天津市市政工程设计研究院天津300457
关键词：悬索桥；三塔两跨；中央扣；抗滑移安全；挠度；内力
1引言
悬索桥的传统设计是只通过吊索与加劲梁连接，跨中部位吊索很短，要采取特殊措施保证加劲梁横向移动时短吊索的柔性，从根本上改善短吊索存在问题的办法是设置刚性中央扣，大带东桥以及日本的许多悬索桥都采用这一措施。刚性索扣减少了其他短吊索的纵向和横向弯折，还能提高整桥的刚度，减少制动力引起的加劲梁纵向位移[1]。
通过研究单索的变形特点表明：在跨中采用中央扣把主缆和加劲梁连接在一起对于减小非对称荷载下的挠度具有显著的作用[2]。1994年Ostenfeld注意到，相对于普通悬索桥，中央扣大约可以减少竖向挠度25%。2001年CobodelArco通过参数分析，说明了无中央扣的悬索桥活载挠度的最大值不是在跨中，而是在1/4跨的位置，其活载作用的挠度包络图呈现“W”形。琼州海峡大桥结构可行性研究发现，由于中央扣的影响，会使活载挠度包络图由“W”形变成“V”形[3]。文献[3]认为中央扣并没有改变跨中的挠度，而是减小了1/4跨位置的挠度，从而使全桥活载挠度包络图的最大值减小约25%。以西堠门大桥为背景，通过研究两塔悬索桥，文献[4]结论认为：就单跨悬吊体系而言，中央扣对其整体刚度基本没有影响；就两跨悬吊体系而言，中央扣对两跨连续纵竖向弹性约束体系的竖向刚度有较显著的影响，而对其他体系的整体刚度影响很小；就三跨悬吊体系而言，中央扣对三跨连续纵竖向弹性约束体系的竖向刚度有较显著的影响，而对其他体系的整体刚度影响很小。文献[5]认为三塔两跨悬索桥中央扣的作用与两塔悬索桥有本质性的不同，中央扣是具有总体性质的主要受力结构。
2.分析思路
本文在无中央扣的三塔两跨悬索桥（泰州长江公路大桥基准模型）基础上分别计算了两主跨跨中各一对斜吊索、二对斜吊索、三对斜吊索形式的中央扣对结构刚度及内力的影响，并参照润扬长江大桥中央扣的截面形式，计算了两主跨跨中各一对刚性斜梁构成的中央扣对结构刚度及内力的影响。通过比较有无中央扣、斜吊索数量、柔性与刚性中央扣对结构整体刚度及内力的影响，以期得到有价值的结论。
一对斜吊索两对斜吊索三对斜吊索
图1中央扣示意图
图1绘出了三种形式的柔性中央扣有限元模型，图中均为左主跨的中央扣。以下为叙述方便，每种中央扣斜吊索从左至右依次编号，如两对斜吊索中央扣，斜吊索从左到右依次为1号、2号、3号、4号。以下有关斜吊索的内容，将依次按序号列出。
3计算结果
3.1对桥塔的影响
表1为跨中主缆与加劲梁不同的连接形式下，与中塔相关的计算结果汇总。
表1与中塔相关结果汇总
从表1中数据可见，跨中主缆与加劲梁不同的连接形式，对于中塔塔顶位移、中塔内力及应力影响显著。主缆与加劲梁间采用刚性中央扣，则中塔塔顶位移及塔柱内力、应力相比无中央扣形式显著减小；而中央扣形式不同，相互之间略有差别，从一对斜吊索到三对斜吊索再到刚性中央扣，中塔的塔顶最大位移及最大内力、应力依次减小。
3.2对主缆的影响
表2为跨中主缆与加劲梁不同的连接形式下，与主缆相关的计算结果汇总。
表2与主缆相关结果汇总
从表2中数据可见，跨中主缆与加劲梁不同的连接形式，对于主缆与中主鞍槽间抗滑移安全系数影响显著。主缆与加劲梁间采用刚性中央扣，则主缆与中主鞍槽间抗滑移安全系数最大，柔性吊索次之。而主缆缆力的最值则因采用中央扣而增大，表明因中央扣的存在，使得主缆承受更大的活载效应。
3.3对加劲梁的影响
表3为跨中主缆与加劲梁不同的连接形式下，与加劲梁相关的计算结果汇总。
表3与加劲梁相关结果汇总
从表3中数据可见，跨中主缆与加劲梁不同的连接形式，对于加劲梁的位移及内力影响显著。主缆与加劲梁间采用刚性中央扣，则加劲梁的活载挠度最小，柔性中央扣次之。采用柔性斜吊索形式的中央扣，加劲梁的最大、最小弯矩、加劲梁上缘的最大、最小应力均显著减小；而采用一对柔性斜吊索形式的中央扣及刚性中央扣，加劲梁下缘的最大压应力反而增大，计算表明此时加劲梁下缘压力应力最大包络值在短斜吊索处。
图2加劲梁活载挠度包络图
图2为加劲梁活载挠度包络图，对比的情况为3对斜短索形式中央扣模型与无中央扣的基准模型。从图中可见，中央扣对于提高三塔悬索桥的刚度较为显著：最大活载挠度下降了15.90%。挠度包络图的形状也发生了改变：远离中塔的两个半跨活载挠度降低的较多，靠近中塔的两个半跨，活载挠度降低得较少。
图5加劲梁活载轴力包络图
图3~5为采用3对斜短索形式中央扣模型的活载加劲梁内力包络图与基准模型的加劲梁活载内力包络图的对比。从图中可见，采用中央扣有助于减小中塔处的活载弯矩值，但中央扣位置的活载弯矩值、剪力值、轴力值会显著增大；整体的效果来看，采用中央扣使得弯矩包络值的最大、最小值均降低。
4结论
对于三塔两跨悬索桥而言，从上述分析可知：
（1）跨中主缆与加劲梁间采用中央扣相连接，显著降低中塔位移及内力。
（2）跨中主缆与加劲梁间采用中央扣相连接，显著提高主缆与中主鞍槽间的抗滑移安全系数，略微增大缆力的最大值。
（3）跨中主缆与加劲梁间采用中央扣相连接，显著降低活载挠度，虽然短斜索处加劲梁下缘活载压应力有所增大，但随着短斜吊索数量增多，加劲梁的活载内力、应力最值也比无中央扣形式有所降低，刚性中央扣对中央扣位置处加劲梁下缘受力不利。
（4）除对加劲梁的内力影响以外，采用刚性或者柔性的中央扣差别不大。
参考文献：
[1]林长川．江阴长江公路大桥缆索系统设计反思[J]．江阴长江公路大桥工程建设论文集[M]．人民交通出版社，2000，69-75
[2]NielsJ.Gimsing．CableSupportedBridges—ConceptandDesign[M]．WileyInterscience，1983
[3]郑凯锋，胥润东，栗怀广．悬索桥中央扣对活载挠度影响的详细计算方法[J]．世界桥梁，2009，No.2：51-53
[4]宋晖等．中央扣对不同悬吊结构体系悬索桥的影响分析[J]．中国工程科学，2010，Vol.12No.7：22-27
[5]王忠彬，万田保．泰州长江公路大桥三塔两跨悬索桥结构行为特征[J]．桥梁建设，2008，Vol.2：38-40