矮塔斜拉橋索塔設計概述

蔣麗萍

(柳州市市政設計科學研究院,廣西柳州 545006)

矮塔斜拉橋亦稱部分斜拉橋,是介于傳統或常規斜拉橋和連續梁橋之間的一種過渡性橋梁結構。矮塔斜拉橋的主塔較矮,斜拉索較短,為盡可能提高斜拉索的傾角和偏心矩,往往在索塔內設置索鞍,讓斜拉索連續通過索塔,將索塔視為斜拉索的轉向點。

索塔結構形式、結構高度、索鞍構造、索塔配筋四個方面是索塔設計的重點,本文將從這四個方面進行闡述。

1 索塔的結構形式

斜拉橋索塔設計時應注意賦予象征性意義,并且注意與周邊環境和周邊橋梁的協調性。

矮塔斜拉橋的索塔形式在橫橋向有單柱形、雙柱形、三柱形、H形、門形等。在縱橋向,主要是柱形,但也可采用其他形式,如倒 V形等(圖 1)。

圖1 倒V形

單柱型索塔適用于單索面矮塔斜拉橋,這類矮塔斜拉橋可采用塔梁固結和剛構體系,見圖 2。塔梁固結、塔墩分離時,作用在主梁和索塔上的荷載通過塔梁連接處設置在塔梁下的支座傳遞給下部結構。索塔為單柱型的矮塔斜拉橋抗扭性能由主梁提供,主梁為抗扭剛度大的箱型截面梁,特別是斜置腹板的箱梁。單柱型索塔一般設置在橋面中央分隔帶上。我國漳洲戰備橋、小西湖大橋、離石高架橋,日本的木曾川橋、楫斐川橋、士狩大橋等均采用單柱型索塔、塔梁固結體系。塔梁墩剛性固結時,塔梁上的荷載通過橋墩直接傳到基礎中去。我國的同安銀湖大橋、日本的新名西橋采用的是單柱型索塔、剛構體系。

圖2 單柱型

雙柱型、H型、門型索塔適用于雙索面矮塔斜拉橋,見圖3。雙柱型索塔的兩個塔柱間無連接構件,在雙柱型塔柱之間設置橫梁即型成 H型、門型索塔。雙柱型、H型、門型索塔既可采用直塔柱、斜塔柱,也可采用折線型塔柱。雙柱型、H型、門型索塔的矮塔斜拉橋可采用塔梁固結體系、支承體系、剛構體系。日本的蟹澤橋采用的是雙柱型索塔、塔梁固結體系。日本的屋代南橋、屋代北橋、小田原塔港橋、沖原橋、又喜納大橋、保津橋、三門江大橋等均采用雙柱型索塔、剛構體系。日本的友好橋采用的是門型索塔、支承體系。

三柱型索塔適用于雙幅四索面矮塔斜拉橋,見圖 4。日本的都田川橋采用三柱型索塔、剛構體系。

2 索塔的結構高度

矮塔斜拉橋與傳統斜拉橋最直觀的區別之一就是前者索塔矮小。也正是由于這種矮小的索塔,使得矮塔斜拉橋具備很多特點。

圖3 雙柱型

圖4 三柱型

矮塔斜拉橋的拉索具有主梁體外索的特征。索對梁提供豎向分力的同時,也對梁提供較大的軸壓力,以使梁能承受彎矩,因此索的傾角較小,塔高不需太大。經過對國內外已建矮塔斜拉橋結構的統計分析,矮塔斜拉橋的索塔高度(橋面以上)一般為主跨的 1/12～1/8。

從橋面算起的塔高,矮塔斜拉橋要比斜拉橋低得多,雙塔三跨公路斜拉橋的橋塔高跨比一般為 1/5～1/4,鐵路斜拉橋為 1/3。作為公路斜拉橋的小田原港橋、沖原橋以及蟹澤大橋的橋塔高跨比為 1/11.5、1/11.2以及 1/7.5,鐵路矮塔斜拉橋的屋代南北橋為 1/8.7以及 1/9.0。因此,矮塔斜拉橋的橋塔高跨比一般為 1/12～1/8之間,與懸索橋主纜的垂跨比相當。

主塔高度的增加,主梁的豎向位移和彎矩都減小,塔根彎矩也減小,主塔顯得更安全,但拉索應力變幅有一定程度的增長。因此在拉索疲勞不受影響的情況下,可以適當地增大主塔的高度,以改善結構受力。

當主梁剛度較大時,塔的剛度對矮塔斜拉橋特性的影響不大;但當主梁剛度小時,塔的剛度卻非常重要。

3 索鞍設計

對矮塔斜拉橋索鞍而言,不僅要具有對斜拉索的抗滑移功能,而且還應具有構造簡單、換索施工方便、內外管適應性好、對塔截面產生的劈裂力小等特點。

關于索鞍的設計,在日本多采用類似于沖原大橋的處理方式,即鞍座外管采用 PE管,內管為鋼管,出氣管從內外管之間引出,并通過U形墊板和楔塊卡住內鋼管,從而實現斜拉索的抗滑移性能。目前我國較為實用的兩種索鞍結構是雙套管索鞍結構和分絲管索鞍結構。

3.1 雙套管索鞍結構

雙套管索鞍結構分為內套管和外套管,見圖 5。外套管作預留孔道,拉索整體或單根穿過內套管后灌注高強環氧砂漿,同時在索鞍出口處(塔兩側)用高強環氧砂漿做成抗滑移裝置(見圖 6),然后對稱錨固于主梁上。預埋管和內套管采用鑄鋼制造,以保證其線形和加工精度。預埋管和內套管采用受力情況最好的圓弧形。

圖5 雙套管結構示意

圖6 索鞍錨固示意

現有雙套管索鞍結構無論在設計上還是在施工上都存在著許多不足,主要包括:

(1)索鞍的內套管和外套管、外套管與混凝土之間形成線接觸,產生應力集中,有可能因過大的局部應力造成混凝土開裂;

(2)內套管灌漿情況、鋼絞線的防腐情況無法檢查;

(3)由于組成拉索的各根鋼絞線相互疊壓在一起,各根鋼絞線受力不均勻,可能會導致鋼絞線過早疲勞失效,并且難以實現單根調索及更換;

(4)鋼絞線通過內套管時容易打絞,施工相當困難;(5)換索工藝復雜,工作量大。

3.2 分絲管索鞍結構

分絲管索鞍結構是由多根平行的導向鋼管組焊而成,導向鋼管根據梁端錨具孔位來排布,拉索不是整束布置在同一管中,而是拉索中的每一根鋼絞線穿過對應的導向鋼管,形成分離布置,互不干涉,并承受鋼絞線由于單根張拉先后造成相互之間的擠壓,見圖 7。

圖7 分絲管索鞍結構實物

圖8 分絲管結構的抗滑錨固示意

分絲管索鞍結構在抗滑錨固設計上的典型做法是在橋塔鞍座出口的兩端設置抗滑錨筒,然后灌注特殊配方的高強環氧砂漿。利用環氧砂漿的粘結力以克服兩側拉索索力差形成抗滑力,見圖 8。

與雙套管索鞍結構相比,分絲管索鞍結構有許多優點,主要包括:

(1)該索鞍下部與混凝土的接觸面很寬,不是局部的線接觸,不會形成不利的應力集中,很好地解決了索鞍下部應力過大的問題,見表1;

(2)針對內套管灌漿后不易檢測的問題,在結構設計上采用分絲管技術,單根無粘結鋼絞線在索鞍段采取不剝外包PE的方法,使得防腐效果更好,它的防腐原理等同于拉索自由段;

(3)采用分絲管技術后,單根鋼絞線張拉產生的壓應力直接傳到小鋼管上,再分散傳遞到索鞍的混凝土上,可以實現單根調索和換索;

(4)施工時每根無粘結筋只穿過對應的鋼管,不會存在打絞問題,施工非常便利。

4 索塔配筋探討

索塔索鞍處由于存在拉索作用下的拉應力及局部壓應力,其受力較為復雜,容易產生應力集中,造成混凝土破壞。所以索塔應根據受力情況合理配筋。

(1)在拉索端面下緣拐角處采用倒圓角施工,沿拐角處配置凹角隅鋼筋,防止此處出現壓應力集中而將混凝土壓碎,參見圖 9。

(2)拉索截面下部 1/4～1/3面積下混凝土具有較大壓應力,可在拉索外設置預埋管或配置螺旋箍筋,分散拉索下混凝土應力[2]。

(3)斜拉索圓弧段半徑大小將直接影響到拉索表面下混凝土應力的分布。拉索半徑越大,拉索表面下混凝土應力分布越均勻,但斜拉索與梁體的夾角越小,斜拉索對豎向荷載的分擔率變小。設計合理的斜拉索圓弧段半徑,對控制索塔混凝土應力分布與大小及全橋受力性能有重要意義。在施工過程中應對索鞍加工精度以及施工安裝定位嚴格控制。

圖9 索塔混凝土拐角處配筋

5 結束語

矮塔斜拉橋是介于連續梁和斜拉橋之間的半柔性橋梁。索塔結構形式、結構高度以及索鞍構造均將影響到主梁、橋梁下部結構形式,本文對索塔設計應涉及到的重點內容進行了分析研究,以便為該橋型的進一步應用提供參考。

[1]周立平.斜拉橋索塔錨固區應力分析[D].長安大學,2005

[2]楊鴻波.E-D橋橋梁結構概念設計 [D].上海:同濟大學,2005