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两百年来桥梁的进展和本世纪的展望(三)—桥梁结构的演变与组合(下)

2011-01-08 12:01:22| 分类： 200年来桥梁的进 | 标签： |举报 |字号大中小订阅

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（续前）

3．拓扑变形法((桥型变化的三个拓扑方法（修订）))

这种方法在斜拉桥和拱桥中广为应用，表4中列举了合并分蘖、折弯、倾斜几种变形法。其中合并分蘖是物理变形，不是纯粹的几何变形，但是在变形中互为因果，所以都列在拓扑变形法之中，或称为‘物理——拓扑变形法’较为恰当。

表4 桥型变化之拓扑变形法

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3.1．合并分蘖

3.1.1．无背索斜拉桥

图15西班牙Seville桥是第一座无背索斜拉桥（1992年），跨径200m。它可以由双跨独塔斜拉桥变化而来，当边跨主梁和塔互相靠拢直至合并，就成了无背索斜拉桥。

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图15 Seville Allamillo桥

3.1.2．树形塔斜拉桥

图16沈阳三好桥为，主桥跨径270m，与前者相反，独塔（此处独塔两枝用横梁连成拱形）分蘖为二，再张开，斜拉索依然藕断丝连的牽在两塔之间，见图16左和右上图。2009年贵州荔湾仿建一座，两个分离式拱形塔一高一矮，见图16下图。

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图16 沈阳三好桥和贵州荔湾桥

3.2．折弯

表3中左侧，鹿特丹的折塔斜拉桥；西班牙的跨径155m的弯曲塔Valencia桥；1992年建成的成田机场的拱形塔斜拉桥，主跨76m，拱跨101.4m。

悬臂塔一般要求塔柱弯矩尽可能的小，恒载状态折塔的上塔柱根部弯矩可以达到零，但是上塔柱中部有不平衡力产生的弯矩，见图17左图。下塔柱可以调整折角，使恒载状态为压杆，见图17右图。曲线悬臂塔同样可以调整曲率和斜率，使塔在恒载状态是压杆，弯矩接近为零，见图18。

图17 折塔斜拉桥上下塔柱最小弯矩设计原理

图18 曲塔斜拉桥塔柱设计原理

表3中右侧西班牙Seville的Barqueta 桥,单索面分叉肋拱也属于这种类型，但是还含有合并分蘖的因子。台湾花莲附近也有一座类似的拱桥。

3.3．倾斜

在世纪交接之际流行倾斜结构，特别是城市桥梁，为标新立异，流行歪斜结构。表3中末行依次是迪拜即将开工的一座主跨225m的伸臂式斜塔斜拉桥、倾斜矮塔斜拉桥、主跨300m的南宁邕江桥、2004年建成的长154m的天津大沽“日月拱”桥。

国外大量修建这种倾斜拱桥，最著名的是图19的Millennium 桥，是一座开启桥。有船舶通过时，拱和弯曲主梁绕着拱足的轴竖向旋转，二者之间由拉索联系，拱向下压、曲梁上翻，提高净空让船舶通过。全桥主跨126米，桥宽8米，钢结构用料800吨。总耗资2200万英镑，建筑师Wilkinson Eyre，结构师Gifford Graham & Partners，结构计算使用LUSAS完成。

Bedford（贝德福德）蝶形桥是建筑师 C. Wilkinson 和 Partners 结构工程师Jan Bobrowski 和 Partners设计的，并且获得了1995年英国国家设计竞赛奖。评语是‘在20世纪结束和21世纪开始之际，创造了一个值得记忆的地标符号’。因此，掀起了歪拱之风。

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Millennium 开启桥（2001年） Bedford蝶形桥(1995年)

图19柔性吊杆斜拱桥

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西班牙Valencia桥（1995年）罗马Della Musica 桥（2000年）

图20 刚性吊杆斜拱桥

柔性吊杆倾斜拱（图19、21左）在拱平面与吊杆平面之间由有偏离距，以平衡拱的倾斜力，倾斜塔斜拉桥与柔性吊杆倾斜拱类似。刚性吊杆倾斜拱（图20、21右）以吊杆抗弯来平衡，而且还可以平衡横梁的正弯矩。

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图21 倾斜拱的柔性吊杆和刚性吊杆

4．拓扑承式法

在表1中Q33单纯性拱桥一栏中注有‘下中上承式’实际上还有一种‘直承式’，就是荷载直接作用在基本构件元素上，列如下表。Q11栏中注‘正反吊桥’说完整了就是‘下中上直承式’悬索桥，不过后三种少见，拱桥的四种承式常见，悬索桥的后三种承式介绍如下。

表5桥型变化之拓扑承式法

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4.1中承式悬索桥

在桥下净空容许的情况下，为减少它的建筑高度，可以采用中承式，跨中部分吊杆改为支撑杆，桥梁的整体刚度较大，空气动力性能较好（图22）。

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图22 都柏林空港Metro West Liffey Valley 桥（2009年）

4.2．上承式悬索桥

4.2.1．典型上承式悬索桥——上承式自锚悬索桥

上承式悬索桥可以采用两排或多排悬索，悬索可以支承在于制板下或包裹在混凝土之中，比较刚劲，成一片悬带，也称悬带桥。这种桥在施工阶段需要设置临时的锚碇，成桥以后桥面系可以作为受压构件用来平衡悬带的拉力，变成自锚鱼腹梁式刚架。

图23是1989年1月建成通车的湖南洞口淘金桥，是一座自锚上承式悬带桥。桥长74m，设计跨径70m，矢跨比1/9，桥面宽4.5m 。该桥上部结构由端锚梁、连续T梁、盖梁排架和主索悬带组成。用以锚固两组由48根Φ5钢丝组成的主索。在预制悬带槽形底板安装完成后，现浇主柱排架，然后安装T梁和现浇横隔板。在浇注悬带槽内的混凝土后再放松外锚使整个结构形成自锚体系。图23左上角是哥斯达黎加的科罗拉多桥（1972年）。

4.2.1．非典型上承式悬索桥——矮腿刚构桥[8]

2003年至2004年，在瑞士还出现一种称为“矮腿刚构桥（Rigid frame bridge with underslung main span）”的上承式悬索结构，由于支撑杆件很少，也可以说是一种体外与应力梁，见表6和图24、图25。它的建筑高度比一般的与应力简支梁还小，普通钢筋混凝土桥面板也不算太厚，是一种很经济的桥型。

矮腿刚构桥（单位：m）表6

桥名	桥址	国家	跨径	建筑高度	宽度	桥面板厚	功能
Gravatscha桥	Flaz河	瑞士	29	1.50	4.6	0.25~0.47	道路
Acla Chuoz桥	Flaz河	瑞士	33	1.60	6.6	0.25~0.50	道路

图23 湖南洞口淘金桥图24 Gravatscha桥（2003年）

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图25 Acla Chuoz桥（2004年）

4.3．直承式悬索桥

直承式悬索桥，可用钢筋、钢绞线、型钢两端锚定在基础上，直接承受荷载，很少见，一般只作为人行或非机动车辆通行桥梁(图26、图27)。早在20世纪50~60年代有过T构+预应力砼悬带的408m跨径串联式混合型桥梁设计（图28）[6]，终因斜拉桥的异军突起而胎死腹中。

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图26 德国悬带桥图27 温哥华Capilano River桥

图28 德国Bosporus河悬带桥方案

2008年建成的圣地亚哥Hodges人行悬带桥，3×100.56m，中垂度1.41m，用两根索支承预制桥面板，见图29[7]。

广义上上来说，刚拱柔梁的上、中、下承系杆拱，也可以采用悬索作为行（走）车系，借以平衡拱的水平推力，例如：捷克Olomouc桥行走系下有两根悬索（图30）[7]、美波特兰市麦克劳林桥行走系两侧吊杆下各有一根悬索（图31）[7]。

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图29 Hodges桥图30 Olomouc桥图31 麦克劳林桥

参考资料

[1]刘效尧蔡健刘晖．桥梁损伤诊断．人民交通出版社．2002．

[2]周念先．预应力混凝土桥梁．上海科学技术编译馆．1962．

[3]吴巨军郑江敏刘小庆.连续梁-提篮拱组合体系桥应用.公路.2010.04

[4]lxyah.blog.sohu.com

[5]www.google.com；www.sohu.com；www.baidu.com

[6]邵旭东程翔云李立峰．桥梁设计与计算．人民交通出版社．2007．

[7]Jiri Strasky.悬带拱人行桥.桥梁总第37期.2010年.第5期.

[8] http://en.structurae.de/structures/stype/index.cfm

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