小 ; 而 设 置 中 央 扣 协 调 了 跨 中 主 缆 与 主 梁 的 纵 向 位 移, 消 除 了 缆 梁 纵 向 位 移 差, 对 本 桥 而 言 增 大 了 主 梁 的 纵 向 荡 移 ( 见 表 3) 实 际 上, 即 使 对 于 单 跨 吊 结 构, 跨 中 短 吊 索 区 域 的 缆 梁 位 移 差 是 有 限 的, 依 靠 中 央 扣 大 幅 度 减 小 主 梁 活 载 纵 向 荡 移 是 不 切 实 际 的 由 于 设 置 中 央 扣 非 但 没 有 减 小 主 梁 活 载 纵 向 荡 移, 反 而 较 纵 向 不 限 位 状 态 下 略 有 增 加, 削 弱 了 吊 索 水 平 力 限 制 主 缆 竖 向 位 移 的 作 用, 进 而 主 梁 竖 向 位 移 也 略 有 增 加 鉴 于 主 梁 位 移 的 产 生 机 理, 大 跨 度 悬 索 桥 中 央 扣 难 以 在 限 制 主 梁 静 力 位 移 上 发 挥 可 观 的 作 用 Table 3 表 3 设 置 刚 性 中 央 扣 和 限 位 挡 块 在 不 同 工 况 下 的 主 梁 位 移 对 比 Displacement of main girder with rigid central buckle or limit stop under different working conditions 工 况 刚 性 中 央 扣 /m 限 位 挡 块 /m 梁 端 水 平 位 移 ( 北 端 ) 恒 + 活 恒 + 活 + 体 系 升 温 恒 + 活 + 体 系 降 温 -0.729/0.758-1.003/0.494-0.257/1.209-0.358/0.367-0.468/-0.067 0.388/0.550 梁 端 水 平 位 移 ( 南 端 ) 恒 + 活 恒 + 活 + 体 系 升 温 恒 + 活 + 体 系 降 温 -0.748/0.745-0.478/1.025-1.209/0.264-0.364/0.358 0.050/0.455-0.525/-0.360 恒 + 活 -3.603/1.996-3.468/1.832 中 跨 竖 向 位 移 恒 + 活 + 体 系 升 温 -4.392/1.394-4.201/1.182 恒 + 活 + 体 系 降 温 -2.353/3.175-2.056/2.878 注 : 水 平 位 移 正 值 表 示 由 北 向 南, 负 值 表 示 由 南 向 北 ; 竖 向 位 移 正 值 表 示 向 上, 负 值 表 示 向 下 表 中 为 最 大 值 与 最 小 值 的 对 比 2) 吊 索 倾 角 对 比 由 对 比 研 究, 设 置 中 央 扣 显 著 减 小 了 中 跨 吊 索 倾 角, 但 由 于 主 梁 纵 向 水 平 位 移 的 大 幅 度 增 加, 也 同 步 增 加 了 边 跨 吊 索 倾 角 总 体 上 显 著 减 小 了 缆 梁 错 动 引 起 的 吊 索 倾 角, 改 善 了 短 吊 索 在 锚 头 处 弯 折 疲 劳 受 力 条 件 ( 见 图 8) 本 桥 在 中 跨 及 边 跨 短 吊 索 锚 头 处 设 置 适 应 转 动 的 关 节 轴 承, 该 构 造 同 样 能 适 应 横 风 作 用 下 吊 索 的 面 外 倾 角 22 中 国 工 程 科 学
图 8 限 制 挡 块 与 刚 性 中 央 扣 方 案 主 梁 吊 索 活 载 倾 角 对 比 Fig.8 Cable angles when main girder with rigid central buckle or limit stop under live load 限 制 位 移 条 件 下, 除 了 释 放 温 度 位 移 外, 还 应 该 释 放 活 载 双 向 水 平 位 移, 避 免 梁 段 拱 形 效 应 导 致 的 主 梁 轴 力 大 幅 度 增 加 限 制 位 移 在 计 算 中 是 高 度 非 线 性 的, 当 梁 段 荡 移 至 限 制 挡 块 发 生 作 用 位 置 时, 梁 段 还 要 承 受 限 制 挡 块 传 递 的 水 平 力 根 据 结 构 的 受 力 特 点, 限 制 位 移 应 包 含 温 度 位 移 活 载 水 平 位 移 ( 双 向 ) 地 震 位 移 和 适 当 的 安 装 误 差, 其 相 关 参 数 见 表 3 3) 动 力 影 响 分 析 由 前 述 静 力 分 析, 设 置 中 央 扣 增 大 了 活 载 在 中 跨 1/4 跨 的 影 响, 降 低 了 结 构 刚 度, 从 自 振 特 性 看, 一 阶 反 对 称 竖 弯 频 率 降 低 约 13.5 %; 同 时, 设 置 中 央 扣 显 著 增 加 了 主 梁 反 对 称 扭 转 的 刚 度, 使 得 一 阶 反 对 称 扭 转 频 率 增 加 约 20.6 % 设 置 中 央 扣 对 一 阶 对 称 竖 弯 和 一 阶 对 称 扭 转 频 率 影 响 极 小 从 抗 风 角 度, 由 于 降 低 了 一 阶 反 对 称 竖 弯 自 振 频 率, 同 时 增 大 了 一 阶 反 对 称 扭 转 的 自 振 频 率, 对 提 高 抗 风 性 能 是 有 利 的 但 由 于 对 一 阶 对 称 竖 弯 和 一 阶 对 称 扭 转 影 响 极 小, 对 本 项 目 而 言, 总 体 上 并 不 能 改 善 结 构 的 抗 风 稳 定 性 南 京 长 江 第 四 大 桥 纵 向 限 位 选 择 限 位 挡 块 的 形 式 ( 见 图 9), 通 过 纵 向 限 位 牛 腿 与 混 凝 土 挡 块 间 的 间 隙 释 放 主 梁 双 向 位 移, 通 过 球 冠 橡 胶 支 座 限 制 纵 向 限 位 牛 腿 的 位 移, 限 制 主 梁 纵 向 荡 移, 设 置 合 理 限 制 位 移 的 限 制 挡 块 可 几 乎 完 全 避 免 活 载 单 向 位 移, 最 大 限 度 减 小 伸 缩 缝 的 规 模 图 9 索 塔 区 纵 向 限 位 布 置 Fig.9 Skecth of longitudinal restraint at main tower 4.2.2 限 制 位 移 选 择 在 不 限 位 及 释 放 主 梁 纵 向 位 移 情 况 下, 主 梁 轴 力 由 纵 向 荡 移 吊 索 倾 斜 传 递 水 平 力 引 起 ; 在 索 塔 位 置 约 束 主 梁 纵 向 位 移 情 况 下, 主 梁 最 大 轴 力 由 中 跨 梁 段 拱 形 效 应 引 起, 两 者 受 力 特 性 迥 异 而 在 设 置 Table 3 项 目 温 度 位 移 活 载 双 向 位 移 地 震 位 移 表 3 主 梁 梁 端 单 项 荷 载 位 移 Displacement of beam end of main girder under single load condition 北 塔 位 置 主 梁 向 跨 中 /cm 29.8 0.8 6.8 向 边 跨 /cm 17.3 1.4 6.8 南 塔 位 置 主 梁 向 跨 中 /cm 33.2 4.1 6.7 向 边 跨 /cm 19.3 注 : 地 震 位 移 为 设 置 阻 尼 器 ( 阻 尼 系 数 4 000 kn s/m, 阻 尼 指 数 0.5) 情 况 下 相 应 位 置 位 移 需 要 说 明 的 是, 由 于 南 京 长 江 第 四 大 桥 悬 索 桥 南 北 结 构 不 对 称, 相 应 地, 南 北 索 塔 位 置 主 梁 荷 载 位 移 表 现 不 对 称 本 桥 采 取 的 限 位 位 移 为 南 塔 岸 侧 32 cm 江 侧 46 cm, 北 塔 岸 侧 30 cm 江 侧 42 cm 限 制 位 移 提 供 了 主 梁 在 温 度 地 震 及 活 载 ( 双 向 位 移 ) 作 用 下 自 由 伸 缩 的 空 间, 限 制 了 活 载 作 用 下 主 梁 的 纵 向 荡 移 由 于 基 本 全 面 限 制 了 主 梁 的 纵 向 荡 移, 本 桥 伸 缩 缝 自 由 伸 缩 总 量 仅 为 1 520 mm, 相 对 于 2 191.6 m 的 主 梁 长 度, 大 大 减 小 了 伸 缩 缝 的 规 模 4.2.3 限 制 位 移 条 件 下 结 构 受 力 特 点 由 于 限 制 了 主 梁 的 纵 向 荡 移, 索 塔 位 置 中 跨 侧 主 梁 在 活 载 及 温 度 的 作 用 下 产 生 约 -12 210 kn( 压 力 ) 和 12 005 kn( 拉 力 ) 的 轴 向 力, 需 要 对 纵 向 限 位 牛 腿 对 应 主 梁 区 域 进 行 局 部 加 强 以 适 应 受 力 要 求 同 时, 纵 向 限 位 也 使 得 短 吊 索 在 活 载 作 用 下 倾 角 增 大, 中 跨 跨 中 短 吊 索 区 域 较 为 明 显, 由 约 0.02 rad 增 大 至 0.08 rad, 这 对 吊 索 的 长 期 受 力 是 不 利 的 ( 见 图 10) 为 此, 在 中 跨 及 边 跨 短 吊 索 锚 头 处 设 置 适 应 转 动 的 关 节 轴 承, 该 构 造 同 样 能 适 应 横 风 作 用 下 吊 索 的 面 外 倾 角 7.4 6.7 2013 年 第 15 卷 第 8 期 23
Fig.10 图 10 主 梁 纵 向 限 位 与 纵 向 不 限 位 吊 索 倾 角 对 比 Cable angles when main girder with or without longitudinal displacement restraint 4.3 横 向 支 撑 和 纵 向 阻 尼 器 为 提 高 主 梁 抗 静 风 稳 定 性, 降 低 缆 梁 横 桥 向 位 移 差, 进 而 减 小 吊 索 横 风 作 用 下 面 外 倾 角, 索 塔 及 过 渡 墩 位 置 主 梁 均 设 置 横 向 抗 风 支 座 进 行 支 撑 约 束 为 限 制 主 梁 地 震 位 移, 减 小 塔 底 弯 矩, 在 索 塔 位 置 主 梁 上 下 游 各 设 置 一 个 液 体 黏 滞 纵 向 阻 尼 器 经 过 阻 尼 器 参 数 比 选, 综 合 考 虑 主 梁 纵 向 位 移 和 塔 底 弯 矩 等 指 标, 阻 尼 器 参 数 选 择 为 阻 尼 系 数 4 000 kn s/m, 阻 尼 指 数 0.5, 设 计 轴 向 行 程 ±60 cm, 最 大 设 计 轴 力 1 250 kn 阻 尼 器 的 设 置 不 会 显 著 改 变 结 构 受 力, 但 大 幅 度 降 低 了 主 梁 纵 向 位 移, 减 小 约 45 % 过 渡 墩 承 台 5 竖 向 限 位 受 地 形 条 件 的 制 约, 同 时 也 为 减 小 主 梁 边 跨 以 节 约 投 资, 在 总 体 布 置 上 主 梁 边 跨 未 基 本 覆 盖 边 跨 主 缆 区 域 为 适 应 总 体 布 置, 结 构 上 需 要 设 置 主 缆 竖 向 限 位 以 协 调 过 渡 墩 区 域 主 缆 和 主 梁 的 竖 向 变 形 竖 向 限 位 方 案 可 分 为 刚 性 和 柔 性 两 种 设 置 方 式 刚 性 限 位 方 案 将 过 渡 墩 设 置 为 边 索 塔 的 形 式, 塔 顶 设 置 索 鞍, 通 过 减 小 主 缆 边 跨 协 调 边 跨 主 缆 与 主 梁 竖 向 变 形 ; 柔 性 限 位 方 案 通 过 锚 固 于 过 渡 墩 的 限 位 拉 索 限 制 主 缆 竖 向 变 形 考 虑 到 刚 性 限 位 方 案 需 要 在 边 索 塔 设 置 适 应 主 缆 水 平 位 移 的 转 索 鞍, 构 造 复 杂 且 破 坏 了 主 缆 整 体 线 形 流 畅 的 美 感, 也 大 大 增 加 了 主 缆 架 设 施 工 控 制 的 难 度, 南 京 长 江 第 四 大 桥 选 择 柔 性 拉 索 竖 向 限 位 方 案 如 图 11 所 示, 单 根 吊 索 采 用 直 径 为 ϕ7.0 mm 的 镀 锌 高 强 钢 丝, 钢 丝 标 准 强 度 1 670 MPa, 每 根 吊 索 含 295 根 钢 丝 下 端 通 过 12 根 MJ80 螺 杆 与 预 埋 锚 箱 连 接, 锚 箱 通 过 10 根 15-12 体 外 预 应 力 锚 固 于 图 11 限 位 拉 索 Fig.11 Displacement limiting cable 限 位 拉 索 的 结 构 功 能 是 限 制 主 缆 过 渡 墩 位 置 的 竖 向 变 形, 使 相 应 位 置 主 梁 与 主 缆 竖 向 变 形 相 互 协 调, 不 致 使 主 梁 过 渡 墩 支 座 承 受 拉 力 为 使 限 位 拉 索 运 营 期 始 终 保 持 受 拉 状 态, 主 梁 架 设 完 成 桥 面 铺 装 前, 单 侧 限 位 装 置 需 预 储 2 700 kn 拉 力 经 过 对 施 工 过 程 计 算 分 析, 综 合 考 虑 现 场 实 施 条 件, 最 终 选 择 梁 段 吊 装 完 成 后 一 次 性 张 拉 到 位 安 装 限 位 拉 索, 预 储 设 计 拉 力 6 结 语 通 过 对 三 跨 连 续 悬 索 桥 结 构 受 力 特 点 的 研 究, 提 出 了 适 合 南 京 长 江 第 四 大 桥 的 结 构 体 系 设 计 首 次 在 连 续 悬 索 桥 上 采 用 竖 向 弹 性 支 座, 解 决 了 索 塔 区 主 梁 受 力 大 竖 向 位 移 大 的 结 构 难 题, 为 横 向 24 中 国 工 程 科 学
抗 风 支 座 和 纵 向 阻 尼 器 设 置 提 供 了 构 造 条 件 针 对 纵 向 限 位 竖 向 限 位 等 所 做 研 究 对 类 似 结 构 提 供 了 有 益 的 参 考 和 启 发 参 考 文 献 [1] 万 国 朝. 大 贝 尔 特 悬 索 桥 设 计 [J]. 国 外 公 路,1995,15(1):11-17. [2] 曾 超. 厦 门 海 沧 大 桥 悬 索 桥 结 构 体 系 的 选 择 [J]. 公 路,2003 (4):39-43. Research of three-span continuous elastic supporting suspension bridge structure system design Dong Meng,Cui Bing,Wang Xiaojun (CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China) [Abstract] With an extraodinary complex structure structure,the Fourth Nanjing Yangtze River Bridge,a three-span continuous suspension bridge,is scarce in the world. This paper is to elaborate the structure characteristic by comparing and analysising the following aspects:the span-rise ratio,support at cable tower,limitation of longitudinal displacement and vertical displacement,as well as to propose a propor structure system,threespan continuous elastic supporting suspension bridge structure system,according to the pactical issue of the Fourth Nanjing Yangtze River Bridge,which is of innovative significance. [Key words] the Fourth Nanjing Yangtze River Bridge;elastic supporting;structure system 2013 年 第 15 卷 第 8 期 25