
桥梁结构体系的研究、优化与创新
肖汝诚1
陈
红1
魏乐永2
(1.同济大学,上海200092;2.中交公路规划设计院有限公司,北京100010)
摘要:近年来,随着桥梁美学理念的提升和景观要求的提高,桥梁造型不断创新。但与此同时,因规范、地域差异和设计师对结构设计与施工的认识偏差,出现了不少不合理的结构体系,造成造价升高、安全降低、施工麻烦、养护困难的现象。结构体系的合理性及其优化和创新问题突显,对桥梁结构体系的研究显得越加迫切与重要。首先明确结构体系的概念———“结构体系是结构功能、外形及其受力形态的统一”,并讨论桥梁结构体系研究的内容与意义,为开展桥梁结构体系的研究奠定基础。在此基础上结合工程实例,介绍体系优化与创新的方法,也为工程师在设计工程中进行合理的体系创新与优化提供借鉴。关键词:结构体系;体系优化;体系创新;受力形态中图分类号:U441
文献标识码:A
文章编号:1000-131X(2008)06-0069-06
Study,optimizationandinnovationofbridgestructuresystems
XiaoRucheng1ChenHong1WeiLeyong2
(1.TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
2.ChinaHighwayPlanningandDesignInstituteConsultants,Inc.,Beijing100010,China)
Abstract:Inrecentyears,withthebridgeaestheticconceptionandlandscaperequirementimproving,configurationof
bridgesisbecomingmoreandmoreinnovative.But,becauseofthecodeandregiondifferencesandinconsistent
designers’
understandingofstructuraldesignandconstruction,manyunsuitablestructuresystemshavebeenemployed,resultinginincreasedcost,reducedsafety,constructioninconvenience,curingdifficulty,andsoon.Therefore,therationalization,optimizationandinnovationofstructuralsystemshavebecomemoreurgentandimportantforbridgestructuressystems.Theconceptofstructuresystemsisproposed,andthecontentandsignificanceofthestudyofbridgestructuresystemsisdiscussed.Withrespecttotheexamples,themethodforsystemoptimizationandinnovationofbridgestructuresisintroduced.
Keywords:structuresystem;systemoptimization;systeminnovation;strainedconditionE-mail:xiaorc@mail.tongji.edu.cn
土木工程学报CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL
第41卷第6期2008年6月Vol.41No.6Jun.
2008
引言
改革开放以来,我国建造了数以万计的桥梁,积
累了宝贵的建桥经验,对传统桥梁的设计、施工已成为成熟产业在发展。近年来,随着桥梁美学理念的提升和景观要求的提高,桥梁造型不断创新,大批国外建筑师涌入中国建桥市场,为我国桥梁发展注入了新
的理念。我国桥梁设计企业为了应对国际竞争,也在
桥型上不断创新,使我国建成的桥型千姿百态,丰富了城市建筑景观。
但与此同时,因规范、地域差异和设计师对结构设计与施工的认识偏差,也出现了不少不合理的结构体系,造成造价升高、安全降低、施工麻烦、养护困难的现象。结构体系的合理性及其优化和创新问题突显,科技部在“863计划”中设了专题开展对“大跨度斜拉桥体系”的研究正是为了解决这类问题。
近年来,桥梁结构体系的研究日趋增多,但对“桥梁结构体系”的理解、解释各不相同。为此,作
・
・土木工程学报2008年
图1拱桥简图
Fig.1
Sketchesofarchbridges
者在本文中就“桥梁结构体系”的定义、研究范畴以及体系优化与创新等问题谈谈自己的想法,也可谓抛砖引玉,引出同仁们的深刻讨论。
1桥梁结构体系
海诺・恩格尔[1]将结构体系定义为“结构内部荷
载的传递方式以及为保持结构内部平衡而形成的内力状态”
,国内有学者将其定义为“结构主要的受力系统”[2]
……。作者认为,结构体系是结构功能、外形
及其受力形态的统一。
结构功能是结构体系的第一层次,如房屋结构的功能是为居住形成必须的空间,主要是围护结构;桥梁结构功能是供人和物体跨越障碍物(河流、山谷等),主要为跨越结构。
结构形式是结构体系的第二层次,根据结构形式,桥梁结构体系可以分为:梁式体系、拱式体系、斜拉桥体系、悬索桥体系以及协作体系等基本桥型体系。
结构受力形态是结构体系的第三层次,受力形态包括结构内部荷载的传递方式及其平衡时的内力状态,它是结构体系的内核。同一桥型体系的结构受力形态仍是千差万别的,其最主要的影响因素可归纳为
3个方面:!"外界对结构体系的约束,如结构体系是
否静定将决定温度、支座沉降等对结构体系的影响;
#$结构内部主要受力构件间的连接(传力)形式,
如斜拉桥塔、梁、墩的连接形式将影响结构体系内部荷载的传递;%&主要构件间的受力分配,如梁拱组合体系中有刚拱柔梁与刚拱刚梁及柔拱刚梁之分。
从以上3个层次去定义结构体系,可以将桥梁结构体系与其他结构体系区分开,并能系统地表述桥梁的轮廓及其基本的力学性能,同时也为系统研究桥梁结构体系奠定了基础。
2
桥梁结构体系的研究、优化与创新
2.1
桥梁结构体系的研究
研究桥梁结构体系的目的是为了摸清体系自身的
受力特性,以便开展桥梁结构体系的优化,并因地制宜地应用于实际工程。体系研究在内容上可分为以下几个方面:
(1)桥型体系的综合力学特性研究———摸清各种桥型体系的综合力学特点及其适用范围,为桥型选择提供依据。这方面的研究已有许多成果;
(2)同一桥型不同受力体系的对比研究———摸清各受力体系间的共性与特殊性,为因地制宜地选择桥梁受力体系提供理论依据,具体可从桥梁结构受力形
态的3个方面展开;
(3)参数研究———不同设计参数对同一桥梁体系的受力影响研究,为合理设计结构提供理论依据;
(4)新型桥梁体系的力学性能研究;
(5)新材料、新工艺对传统桥梁结构体系的影响研究。
体系研究应与施工问题、美学问题以及造价问题结合起来。
2.2桥梁结构体系的优化
体系优化的目的是在桥型不变的情况下,通过改
变体系第三层次的内容,使桥梁结构受力更加合理,施工更加方便,更具经济性、可养护性。体系的优化是基于体系研究的,不同于传统意义上的结构优化。
体系优化必须根据桥址处的实际情况和施工条件,抓住主要矛盾,开展广泛的对比研究,从多方案中选择最优体系。
2.3桥梁结构体系的创新
现代桥梁创新在设计层面上讲无非是体系创新与
材料创新。桥梁结构体系创新是为满足特定建桥条件而对基本桥梁结构体系进行改变、组合或对其受力形态进行变化而做的创新工作。正是由于体系创新,才出现了现今丰富多样的桥梁结构。结构体系的改变能从根本上改变结构的力学性能,从而突破结构自身的瓶颈。
中国传统的拱桥因其在拱脚处产生水平推力,所以难以在软土地基中应用,极大地束缚了它的发展。为了避免拱桥推力对基础的影响,发展了部分有推力和无推力拱桥(图1)。
(a)有推力体系
(b)
部分有推力体系
(c)
三跨连续无推力体系
(d)
简支无推力体系
70
・
・第41卷第6期跨越科林斯海湾的希腊Rion-Antirion桥[3-4]
(图2
),桥位处岩床深度超过500m,2000年重现期的地震最大峰加速度达1.2g,且半岛以每年8 ̄11mm速度漂离,因此抗震安全是设计最主要的控制因素。
为了避免强大的地震力作用,该桥选用五跨连续的全漂浮体系斜拉桥,并且将高65m、墩底基座直径为90m的圆形桥墩放在直径为2m深25 ̄30m钢管桩上加固,上面铺以砂、卵石和碎石组成的3m厚垫层,
形成可相对滑动的“加筋土隔震基础”
(ReinforcedSoilFoundation)
上,这一种创新的基础
形式(图3)为斜拉桥创造了一个新的体系形式。
图2希腊Rion-Antirion桥总图
Fig.2PanoramicviewoftheRion-AntirionBridgeinGreece
图3
希腊Rion-Antirion桥隔震基础
Fig.3
DampingfoundationoftheRion-AntirionBridge
inGreece
图4四座桥梁效果图
Fig.4Renderingoffourbridges
(a)天津市国泰桥(b)昆山市玉峰大桥
(c)昆山市夏驾河桥(d)宁波市惊驾桥
图5
固端拱体系结构简图
Fig.5
Sketchofthestructuresystemofafixedarchbridge
3体系优化与创新的工程实例
桥梁结构体系的优化与创新应建立在体系研究的
基础上,因地制宜,抓住主要矛盾。下面结合作者主持设计的4座桥梁(如图4所示),谈谈桥梁体系优化和创新。
(1)天津国泰桥
国泰桥为天津跨越海河的桥梁,4家国际知名设计
企业参与竞争,桁架式拱桥中标,中标单位采用固端拱
体系(如图5所示),研究表明主要存在如下问题:
肖汝诚等・桥梁结构体系的研究、优化与创新
71
・
・土木工程学报2008年
表1
结构体系对比
Table1
Comparisionbetweenstructuresystems
图6中承式三跨无推力拱梁组合体系结构简图
Fig.6
Sketchofthethree-spanhybridstructureofabridge
ofarchandbeamwithoutthrust
支承约束拱脚固定,有推力拱脚铰支,无推力
基础受力竖向力+水平力+弯矩仅竖向力拱肋传力路径不平顺传力路径明确平顺对比项目固端拱体系无推力梁拱组合体系水平推力
平衡方式基础与系梁内设置的
水平拉索系梁自身承担桥面系主桥伸缩缝影响行车舒适
主桥无伸缩缝桥头建筑工程量大,须设置
竖向预应力
工程量小,无须设置
竖向预应力
抗震性能
较差
较好
技术难度大小安全性有安全隐患
好图7
昆山市玉峰大桥———无推力斜靠拱体系
Fig.7
KunshanYufengBridge———
Theleaningarchbridgewithoutthrust
表2
昆山玉峰桥两种结构体系比较
Table2
Comparisionbetweentwostructureschemesfor
KunshanYufengBridge
(a)
平面图
(b)断面图
(c)斜拱受力简图
有强大基础的有推力体系
基础造价较高,且长期荷载作用引起的水平位移能否稳定不能保证,即结构
有隐患斜拱拱脚可一直延伸至地面,可作为下桥人行道的组成部分,整体性好、美
观
地下张拉水平拉索的无推力体系
水平拉索埋深要足够大,大大增加斜靠拱跨度,增大造价,且水平索无法检查、更换,为今后留下隐患
同上
方
案
缺
点
优
点
桥面下张拉水平拉索的无推力体系
桥梁在拱脚处可能产生不连续,影响美观
结构合理安全,造价经济,结构在长期荷载作用下无任何隐患,拱脚处经适当处理,仍可保证整体美观
1)天津为软土地基,固端拱体系在基础上不仅产
生水平推力,还有较大的弯矩,长期荷载作用引起的水平位移稳定性不能保证,结构有隐患,这是体系与建桥条件的主要矛盾;
2)为减小常年温差对结构的影响,需在拱梁连接
处设置牛腿,水平推力只有依靠通长的水平拉索承受,桥面需设置多道伸缩缝,使得结构构造复杂,并影响行车舒适度;
3)桥头建筑需传递拱肋上弦的拉力,受力复杂,
且体系的抗震性能较差。
作者在对该方案进行深入分析和研究的基础上,抓住主要矛盾,提出了优化的结构体系———中承式三跨无推力拱梁组合体系(如图6所示)。该体系充分保留了原方案的功能、造型与景观,通过改变体系外界约束以及内部构件的连接方式,解决了上述问题:
1)改拱脚处固结为铰支,释放水平方向约束,基
础只受竖向力,水平力由主梁承受;
2)结构水平方向自由伸缩,因此年温差对内力影
响较小,拱梁处可采用固结,桥面无需增设伸缩缝;
3)桥头建筑与主结构分开,仅作景观,体系抗震
性能大大改善。
两结构体系对比如表1所示,显然经过体系优化,不仅结构受力性能得到显著改善,且使整体工程造价降低,建安费节约1000多万元。
(2)昆山玉峰大桥[5]
玉峰大桥为昆山市跨越樾河的城市景观桥梁,主跨110m,桥面横向最宽处60.9m,外型采用斜靠拱。对于传统的斜靠拱体系,主拱无推力,斜拱有推力,拱脚延伸至地面,形成优美的连续曲线(如图
4b所示)。昆山地区为典型的软土地基,因此,处理
好斜靠拱的水平推力成为体系优化的关键。
有3种体系可供考虑,其优缺点比较见表2。作者采用了在桥面下张拉水平拉索的无推力体系,并通过改变结构的外界约束条件,在拱梁结合处设置一竖向约束(如图7c所示),解决了斜拱拱脚不连续的问
72
・
・第41卷第6期图8传统无背索斜拉桥与无背索部分斜拉桥
Fig.8Traditionalcable-stayedbridgewithoutbackstaysandpartlycable-stayedbridgewithoutbackstays
图9昆山市夏驾河桥———无背索部分斜拉桥体系
Fig9KunshanXiajiaBridge———
partlycable-stayedbridgewithoutbackstays
(a)惊驾桥原结构体系简图
(b)惊驾桥优化结构体系简图
图10惊驾桥结构体系简图
Fig.10
SketchofstructuresystemofJingjiaBridge
(a)传统无背索斜拉桥(b)无背索部分斜拉桥*
*一部分荷载由斜拉索传至斜塔,最后传到基础;另一部分由主梁传递到两边基础
题。斜拱的水平推力由系梁承担,竖向力在拱梁结合处直接传至基础,斜拱仍伸至地面,保证了拱曲线的连续性,但基本不受力,这样不但能保证造型,且大大节省了造价,结构安全可靠。
(3)昆山夏驾河桥
[6]
主跨60m,桥型定为无背索斜拉桥。传统设计中无背索斜拉桥(如图8a所示)
为保证结构平衡,
需满足WL・x1=WT・x2,这就要求塔重而刚,会造成外型有头重脚轻之感,并使造价提高。作者通过改变结
构内部构件的受力分配,创新提出无背索部分斜拉桥体系(如图8b所示),通过张拉主梁预应力,使一部分荷载由梁承担。
WL=WL1+WL2,WL1由主梁承担,WL2由斜拉索传
至斜塔,最后传到基础,因此只需满足WL2・x1=WT
・x2,可以大大降低对塔重的要求,使桥塔轻盈美观,
便于施工,并充分利用了主梁的材料,降低造价,从而开创了这一桥型的新体系。
(4)宁波惊驾桥
惊驾桥为宁波市跨越甬江的大桥,数家国际知名设计企业参与竞争,斜塔斜拉桥中标,中标单位采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系(如图10a所示)。塔梁固结体系需专门设计超大承载能力(147.1MN)的支座,也为养护带来麻烦,此外还需考虑主塔抗震挡块的设置,构造复杂。
作者在对该方案进行深入分析和研究的基础上,提出了优化的结构体系———塔墩固结体系(如图10b所示):1)采用塔墩固结方案,结构体系的水平约束可以释放,对结构整体受力影响不大;
2
)地震力由主墩强大的基础来承担,从而回避了
塔墩非固结形式下地震力给锚固墩带来的不利,另外全桥的制动墩也转移到主墩处,可以取消原体系中的制动墩,还减小了锚固墩的上拔力。
主墩固结,省去了该处2个147.1MN的支座以及
制动墩处2个19.6MN级的水平支座,也避免了大吨位支座养护与更换的麻烦,节省了建设投资与养护费用。
4小结
(1)本文明确了结构体系及其内涵,为开展桥梁结构体系研究奠定了基础;
(2)剖析了桥梁结构体系的受力状况、传力途径和设计参数间的影响,给出了研究桥梁结构体系的方
法;
(3)开展对体系的优化和创新,对于优化结构受力、减少建设投资、提供施工方便、减少养护费用具有十分重要的意义;
(4)桥梁体系的变化空间是无限的,体系变化为桥梁这门古老的工程学带来了新的生命。
肖汝诚等・桥梁结构体系的研究、优化与创新
73
・
・土木工程学报2008年
肖汝诚(1962-),男,博士,教授。主要从事桥梁设计理论等方面的研究工作。陈
红(1976-),女,博士研究生,工程师。主要从事桥梁结构体系方面的研究。魏乐永(1981-),男,硕士。主要从事桥梁结构体系方面的研究。
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