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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 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。

 

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图17 折塔斜拉桥上下塔柱最小弯矩设计原理

 

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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

 

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     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

 

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 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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