协作体系斜拉桥结构受力特性及其高跨比探讨

张一卓

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

0 引言

协作体系斜拉桥与非协作体系斜拉桥在结构的受力特点上与常规斜拉桥有很多区别，例如:协作体系斜拉桥整体刚度大，位移小;变形协调性能好，内力分布均匀;跨越能力增大，节省造价。尤其是在汽车、温度以及风荷载等其他可变荷载作用下，协作体系斜拉桥的主跨与相邻的连续梁协作跨一起承担，其显示出来的协调性及整体性均优于非协作体系的斜拉桥。但是一味的通过协作跨提高结构刚度，而过分的追求斜拉桥主梁的轻薄，也是不科学的。

1 可变荷载下，两种体系斜拉桥荷载效应的对比

以某主跨为260 m的独塔斜拉桥为例，采用协作体系的方案与非协作体系的方案，在汽车、人群、温度荷载以及风荷载等活荷载作用下，对比主梁弯矩、位移、主塔位移等荷载效应(见表1，图1，图2)。

表1 荷载效应对比表

图1 非协作体系斜拉桥模型

图2 协作体系斜拉桥模型

通过以上分析，在汽车与人群荷载的作用下，跨中弯矩:协作体系比非协作体系减少26.3%;主梁最大竖向位移:协作体系比非协作体系减少20.8%;塔顶顺桥向位移:协作体系比非协作体系减少22.9%。

在温度荷载的作用下，跨中弯矩:协作体系比非协作体系减少4.0%;主梁最大竖向位移:协作体系比非协作体系减少6.8%;塔顶顺桥向位移:协作体系比非协作体系减少7.0%。

在顺桥向风荷载的作用下，跨中弯矩:协作体系比非协作体系减少28.5%;主梁最大竖向位移:协作体系比非协作体系减少22.2%。

由此可见，在添加了协作跨以后，斜拉桥主梁弯矩，位移及塔顶位移在各可变荷载的工况下，有了明显的改善。这一切都源于协作跨增大了桥梁的结构刚度的结果。

诚然，协作跨的出现使主梁的刚度有了很大的提高，但是不能仅仅依靠协作跨去提高结构的刚度，尤其是在活荷载的作用下。

2 协作体系斜拉桥高跨比

随着近些年来我国交通事业的发展，超载及重载使过去一段时间内人们追求的主梁轻薄的概念逐渐转变。在主梁结构高度降低后，由于梁体抗弯惯矩的大幅下降，使得主梁变形增大，对主塔的限制能力下降，所以塔顶会产生较大的位移，即便是协作体系斜拉桥也不能仅仅依靠协作跨的作用，而是应当适应日益增长的交通量、重载及超载的要求，适当确定梁高。

斜拉桥主梁的结构高度与塔柱刚度、索形、索距及索的刚度有很多关系，当仅主梁结构高度降低时，梁体挠度增加。因此，对于协作体系来说，主梁梁高的降低，导致主梁惯矩的降低，削弱了结构的刚度，恒载内力也会随之减小，但活载内力并未减小。实际上，活载内力不会由于结构梁高降低，而使其产生的支点负反力增大。

尽管协作体系的斜拉桥一定程度上提高了结构的刚度，但不能因此而降低梁高来抵消协作体系增加的结构刚度。因此得出结论:梁体断面宜高不宜低，对于跨径大于150 m的斜拉桥，建议梁的高跨比在1/100～1/150之间，而跨径小于150 m的斜拉桥的主梁高跨比在1/100以内，综合国内近期建成的协作体系斜拉桥来看，主梁高跨比甚至可以取到1/40。

3 结语

1)根据实桥的计算分析，协作体系斜拉桥在可变荷载的作用下，结构刚度有显著的提高。

2)根据现阶段的交通状况及近期新建协作体系斜拉桥梁高的选取，提出协作体系斜拉桥不应以牺牲梁高为代价而过分追求结构的轻薄，而是应该以协作跨增加的刚度去适应当今社会的重载及超载的运营条件。

[1] 戴利民，石志源.独塔协作体系斜拉桥设计参数分析[J].西安公路交通大学学报，2000，20(1):34－38.