多塔懸索橋附屬結構耐久性參數研究

秦肖，潘濟，肖汝誠

（1.溫州甌江北口大橋公司，浙江 溫州 325000；2.同濟大學 土木工程學院，上海市 200092）

0 引言

橋梁附屬結構是指支座、伸縮縫等構件，其作為橋梁的重要構件，主要作用是將橋段銜接成橋梁整體，并有助于減小溫度、風等外部荷載對橋梁整體結構產生的過大位移，從而有效保護橋梁結構安全。橋梁結構的壽命不僅限于結構強度和穩定性等，附屬結構的耐久性也影響橋梁的耐久性和服役年限。然而設計師在設計過程中往往會忽略附屬結構的耐久性狀況，使附屬結構在橋梁運營期間多次出現損壞，甚至可能影響橋梁整體的結構安全。尤其是對于多塔懸索橋這種結構形式，相較于兩塔懸索橋，它可以減小錨碇及橋塔規模與施工難度，具有十分明顯的技術、經濟優勢［1-3］。但多塔懸索橋整體結構剛度較小，在靜力和動力作用下結構變形較大，在約束控制方向上的附屬裝置往往需要承擔較大的變形［4-6］，因而附屬結構的耐久性問題愈加突出。

針對附屬結構耐久性的問題，國內外學者進行了一系列的研究［7-8］。部分學者通過調研現有橋梁附屬結構破壞的病害狀況，提出改善附屬結構耐久性設計措施［9-11］。一些學者通過健康監測的方式獲得既有橋梁梁端位移等的發展情況［12-13］，同時進行了附屬裝置自身設計參數對附屬結構內力的影響分析，來研究這些參數對耐久性的影響［14-16］。還有學者為避免附屬結構損壞對橋梁結構的影響，提出無伸縮縫橋梁等新型結構形式［17-18］。但對橋梁結構體系自身參數的研究較少，不同的塔梁連接方式下附屬結構處的累積位移不同，為保證附屬結構的服役壽命，合理改變塔梁連接方式將有利于提高附屬結構的耐久性。因此，本文針對支座和伸縮縫等橋梁附屬結構，通過定性分析的方法，分析橋梁結構體系參數對附屬結構耐久性的影響，明確結構體系的改變對于附屬結構耐久性的改善趨勢，從而為概念設計過程中體系參數的確定提供參考。

1 附屬結構累積位移

在自然荷載作用下，多塔懸索橋附屬結構處不僅會產生水平位移，還會因梁體撓曲產生轉角位移，圖1 為梁端位移示意圖。其中縱橋向為x軸，豎向為y軸，橫橋向為z軸；支座約束梁體豎向y方向的線位移Uy、橫橋向的線位移Uz（有時不約束）以及繞x軸的轉動位移ROTx。因此梁端主要產生的位移為縱橋向位移Ux、繞豎向y軸的轉角ROTy以及繞橫橋向z軸 的 轉 角ROTz。

圖1 多塔懸索橋梁端位移

從文獻［19］監測結果來看，由于懸索橋縱向約束的不足，懸索橋梁端縱向位移平均日累積量遠超設計預計量。其中由車輛和風荷載引起的累積位移值占了絕大部分，由溫度引起的累積位移值只是很小的一部分（對于蘇通大橋溫度變化僅占9%，潤揚大橋僅占0.56%，對于懸索橋結構更柔，更易受到風、車輛荷載的影響）。在車輛以及風荷載的作用下，懸索橋的縱向位移以分鐘級的頻率產生幾厘米的縱向位移，從而形成了大量的位移累積量。以潤揚長江公路大橋南汊橋為例，自橋梁通車以來縱向位移累積量高達140 km，而常規設計的PTFE 滑塊材料的壽命僅20 km，當伸縮縫累積位移超過允許值時，滑塊會被完全磨損，加速伸縮裝置的破壞［20］。

同樣的問題也產生在梁端轉角方面，例如日本的明石海峽大橋、來島三橋的梁端最大豎向轉角ROTz僅在活載作用下已經超出0.02 rad 的一般限值［4］，而在交通量較大的情況下，轉角的累積值也將影響到伸縮縫的使用。對于橫向轉角的影響，在文獻［4］中顯示懸索橋主要考慮橫風作用下梁端橫向轉角，而在汽車荷載作用下橫向轉角可忽略不計。

2 定性分析方法

由上述調研發現，多塔懸索橋的梁端位移受到結構體系參數以及不同荷載作用的影響，同時大跨徑纜索承重橋梁梁端位移長時間的累積量會達到非?？捎^的數量，這也是引起附屬結構磨損和疲勞問題的主要原因之一［19］。

文獻［4］計算結果顯示，附屬結構處縱向位移Ux與ROTz主要由車輛荷載與靜風作用引起，而ROTy主要由橫風作用引起。但由于車輛荷載和風荷載均屬于隨機荷載，無法通過計算得到梁端累積位移量的計算值，只能通過統計數據來展現。因此，為確定結構設計參數對梁端位移累積量的影響，對于移動荷載的情況，采用影響線加載的方式，按照規范選取車輛荷載，模擬單輛汽車從上橋至下橋的加載過程，并乘以相應的車輛數，定性分析移動荷載下結構設計參數對梁端位移累積量的影響；而對于風荷載，由于一般計算過程假設布載于整個結構體系上，只能得到結構設計參數對幅值的影響，而無法得到累積值。綜上所述，本文將通過建立有限元模型，求解影響線形式，并利用影響線布載來分析移動荷載下結構設計參數對附屬結構耐久性的影響。

3 參數分析

3.1 研究對象

基于實際工程，建立立面布置如圖2 所示的四塔懸索橋計算模型，該四塔懸索橋3 個主跨的跨徑均為800 m，主纜的分跨布置為（350+800+800+800+350）m。主跨矢跨比相同，均為1/10，矢高為80 m。加勁梁采用鋼桁架梁。主塔均為混凝土橋塔，塔高145.5 m。利用Midas/Civil 軟件建立該四塔懸索橋的空間有限元模型，分析各種參數（表1）變化對附屬構件位移量的影響。

表1 四塔懸索橋構件特性主要參數

圖2 四塔懸索橋模型

模型基本邊界條件為：橋塔塔底和主纜錨固處采用固結約束，邊塔處約束加勁梁豎向、橫向和繞順橋向扭轉3 個自由度，中塔處約束加勁梁豎向、橫向2個自由度，其他邊界條件隨不同結構體系關鍵參數的選取分別更改。

多塔懸索橋梁端位移累積量必然受到懸索橋結構設計參數的影響，結構設計參數分為總體布置參數和體系參數，由于多塔懸索橋梁端位移這一因素可以通過及時更換等方法解決，因而總體布置參數盡管會影響梁端位移累積量，但實際設計過程中不會通過改變總體布置參數來解決梁端位移，所以最后選擇體系參數并研究其對梁端位移累積量的影響。

體系參數包括塔梁連接方式和纜梁連接方式，塔梁連接方式主要包括豎向連接方式和縱向連接方式?？疾斓膮抵饕獮榱憾?、邊塔支座位置處以及中塔支座位置處的縱向位移量以及豎向轉角。

3.2 塔梁豎向連接方式

常見的懸索橋豎向約束方式主要有以下4 種：在中塔處設置0#吊索；中塔橋塔處設置豎向約束支座；中塔處塔梁固結；中塔不進行豎向約束。以中塔處設置豎向約束支座為比較模型，研究不同豎向約束情況下梁端以及支座處位移的累積量，采用的車流量為40 000 輛/d，主要結果見圖3。其中，設置0#吊索采用與吊桿相同材料的彈性索在中塔處連接中塔與加勁梁。

圖3 塔梁豎向連接方式對附屬結構處位移與轉角的影響

由圖3 可知：①相較于支承體系，0#索能夠減少梁端、邊塔支座以及中塔支座的位移累積量，減幅為0.5%～2%，也能夠減少豎向轉角的累積量，減幅約為1%；②相較于支承體系，塔梁固結方式能夠減小梁端、邊塔支座位移總量與豎向轉角值，對于位移總量的減幅尤為明顯，約為65%，豎向轉角的減幅較??；③相較于支承體系，豎向無連接的方式能夠減小位移總量，且減小幅度相較于0#索更大。

由于0#索相較于支座可以在偏移的過程中限制加勁梁的豎向位移，因而0#索能有效減少梁端的縱向位移累積量。塔梁固結大大增加了加勁梁的縱向約束，同時對轉角約束也不容忽視。豎向無連接方式減弱了加勁梁的豎向約束，能夠更好地適應加勁梁的變形，從而減少了縱向位移和轉角，但同時對加勁梁、吊桿的變形不利。

從上述結果可知：塔梁固結能更好地減小累積位移量，0#索和豎向無連接的方式也有一定程度減弱作用，但不能忽視這兩種連接方式對結構靜力特性的影響。

3.3 塔梁縱向連接方式

多塔懸索橋常見的縱向連接方式如下：縱向不約束（全橋縱漂）；中塔處彈性約束；中塔處剛性約束。其中彈性約束通過采用與吊桿相同材料的彈性索將加勁梁與中塔連接起來，并施加10 000 kN 的初拉力。以縱向不約束為比較模型，研究不同縱向約束情況下，梁端及支座位置處位移累積量，計算結果如圖4 所示。

圖4 塔梁縱向連接方式對附屬結構處位移與轉角的影響

從圖4 可知：①相較于縱向無連接，設置彈性索的方式能較大幅度地減小位移總量，對梁端、邊塔支座處、中塔支座處減幅約為59%、56%、39%，減幅大小由彈性索初拉力確定，但同時設置彈性索對豎向轉角基本無影響，輕微增加了中塔支座處的豎向轉角；②相較于縱向無連接，塔梁之間剛性連接大幅減小了縱向位移總量，并且比彈性索的減小幅度更大，梁端和邊塔支座處位移減幅分別為74%、70%，對于豎向轉角，雖然減小了梁端和邊塔支座處的豎向轉角，卻增加了中塔處的豎向轉角，增幅約為5%。

彈性索與剛性連接的方式都是增強了加勁梁的縱向約束，且約束強度越強，縱向位移減弱得越明顯，但同時縱向位移的減少，使得約束增強處即中塔約束處的轉角也相應增加。

3.4 纜梁連接方式

纜梁的連接方式為是否設置中央扣。為控制多塔懸索橋變形，在主跨跨中位置處設置中央扣將主纜同加勁梁連接。纜梁連接方式對中塔支座位移與轉角的影響見圖5。

圖5 纜梁連接方式對中塔支座位移與轉角影響

從圖5 可見：①設置中央扣后，梁端、邊塔支座和中塔支座處縱向位移總量減小，且越靠近中塔位置處減幅越大，梁端、邊塔支座、中塔支座處減幅分別為5.3%、20.4%、34.0%；②設置中央扣后，對豎向轉角也有一定減小作用，梁端、邊塔支座和中塔支座處減幅分別為15.3%、6.6%、2.3%。

設置中央扣的方式實際上增強了加勁梁的縱向約束，因此減少了縱向位移的累積量，同時設置中央扣未增加支座以及梁端的縱向約束，使得該處的轉角位移也有所減少。中央扣的設置能夠提高懸索橋的剛度，對累積位移和轉角都有減弱的功能，但同時中央扣可能會增加加勁梁軸力。

4 結論

本文通過定性分析方法研究橋梁結構的體系參數（包括塔梁連接方式和纜梁連接方式）對附屬結構耐久性的影響，得到以下主要結論：

（1）對于塔梁豎向連接方式，中塔處豎向無連接相較于0#索、支座支承的方式而言更能減少縱向位移與轉角位移累積量，塔梁固結方式的減弱效果最顯著。

（2）對于塔梁縱向連接方式，中塔縱向連接剛度越大，對梁端以及支座處縱向位移量限制越大，但同時約束處轉角也有一定程度的增加，選取過程中還要考慮增加加勁梁的軸力。

（3）對于纜梁連接方式，設置中央扣的方式有利于減少縱向位移累積量，同時也能減少轉角位移的累積量，但不可忽視其對加勁梁軸力的增加。