自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计研究

孙开旗

(安徽交通职业技术学院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁将斜拉桥与悬索桥两种桥梁设计结构相结合，具备二者的优点，建造跨越能力较强，自身较为稳定，具备一定的经济价值。但我国在相关方面的研究几乎没有，因此进行自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计研究，将其与传统缆索桥梁设计体系进行对比，能够有效提高我国桥梁施工专业性。

1 自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁

自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁是一种不设重力式地锚，将大部分承载力作用于梁端锚固主缆，使得整体桥梁结构横向与纵向承载力分离的悬索桥体系。与常规桥梁设计体系相比，这种桥梁设计方案能够在不增加地锚等结构的前提下，就能分解主梁结构的轴向压力，降低桥梁倒塌的风险。作为悬索桥的一种，自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁也是将缆索作为主要受力结构，整个桥梁由悬索、索塔、索鞍、锚碇等多个结构，并选择高强度材料制作。

2 自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计现状

设计项目图纸是自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁施工的重要参考，其设计水平同最终施工质量有着较大影响。但在实际施工环节，部分施工部门桥梁的设计内容并不科学，缺少对于施工地点的情况考察，仅是凭借概念化的理论进行图纸研究。在这种情况下，难以发挥自锚式斜拉-悬索协作体系的“分力效果”，降低了桥梁施工建设水平，造成没必要的人力物力资源浪费。在进行桥梁设计过程中，如何实现在建造当地的环境下，桥梁结构不会出现毁坏现象，保证其安全、可靠，成为当下自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计的主要问题。在使用年限内，桥梁的强度应符合设计要求，避免出现静力失衡情况。应量减少强迫共振的发生概率，降低结构疲劳对于桥梁质量的影响，保证桥上行车安全。利用气动措施、机械措施、结构措施等技术手段，提高桥梁的受压能力，做好桥梁设计工作[1]。

3 自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计优化方案探讨

3.1 吊杆内力设计

自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计环节，重点注意超限荷载所产生的影响，保证整体结构的内力、吊杆索力、加劲梁挠度等关键指标符合整体施工标准，才能提高桥梁的安全性。设计环节可以通过对吊杆的内力索力来进行桥面调整，优化整体桥梁受力状态，避免传统项目设计中通过主缆进行受力调整的复杂性，简化设计操作流程。进行内力计算时可以将劲梁线形与相关的部件受力情况考虑进去，依托自锚式斜拉-悬索协作体系进行施工完成状态下的桥梁下值计算。桥梁设计时可以选择吊杆张拉与索力双控相配合的方式，将吊杆位移为主要内容，明确索力目标值，在吊杆张拉完成后，进行主梁施工标高作业设计。过程中对于千斤顶的使用、标高范围、吊杆最大张拉力范围都要做出相应规定，保证设计效果方便进行质量控制。可以采用交替张拉法进行不同吊杆的轮次张拉，并将对称张拉作为核心设计原则，适度调整拉杆来优化张拉空间，以及下拉杆的连接套筒更换设计方案。吊杆内力设计是自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计中的关键部分，它不仅与吊杆直接受力情况有关，还会影响整个桥梁的主梁受力。进行工程设计环节，要合理估算吊杆内力的有效施工误差范围，保证桥梁施工的线性要求及安全质量。

3.2 桥梁主塔设计

自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁主塔设计内容主要包括自身结构及适应力的变形控制，桥梁主塔在施工成桥状态下借助拉索能够平衡荷载力，长时间的使用过程中，外界环境中的温差变化、日照强度使得主塔逐渐产生位移。在桥梁主塔设计环节，要采取有效的方案降低这部分影响力，尤其对于桥梁顶部控制结构的应力状态设计。可以设计一个主塔偏离监控方案，在桥梁塔顶上建立观测点，借助高精准度仪器定期进行桥梁位移情况测定。设计环节要充分考虑到环境因素对于主塔形变测量的影响，将位移监测工作设计在日出前进行，并且选择多种天气状态进行不定期观察，从而保障自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计施工完成后的使用效果。桥梁荷载要求考虑进主塔设计环节，基于主塔实际应力与设计理论值会存在一定的差异性，不能完全满足误差参数识别要求，因此要优化主塔控制应力的变化情况，可以在单个塔柱的底部及顶端位置布置应变传感元件[2]。

3.3 动力特性设计

在传统的桥梁设计环节中，设计人员往往会忽视风对于桥梁使用的影响作用，导致桥梁设计的动力稳定性较差，完工桥梁存在着较多的安全隐患。近年来，随着桥梁跨度的不断增加，桥梁动力特性影响要素探讨也越来越受到人们的重视。通过研究表明，桥梁刚度与桥梁动力稳定性有较大关系，自锚式斜拉-悬索协作体系中，其竖向刚度较强，且对于动力稳定性存在一定的提升作用。针对跨径较大的桥梁设计时，桥梁的风敏感性较强，容易发生涡激共振造成桥梁风灾。涡激共振是指从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。风灾影响主要分为两种，一种是强迫共振，另一种是自激振动。强迫共振能够造成桥梁结构疲劳，影响行车的安全性与舒适性，而自激振动的振力较强，对于桥梁有着毁灭性打击。

3.4 颤振受力设计

在进行自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计时，要考虑颤振受力可能造成的破坏性纯扭转或弯曲扭转隐患，当桥梁达到临界风速后，振动的主梁通过气流的反馈作用不断吸收能量克服结构自身阻力，导致振幅逐步增大，最终破坏整个桥梁建筑。颤振几乎可以发生在任意一种主梁的截面形式中，美国塔科马海峡大桥是位于美国华盛顿州塔科马的两条悬索桥，1940年7月1日，在风速低于25 m/s的环境中，由于分离流引发桥梁扭转颤振，导致主梁变形。调查显示这次事故是由于该桥的两侧是由密不透风的硬性形状组成，主梁的抗扭度较弱，易产生大型漩涡，导致漩涡脱落引发颤振。桥梁颤振是设计环节最应该注意的问题，它一种桥梁的发散自激振动，结构毁灭性强，能够对桥梁造成严重破坏。桥梁颤振与颤振临界风速及桥梁扭转频率有关，资料显示桥梁的扭转基频与临界风速呈正比关系，从而影响整体桥梁动力特性设计。桥梁设计环节可以选择分体式结构来降低颤振受力，它是一种特殊的截面形式，通过降低桥梁不同结构之间的空气压差，增大桥梁的气动阻尼，从而提高桥梁颤振临界范围风速。实际设计时要考虑到自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁截面面积与颤振临界风速之间的变化关系，确保桥梁的上下气流几乎不会相互干扰，从而实现颤振的稳定性要求。作为桥梁设计的重要革新形式，分体式结构对于颤振稳定性的减缓价值还处于探索阶段[3]。

4 结 论

自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁设计工作中，重点在于动力特性及整体刚度的标准制定，过程中要注意风致振动对桥梁弯扭耦合颤振稳定性的影响效果。改变斜拉索与主梁的交汇区域面积后，整个自锚式斜拉-悬索协作体系桥梁动力特性变化不大，由此可见吊杆内力设计在桥梁刚度组成中起到决定作用。