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1、工程力学论文 浅谈在实际工程中桥梁塔数的选择-以南京长江二桥和泰州长江大桥为例吴进（05211105）（东南大学，南京 211189）摘 要： 简要从结构安全稳定性、施工难度和经济等角度分析大跨度桥梁桥塔数的选择，本文主要以南京长江二桥和泰州长江大桥为例阐述二塔和三塔各自的利弊。关键词： 桥塔数、稳定性、施工难度、经济Discussion on the choice of the number of bridge towers in practical engineeringWu Jin(Southeast University, Nanjing 211189)Abstract: N brie
2、f analysis from the stability of the structural safety of the construction difficulty and economic point of view the choice of the number of bridge towers.This paper mainly compares The Second Yangtze River Bridge in Nanjing with Taizhou Yangtze River Bridge.key words: Tower number Stability, the di
3、fficulty of construction, economy引言在江苏范围内的已建或在建的八座长江大桥中大部分是采用双塔桥墩形式，而在 2012 年 11 月 25日正式通车的泰州长江大桥却独创一格采取三塔结构，在此我想简要地用控制变量法从整体结构的稳定性、施工时间长度和难度、花费资金量等角度，以南京长江四桥和泰州长江大桥为例，逐一分析双塔和三塔各自的优缺点。最后总结出在大跨度桥梁工程中采用何种方案更加合理和节约成本。两桥结构简介南京长江第四大桥位于南京长江第二大桥下游约10 公里处，是中国首座三跨吊悬索桥，被誉为“中国的金门大桥”， 全长 28.996 公里，其中跨江大桥长约 5.44
4、8 公里，主跨采用 1418 米三跨吊悬索桥方案。南京长江四桥总投资 68.6 亿元，全线按双向六车道高速公路标准设计，其主缆分跨为(166+410.2)+1418+(363.4+118.4)=2476m；塔顶主缆理论交点标工程力学论文 高 234.2m，主缆中心线最低点标高为 234.2m-157.50m=76.7m，主缆垂跨比 1/9.003，跨江大桥长约5.5 公里。主缆采用高强度镀锌平行钢丝索股（PPWS）组成。每根主缆中，从北锚碇到南锚碇的通长索股有 135 股，北边跨另设 6 根索股，在北主索鞍上锚固；南边跨设 8 根背索，在南主索鞍上锚固。每根索股由 127 根直径 5.35mm
5、 的高强度镀锌钢丝组成。 泰州长江大桥是江苏省继成功建设江阴大桥、润扬大桥之后建设的又一座特大跨径桥梁，工程全长62.088 公里，全线采用双向六车道高速公路标准，项目总投资 93.7 亿元，建设工期为五年半。其中，跨江主桥及夹江桥全长 9.726 公里，桥面宽 33 米。跨江主桥采用了主跨 21080 米的三塔双跨钢箱梁悬索桥，系世界首创。中塔采用纵向人字形、横向门式框架型钢塔，其大节段制造和安装技术的使用在国内尚属首次。由此可见，泰州长江大桥的跨江长度比南京长江二桥多出 1.6 公里，其主跨分别为 21080 和 1418 米，并且两者都为悬索桥。结构稳定性南京长江四桥南京长江四桥跨江长度
6、 6250 米，设桥梁整体自重为G，悬拉索部分桥长为 L,两座桥塔高度为 H,同行人群荷载集度为 N，根据成桥状态主缆轴力图，我们可以把缆绳的受力状态简化为线性关系，即成 M 型的受力状况。而整座桥的重量都会通过缆绳传递给塔桥，塔桥再传递给桥墩地基，在此我们只研究桥塔受缆绳的作用力情况。第一是塔桥端的支座反力。只考虑过江桥面的重量为 G+N*L,则支座反力 FA=FB=(G+N*L)/2。塔桥顶端收到的拉力：塔桥顶端的受力状况为，利用三角形原理，缆绳与桥面所成角度 =arc tan(4H/L),设离桥两端距离为 x 处得一小段微元重量 =(G+N*L)*x /L,进行力的分解的沿缆绳的力为 F
7、=/sin，对F 进行积分得塔桥顶端受力为 (G+N*L)/4 sin.抗拉强度 ，设缆索的横截面积为 A,那么其拉应力为(G+N*L)/（ 8 sin A）第二是桥塔段的力矩。简化受力为均匀受力状况，则在塔桥端面，根据力矩平衡可得MN=1/8(G+N*L)*(1/8L)= 1/64(GL+NL2)挠度： 利用叠加法，在均匀荷载时桥中的挠度为y1=5qL4/(384EI), 在单个支反力作用下的挠度为y2=F*0.25L(3L2-4(0,25L)2)/48EI，则在梁中点的挠度为 y=y1-2y2y=5qL4/(384EI)-2F*0.25L(3L2-4(0,25L)2)/48EI其中 q=(
8、G+N*L)/L, F=(G+N*L)/2工程力学论文 泰州长江大桥泰州长江大桥跨江长度大约为 7 千米，依旧设桥梁整体自重为 G，悬拉索部分桥长为 L,两座桥塔高度为 H,同行人群荷载集度为 N根据上页计算方法，对于三塔结构的支座反力为FA=FB=(G+N*L)/3，缆绳与桥面所成角度 =arc tan(6H/L), 设离桥两端距离为 x 处得一小段微元重量=(G+N*L)*x /L,进行力的分解的沿缆绳的力为F=/sin，对 F 进行积分得塔桥顶端受力为(G+N*L)/6 sin.抗拉强度 ，设缆索的横截面积为 A,那么每根缆索的拉应力为(G+N*L)/ （12 sin A）挠度： 利用叠
9、加法，我们截取两座桥塔之间的部分处进行研究。首先，在L均匀荷载时挠度为 y1=5q(L/3)4/(384EI),其次对于两端的支反力作用 y2=F(L/6)3/3EI.则在梁中点的挠度为 y=y1-2y2y=5q(L/3)4/(384EI)+2F(L/6)3/3EI.其中 q=(G+N*L)/L, F=(G+N*L)/3由上面的数据处理来看，如果我们假定两种类型的桥的各种参数是相同的，那么显然三塔的支座反力比二塔的要小很多，抗拉强度同样如此。而挠度对比中我们可以看出南京长江四桥桥中的挠度比泰州长江大桥要大一些。泰州长江大桥位处江面宽阔之处，据测量，大桥跨越的长江江面宽达 2.3 公里，河床呈浅
10、 W 形断面，采用三塔两跨悬索桥能最大限度地利用桥址区河床特点，并能适应长江河势的变化，同时由于水中只有一个主塔基础，最大限度减少了建桥对水流的影响，降低了船舶撞险的几率。因此，在考虑到环境水纹等因素的条件下，泰州长江大桥采用三塔的方法是有利于整体结构和行船安全的。施工难度南京长江四桥两座桥塔设计高度 229.4 米，高度适中，其南桥塔基础采用 48 根桩长 60 米的钻孔灌注桩，北桥塔基础采用 38 根桩长超过 120 米的钻孔灌注桩，具有极高的技术含量和很大的施工难度。泰州长江大桥中塔高 191.5 米，采用世界上高度第一的纵向“人 ”字形、横向“门 ”字形框架型钢塔，此为目前世界最高钢桥
11、塔。对于三塔结构需要额外的主副塔施工流程，并且在负载最不均衡的情况，也就是所有负载都在主桥跨上而没有在侧桥跨，桥板在垂直方向的变形必须要控制在一个合理的范围之内。经济情况从实际工程上来看，南京长江四桥总投资 68.6亿元，泰州长江大桥投资 93.7 亿元，多出 25.1 亿元，从物资、人力来看需求都会更大点。从建设周期看，泰州长江大桥为五年半，而南京长江四桥提前到五年完成。由此可见，一定程度上采用普遍的双塔构造一般能减少工程投资和建设周期，并且在施工过程中已经大致形成了完善熟练的流程和预案准备。工程力学论文 结论不管是采用双塔还是三塔结构，都要结合各种因素进行综合考虑。南京长江四桥悬索桥增添了
12、一种新颖优雅的美融合到了南京桥梁的整体塑造中去，磅礴大气的整体构造令人耳目一新。在水纹，地形，人文、长江岸线资源的充分利用问题等各种因素考虑之下，泰州长江大桥采用三塔悬索桥桥型。开阔的水域使得整体跨江桥长加长，采取三塔不仅可以节约投资还可以扩展通航航道，并且主桥边塔与中塔之间 1080 米的跨径，将首次在世界上实现三塔悬索桥塔跨径由百米向千米的突破。 ”工程力学是研究物体机械运动普遍规律及其在荷载作用下形变等方面基本规律的学科，在学习这门课程后，我们具备了对简单构件进行强度、刚度、稳定性的分析能力，可以将实际工程中遇到的问题进行抽象化处理，进行定量分析，最终得出结论。参考文献：1 顾成军 工程力学 化学工业出版社 2012 年 1 月2 百度百科.3 中国桥梁网http:/ 中国公路网http:/
