斜拉-悬索协作体系桥的施工与设计优化方案研究

朱永晖

（沧州市交通运输局，河北 沧州 061000）

1 引言

斜拉-悬索协作体系桥是将斜拉桥与悬索桥相互结合而形成的一种新型桥梁，适用于大跨径和特大跨径桥梁。同时，该协作体系桥兼具斜拉桥和悬索桥的优点，其梁端纵向位移大幅度减小，拥有更好的经济效益性能，能够较好地满足各类交通工具的过江需求[1]。随着大跨径斜拉-悬索协作桥建设需要的逐渐增加，其关键构件在风雨和交通活载影响下容易发生振动，并且在较低的风速下容易导致拉索的复杂振动，对桥梁的安全和可靠性造成严重破坏[2-3]。在工程实践中，斜拉-悬索协作体系桥往往因其相关设计方法不完善而导致工程进度延误，从而给工程带来了很大的经济压力。鉴于此，本文对斜拉-悬索协作体系桥的施工问题进行分析，并着重探讨了其设计优化方案，以期进一步提升该类桥梁的建设技术，确保道路与桥梁的安全性。

2 斜拉-悬索协作体系桥合理成桥状态优化

斜拉桥合理成桥状态中，成桥索力优化的方法大致可以分为零位移法、刚性支撑连续梁法、影响矩阵法以及弯曲能量最小法等。不同方法的特点、使用范围以及不足均不相同。悬索桥合理成桥状态的重点在于主缆成桥的线形，因为其与主缆的无应力长度计算以及索夹位置计算等关系紧密，所以尤为重要。在悬索桥发展历程中，主缆线形计算方法主要经历了近似计算法、解析迭代法以及有限元法3 个阶段。随着技术的突破，解析迭代法与有限元法因其计算精度的优越逐渐成为主流方法。

考虑斜拉-悬索协作体系桥的跨越长度较大，同时含有斜拉索密集、过渡区域的交叉索目数量较多等结构特征，因此，协作体系桥的合理成桥状态优化目标与原则应符合具体建设要求。将斜拉桥合理成桥状态的刚性支撑连续梁法、零支反力法以及悬索桥索力优化的有限元法作为基本方法，并以协作体系桥的建设目标与原则为具体优化方向，本文总结了一种应用于协作体系桥合理成桥状态计算的方法，并将其命名为分布优化法。实验过程中拆解桥梁结构构件，并使用ANSYS软件进行模型的系统迭代计算，按照一定的顺序对桥梁的吊筋、主缆、斜拉索、主梁以及桥塔的初始应变进行优化。接着找到缆索的合理初始张拉应变与塔梁构件的无应力长度，然后将构件结合成为整体微调偏差，最后即可得到斜拉-悬索协作体系桥的合理成桥状态。

具体优化步骤共分为8 步：（1）将所有主梁单元单独去除，并在索梁锚点与支座节点上面添加刚性支撑，以计算得到二期恒载作用下的刚性支撑的支反力；（2）对吊筋拉力值进行计算；（3）对中跨主缆线形进行计算；（4）计算边跨主缆线形；（5）计算中跨斜拉索初始应变；（6）计算边跨斜拉索初始应变；（7）计算桥塔、主梁初始应变；（8）完成前7 个步骤后，得到所有构件的初始应变与主链节点的坐标后，将所有构件组装成为全桥模型。其中刚性支撑连续梁法的计算见图1。图1 中使用虚线表示的主缆、斜拉索与吊筋仅用于标识刚性支撑的位置，不参与结构计算。

图1 刚性支撑连续梁法的计算示意

3 斜拉-悬索协作体系桥的设计优化方法

3.1 协作体系桥整体布置

在初步设计中，充分考虑桥位地质条件、建造相关结构的造价、抗风性能优、受力均衡以及城市造型美观等基本要求，并将已有相关桥梁分析结果作为基础理论，对研究方案涉及的主要构件尺寸进行拟订。以某跨海通道为研究背景，结合桥梁所处的地形特点，并考虑到跨径需要，设计采用缆索承重桥梁。斜拉-悬索协作体系桥兼具悬索桥与斜拉桥两种桥梁的特性，在塔高、主梁轴向受力以及悬臂构造长度等方面均比同跨度斜拉桥更小，但在刚度与抗风稳定性方面则比同等跨度的悬索桥更具优势。因此，研究拟采用主跨度为1 736 m 的斜拉-悬索协同体系桥进行方案设计。协作体系桥整体布置图如图2 所示。

图2 协作体系桥整体布置图

3.2 吊筋的内力设计

斜拉-悬索协作体系桥整体设计中，应将超限荷载对桥梁的影响充分考虑到设计方案当中，以确保整体桥梁的内力、吊筋索力、加劲梁竖向变形等重要参数以满足建造工程整体建设要求。在设计时，可根据悬索吊筋的拉索内力对桥面结构进行调整，以达到最优的整体应力状态，同时也可规避调整过程中的复杂因素，简化设计过程。而在计算桥梁吊筋内力时，可以试着将主梁线形与相应构件的受力状况纳入其中，并借助协作体系桥对施工结束后的桥梁受力下限值进行计算。在设计桥梁时，可采用吊筋张拉与索力双控制的方法，以吊筋位移为主，确定索力目标数值，吊筋张拉结束后，再对主梁进行高空作业控制设计。

3.3 桥梁主塔设计

协作体系桥梁主塔的设计，主要包括自身的结构构造和适应性的变形控制。在设计和建造的情况下，主塔可以利用拉索平衡内在承载力。由于桥梁长期服役、外部温度条件变化、阳光强度等因素影响，桥塔变形逐渐严重。在桥塔设计环节中，必须采取行之有效的方法减小该影响。特别是与桥塔顶部控制结构的应力状态相关的部分，可以设计一个主塔偏差监管测量方案，并在桥塔顶部设置观测点，利用高精度仪器对桥塔位移进行不定期测量。另外，设计阶段还应充分考虑环境因素对主塔形变测量的影响，通过对多种天气下的桥梁形变进行测量，达到保障桥梁预期的使用与服务效果。在此基础上，还需充分考虑桥梁荷载，但由于协作体系桥梁的主塔真实受力与理论计算结果之间可能存在较大差别，且无法充分满足误差参数辨识要求，可在单塔柱的底端与顶端设置应变敏感单元，以实现对主塔受力变化规律的优化与控制。

3.4 动力特性与振动受力设计

随着斜拉-悬索协作体系桥跨度的增大，桥梁动力特性的影响也逐渐增大。超长跨度桥梁对风的变化较为敏感，极易发生涡激振动现象，从而破坏桥梁而发生灾害。从流体力学的观点出发，当任意一种非流线形物体处于某一固定速度时，在其两翼上都会出现一个与其表面分离的旋涡。风致灾害可划分为两类：强迫谐振和自激振。强迫谐振会导致桥梁结构疲劳，影响行驶者的安全和舒适，而自激振动的振力更大，对桥梁的破坏也更大。因此，在设计时需要充分考虑桥梁的动力特性变化。

在协同体系桥梁设计中，需针对其所承受的颤振载荷所带来影响进行先行分析。当桥梁设计达到临界风速后，空气的反馈性，会不断导致桥梁持续吸收能力克服自身阻力，接着振幅逐步增大，最终破坏桥梁整体结构。任何一种主梁的断面都可能出现颤振，因此，在设计施工环节中，应对颤振投入更多关注。在桥梁设计环节，可以选择并利用分体式结构独特的断面形式，减小不同结构间的气压差、增加其气动阻尼，最终达到提高桥梁颤振临界风速的目的。在进行实际设计时，应充分利用协作体系桥横断面的主要面积与颤振邻接风速之间的相关性，以保证体系桥梁桥面上下两个方向的气流互不干扰，达到颤振稳定性要求。

4 斜拉-悬索协作体系桥的施工技术

斜拉-悬索协作体系桥的整体结构较为新颖，但该协作体系桥梁能否被广泛应用于现实生活中则与施工技术的选择与制定有着密切相关的关系。此处采用“先主梁后主缆”的施工方法，即先安装浇筑支架上的主梁后，再将主缆悬挂上去，然后将吊筋张拉上去，完成对主梁的脱模。施工的相关关键技术见表1。

表1 斜拉-悬索协作体系桥的相关施工关键技术

根据斜拉-悬索协作体系桥的自身特点，并以某大跨度体系桥梁为例，拟定了相关施工流程：（1）将主塔与副塔分开独立支架进行施工；（2）采用桥位膺架法，将钢筋-水泥混合料进行组合固定，并现场浇筑剩余混凝土箱梁，保留中间中跨合龙段，张拉主塔和副塔处的主梁腹板上的钢束；（3）完成斜拉-悬索状态，并进行脱架；（4）在副塔的位置，对塔梁处进行暂时加固，同时吊挂主缆、张拉背索和悬索节的斜拉索，并将其拆下；（5）对拉索进行调节，以保证收口段的左、右标高一致，线形满足设计要求；（6）对合龙段箱梁底部施以水平顶推力，并对合龙段进行现场浇筑；（7）在取消暂时限制的情况下撤销顶推力，从而实现协作体系桥的转变；（8）在纵向方向上对预应力钢束及合龙段钢束进行张拉；（9）开展桥梁面板施工。主缆-空缆的线形构造示意如图3 所示。

图3 主缆-空缆线形构造示意

5 结语

在斜拉-悬索协作体系桥的设计工作中，应注重结构的动态性能和总体刚度规范的建立，并充分考虑风振对桥梁动力特性与颤振稳定性能的作用。本文对该协作体系桥进行了初步的分析，并制订了设计优化方案与施工方案，能够有效提高斜拉-悬索协作体系桥在实际应用中的安全性与可靠性。