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无背索斜拉桥结构体系与受力特点
摘要:文章介绍了无背索斜拉桥结构体系的分类,分析了每种结构体系下索塔自重与主梁自重所产生的静力效应平衡的问题。
关键词:无背索斜拉桥;结构体系;受力特点
1 概述
无背索斜拉桥是斜拉桥的一种。其索塔向岸或向边跨方向倾斜,并仅在靠主跨一侧布置斜拉索,另一侧无拉索,故称为无背索斜拉桥。由于索塔倾斜,给人一种独特的不对称稳定感,因仅在索塔一侧布置斜拉索,又有一种轻盈而又惊险的感觉,高耸的塔身更体现出气势和力度,形成了壮丽的画面。
自从1992年西班牙塞维利亚建成世界上第1座无背索斜拉桥-Alamillo大桥以来,这种造型优美、结构独特的桥梁立即引起世界桥梁界的普遍关注。
2 桥型示意及有关参数说明
图1 无背索斜拉桥示意图
图1为无背索斜拉桥示意图。主跨两端可以有边跨或无边跨。图中各符号含义说明如下。
H-桥面以上索塔的竖向高度,即最外一组斜拉索与塔中心交汇点至桥面的高度;?茁-索塔轴线与水平线之间的夹角,即索塔的水平倾角;?酌-索塔的倾斜角,即索塔轴线与铅垂线之间的夹角;?琢-最外一组斜拉索的水平倾角;a-主梁上相邻两根拉索的间距;b-索塔上相邻两根拉索的间距;LL-拉索区主梁重心至塔梁固结点K的水平距离;LT-主塔重心至塔梁固结点的水平距离;WL-拉索区主梁重量;WT-索塔重量。
3 结构体系
按塔、梁刚度比及受力特点,无背索斜拉桥的结构体系可以分为以下两类:
(1)刚塔刚梁类。塔梁刚度相当,为一般斜拉桥的特殊情况,即无背索斜拉桥。它的力学特征是索塔自重效应完全平衡了主梁竖向荷效应后,主塔在恒载状态下根部只有轴向力而弯矩为0。这种结构体系应用较早,例如西班牙Alamillo桥、哈尔滨太阳岛桥。
(2)柔塔刚梁类。它的力学特征是桥塔自重效应不能完全平衡主梁竖向荷载效应。由塔、梁、索三者组成的结构依靠自身只能达到部分平衡。索塔可以成为一个轴心受压构件,而梁只能达到部分平衡,还需依靠主梁的强度和刚度分担一部分荷载效应。其力学特征与部分斜拉桥(亦称矮塔斜拉桥)类似。因此可以引入竖向荷载分配系数f与拉索活载应力变幅?滓f来分别衡量恒载与活载状态下拉索和主梁各自承担竖向荷载的比值。因此,这类无背索斜拉桥,也可以称为无背索矮塔斜拉桥(或部分斜拉桥),以区别于一般无背索斜拉桥。例如合肥铜陵路南淝河桥、河南新密市溱水路桥。
4 静力平衡分析
无背索斜拉桥的静力平衡问题,主要是指索塔自重与主梁自重两者所产生的静力效应如何平衡的问题。
(1)刚塔刚梁类。塔梁刚度相当,其整体平衡是指在恒载情况下,可使索塔根部只存在轴向力而弯矩为0的平衡状态,是一个理想化的宏观状态平衡,用以初步拟定塔梁尺寸。
采用以下假定:①单根斜拉索竖向分力等于相应的索间距节段梁体恒载重量,全部拉索竖向分力等于拉索区梁体的恒载重量。②忽略无拉索区段梁体重量、刚度及支承情况对结构平衡的影响。
为了使恒载状态下主塔根部处于轴心受压状态,索塔根部承受的拉索区主梁倾覆力矩应等于索塔自重产生的抵抗力矩,可得(参阅图1):
恒载弯矩M=WL×LL-WT×LT=0 (1)
此时塔、梁处于恒载总体平衡状态。
对于某一根斜拉索,在塔、梁相当的情况下,处于局部平衡状态。其局部平衡用下式表达:
(2)