斜拉桥的合理成桥状态

斜拉桥的合理成桥状态

一、概述

在通常意义下，桥梁的设计必须遵照适用、经济、安全和美观的基本原则，这在桥梁的初步设计阶段显得尤为突出。桥梁初步设计要解决桥型方案问题，即根据行车、通航等使用要求，选定合适的桥梁类型和立面布置，确定主要的结构尺寸。对于斜拉桥方案，需确定塔的个数、主跨大小、边跨与主跨比例、主梁的截面形式和高度、主塔的形式、斜拉索的布置、主梁与塔和墩的连接或支承方式等主要参数。这些主要参数的确定通常是先根据经验初拟。进行结构分析计算出设计内力，进行截面设计确定配筋和验算应力或裂纹，如果内力和截面设计结果不合理。再修正有关参数重新作结构分析和截面设计，直至满足规范要求。传统的设计方法在计算设计内力时，通常采用一次落架法计算恒载内力，这对于结构体系比牧简单的桥梁（如简支梁桥，采用一次落架法施工的中小型桥梁）来说是可行的，但对于斜拉桥，由于斜拉索需要进行预张拉，因此即使采用一次落架法施工，结构内力的计算也不是确定的。斜拉桥一般采用悬臂法施工，最终的成桥恒载受力状态是通过施工过程一步步形成的，施工过程中斜拉索要逐根安装并进行张拉。施工工序和张拉索力决定了桥梁在施工过程中的受力，也决定了成桥的恒载受力状态。但张拉索力的确定又必须有一个已知的成桥恒载受力状态作为目标才能实现。因此斜拉桥的设计计算首先要解决成桥受力状态的问题。

前，桥梁的设计规范采用极限状态理论，分正常使用和承载能力两种极限状态。按正常使用极限状态验算结构刚度、截面应力或裂纹宽度：按承载能力极限状态验算截面的极限抗力。通常按弹性理论进行结构内力计算，按此内力进行验算。但由于斜拉桥为高次超静定结构，如果要分析结构的极限承载力，则必须考虑材料的塑性，充分计入材料和儿何非线性引起的结构内力重分布，才能真正求出结构的极限承载力，国内外在这方面有一些研究，但还有不少问题需要解决。

二、斜拉桥成桥受力状态确定方法

斜拉桥成桥受力状态包括成桥恒载内力状态和主梁线形状态，并且对于混凝土斜拉桥，由于混凝土收缩徐变的影响，成桥后相当一段时间内恒载内力状态和主梁线形状态会随时间变化，通常认为5年后才能基本稳定。成桥恒载状态应以混凝土收缩徐变荃本完成后的稳定状态为准，但在变化阶段桥梁也应能满足使用要求。

主梁线形状态主要指成桥恒载状态下主梁的标高符合设计标高的要求。这通常在初步设计阶段根据使用要求确定了桥下通航净空、桥面纵坡、竖曲线后就成为了一个明确的目标。

为了考虑活载的影响，通常还设里一定的预拱度。

成桥恒载内力状态可以按一次成桥（形成桥粱最终结构）的方法来确定，特别是在初步设计阶段，可以暂不考虑具体的节段施工过程，只针对于最终的成桥状态来确定其内力状态。这实际上也是定出一个成桥的受力目标。

斜拉桥的成桥状态确定是设计中要解决的一个结构受力问题。现代斜拉桥从1955年瑞典修建的主跨182。6米的Stromsund钢斜拉桥以来还只有40多年的历史，早期的斜拉桥以稀索体系为特征，如1962年委内瑞拉的主跨235米的Maracaibo桥，每个塔上只有一对索，由于索的数量少，成桥方法也较简单，容易用试算的办法人工调整索力来满足结构的受力要求。1967年德国波恩建成的Friedrich—Ebert桥，跨径280米，该桥采用了密索体系，它可以使索的锚固力减小，主梁受力均匀，易于悬臂施工，这个设计构思为以后的斜拉桥作出了典范，今天的斜拉桥几乎都是密索体系，主梁截面轻型，以受压为主。密索体系使斜拉桥成为了高次超静定，主梁受力对索力大小很敏感，为了寻求合理的成桥受力状态，各种方法应运而生，主要方法有：刚性支承连续梁法；零位移法；内力平衡法；指定应力法；弯曲能量最小法；弯矩最小法；用索量最小法和影响矩阵法。

1）刚性支承连续梁法。该法是使用最早的方法之一，其原理是，把斜拉索提供的弹性竖向支承视为刚性的竖向支承，按普通连续梁求出这些刚性支承的反力，以此作为斜拉索索力的竖向分力。这种方法确定的索力可能导致索力跳跃很大，不均匀，但主梁有矩很小。对于不对称结构塔的有矩难以照顾，所得结果将难以应用。

2）零位移法。该法是通过合理选择索力使成桥状态结构在恒载作用下，索梁交点处位移为零。这种方法由于受力原理与刚性支承连续梁法类似，因此，结果也很一致，而此法由于计入了索的水平分力影响，更为合理些。此法同样有对于不对称结构，塔的有矩难以照顾的问题。

3）内力平衡法。该法是以控制截面内力为目标，通过合理选择索力，来实现这一目标，控制截面可包括主梁和塔，因此，主梁和塔的内力都可照顾到，如控制截面及相应的控制值选择合理，效果会比前两种方法好，但同样有索力可能不均匀的问题。

4）指定应力法。该法是以控制截面的应力为目标，方法和效果与内力平衡法类似。

5）弯曲能量最小法。该法是以结构（包括梁、塔、墩）弯曲应变能作为目标函数，如果不加任何约束条件（即无约束优化问题），则该法在应用时，可转变为作一次结构分析的问题，其中只要让梁、塔、索的轴向刚度取大数，梁和塔的弯曲刚度不变，把全部恒载加在结构上，所得的内力状态即为所求。这样求出的结果一般弯矩均比较小，但两端的索力不均

匀，如人为作索力的局部调整，容易将受力状态调乱，较难得到索力和梁塔内力均满意的结果。另外，由于未考虑活载的影响，因此，恒载弯矩小并非都合理。

6）弯矩最小法。该法是以结构（包括梁、塔、墩）弯矩平方和作为目标函数，其结果与弯曲能量最小法接近。

7）用索量最小法侧。该法是以索力乘索长的累计值作为目标函数，一般要加约束条件，如索力均匀性约束，控制截面内力约束，用这种方法时，约束条件的选取至关，要，选取不合理，则难以获得理想结果。

由于实际的成桥状态是由施工过程一步步生成的，并且成桥后的前几年桥梁的内力和主梁线形还因混凝土收缩徐变的影响而变化，因此，这样确定的成桥主梁线形状态和恒载内力状态只能作为一个目标值，为下一步确定施工状态明确一个成桥目标。