預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋結(jié)構(gòu)特征分析

尼穎升，李金凱

(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

0 引言

一個新的體系衍生橋型絕非偶然發(fā)生，必定是一種力學(xué)行為的良好結(jié)合或者是從其他類型的橋型中演變而來。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋恰好是連續(xù)梁橋和斜拉橋、桁架橋演變而來，它的構(gòu)造形式和設(shè)計特點主要繼承了混凝土連續(xù)梁橋理念，全面體現(xiàn)斜張橋和桁架橋的特性。本文重點介紹預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋（見圖1）的發(fā)展思路，剖析它的基本的受力特性，從而與其他橋型進(jìn)行綜合性的對比，體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

1 斜拉橋、桁架橋及連續(xù)梁橋的優(yōu)缺點

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的優(yōu)點

總體看來，國內(nèi)外已經(jīng)建成的橋梁，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋有其較好的優(yōu)點和應(yīng)用市場。根據(jù)橋梁的設(shè)計經(jīng)驗，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的優(yōu)點有[1][2]：

（1）其跨越能力比較強(qiáng)。在預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的橋型跨越能力中，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的跨越能力僅次于懸索橋，但是與大跨度的懸索橋相比，結(jié)構(gòu)剛度更大，建造成本相對較低。

（2）斜拉索密布于主梁上，斜拉索的預(yù)張拉力使主梁受壓，豎向力對主梁提供強(qiáng)有力的彈性支撐，使大跨度的主梁變成有多點彈性支撐的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，減小了主梁截面的高度，打破了預(yù)應(yīng)力混凝土主梁大跨度的限制。與此同時還使得材料更為節(jié)省，有利于懸臂法澆注或者拼裝施工。

（3）從外部造型來看，美觀大氣，能與環(huán)境良好搭配。

1.2 桁架組合式拱橋的優(yōu)點

純桁架橋桿件一般都是鋼結(jié)構(gòu)制作，構(gòu)件是混凝土的橋梁一般都是桁架與其他橋梁的組合體系，如桁架組合式拱橋等，這樣的組合橋梁優(yōu)勢在于：

（1）構(gòu)件節(jié)點鉸接時，桿件均為二力受力桿件，受力比較明確，傳力路徑很清晰，設(shè)計也較為簡單。

（2）把輕型化的桿件組合形成整體性比較強(qiáng)、剛度相對較大的桁架結(jié)構(gòu)，既可以滿足結(jié)構(gòu)整體、局部受力要求，又可以很大程度上節(jié)約材料用量。例如懸索橋為了加大截面剛度而且與此同時還要減輕自重，就必須把箱室做成桁架的組合結(jié)構(gòu)。

1.3 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的優(yōu)點

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是目前橋梁中使用最為普遍的一種橋型，它的優(yōu)點突出在：

（1）結(jié)構(gòu)形式簡單，受力圖示合理，便于工廠化、快捷化設(shè)計。

（2）施工工藝相當(dāng)成熟，施工方法多種多樣。

1.4 斜拉橋、桁架橋、連續(xù)梁橋的缺點

盡管有這么多優(yōu)點，但是還應(yīng)該發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋、桁架橋及連續(xù)梁橋三種橋型均有一定的缺陷。

對預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋來講,其缺陷在于[3]～[5]：

（1）鋼拉索長期暴露在潮濕的空氣當(dāng)中，非常容易受到周圍環(huán)境腐蝕，并且對結(jié)構(gòu)的安全性造成極為不利的影響，雖然現(xiàn)在斜拉索周圍有許多高性能的防腐材料包圍，但是本質(zhì)問題還是存在，得不到根本解決。

（2）斜拉索使整個結(jié)構(gòu)變成一個柔性體系，一方面主梁受力之后變形很大，設(shè)計人員操作時很自然就會加大主梁截面剛度或減小索的間距，這樣就會造成材料的浪費；另一方面斜拉索變形大很容易造成鋼材的疲勞，降低使用壽命，使得設(shè)計中斜拉索的拉應(yīng)力僅占其極限強(qiáng)度設(shè)計值的40%左右，很大程度上減少了鋼材的使用效率。

（3）消耗鋼材料很大，經(jīng)濟(jì)性能相對其他橋型而言較差些。

對于純桁架來講，它的缺點主要是跨度適用范圍小，不能滿目前橋梁對大跨度橋梁形式的要求，而且一般都是鋼結(jié)構(gòu)制造，非常之高，不經(jīng)濟(jì)。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主要缺點是跨徑受制約，目前世界范圍內(nèi)最大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋跨徑做到270 m，再大的跨徑已經(jīng)很難從此類結(jié)構(gòu)形式上做到突破。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的發(fā)展理念

對于斜拉橋和桁架橋存在的上述種種缺點，設(shè)計者需要考慮創(chuàng)造一種改善斜拉橋的受力性、施工技術(shù)，而且又具有桁架橋自重小的優(yōu)點，并且他可以用于中小跨徑的橋梁，又適用于大跨度橋梁，還可以應(yīng)用于高等級橋的綜合橋型[6]。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋體系就此作探討。仔細(xì)看來每一種成熟的橋均都有一個演變的過程，例如石拱橋→空腹拱橋→雙曲拱橋→桁架拱橋。拱形式是基本體系，桁架橋是被組合的一種新型橋型。再例如連續(xù)梁橋：簡支梁橋→懸臂梁橋→T形剛構(gòu)橋→連續(xù)梁橋。當(dāng)然，連續(xù)梁橋的發(fā)展不斷前進(jìn)、創(chuàng)新。設(shè)計人員想到：連續(xù)梁的跨中部位的底板混凝土、剛性支撐墩處的頂板部位的混凝土都處于受拉區(qū)，高強(qiáng)混凝土是“無用的”。同樣主梁腹板的主拉應(yīng)力區(qū)和主壓應(yīng)力區(qū)也浪費過多的高強(qiáng)混凝土。由此要挖空底板、頂板、腹板，做成桁架結(jié)構(gòu)，使腹板位置的主拉應(yīng)力區(qū)集中地變成受拉的斜腹桿件，受壓區(qū)全部地變成受壓的斜腹桿件，把剛性墩處的橫隔梁做成橋塔，并且增加了橋塔高度，再將結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)過來，使結(jié)構(gòu)由上承式變?yōu)橄鲁惺叫问剑瓉淼睦箺U件變成了壓腹桿件，原來的壓腹桿件變成了拉腹桿件，底板則集中變?yōu)樾崩瓧U，這樣連續(xù)梁橋就集中衍生成預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架連續(xù)梁了。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁仍然是基本結(jié)構(gòu)體系，斜拉和桁架是被組合的橋型。

除了以上介紹的這種分析理念之外，還有另外一種衍生思路。想到斜拉橋斜拉索是柔性體系，設(shè)計人員就會想到用剛性的混凝土桿件代替斜拉索，與此同時對混凝土張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，使其能夠抵抗斜拉桿所承受的巨大拉力。但是剛性桿件過長時會導(dǎo)致單根桿件自重較大，由此產(chǎn)生的內(nèi)力及發(fā)生的桿件失穩(wěn)，由此將取代邊斜拉索的桿件分別做成合適的節(jié)段，作為受拉力的上弦桿，其他斜拉索對應(yīng)的桿件上端不錨在橋塔上，而是分別與上弦桿各節(jié)點首尾相互連接，形成拉腹桿件與壓腹桿件，主梁挖空做成了下弦桿，形成了桁架體系結(jié)構(gòu)。至此，斜拉橋就演變成為預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架體系橋梁了。

以上兩種思想盡管出發(fā)點不同，但是衍生到斜拉桁架橋所體現(xiàn)的整體力學(xué)性能是一樣的：基本體系仍為連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)橋，斜拉和桁架進(jìn)行組合的體系，見證了斜拉桁架橋演變出來的非偶然性。

3 斜拉桁架橋的優(yōu)點和基本力學(xué)特性

經(jīng)上述各類橋型的優(yōu)缺點進(jìn)行比對，力學(xué)行為進(jìn)行比較，得出預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的明顯優(yōu)點[7]在于：

（1）解決了斜拉橋當(dāng)中斜拉索所遇到的防腐問題。由于用混凝土桿件替代了斜拉索，使得預(yù)應(yīng)力鋼索外面有混凝土粘結(jié)，使得預(yù)應(yīng)力鋼筋得到有效的保護(hù)，從本質(zhì)上消除了斜拉索的防腐問題。

（2）提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體剛度、強(qiáng)度。對于活載較大且位移幅度受到更加嚴(yán)格制約的鐵路橋，剛性桿件的應(yīng)用將在很大程度上減小活載產(chǎn)生的位移。

（3）解決了斜拉索的疲勞問題。由于桿件內(nèi)部鋼絲與混凝土受力粘結(jié)，盡管活載作用效應(yīng)較大，但是桁架內(nèi)鋼絲應(yīng)力值變化幅度很小。根據(jù)有關(guān)的類似橋型的計算分析表明，當(dāng)鋼絲的應(yīng)力值達(dá)到1 000 MPa時，最大應(yīng)力值與最小應(yīng)力值差值小于50 MPa。鋼絲的最小、最大應(yīng)力值比可達(dá)0.95，鋼絲錨固段的控制應(yīng)力完全可用到0.75R（R表示鋼束極限承載力），但柔性索斜拉橋在使用期的鋼絲應(yīng)力一般情況下都小于0.4R。

（4）造價低廉，節(jié)省材料，同等跨徑時，比其他橋型更為經(jīng)濟(jì)。

（5）造型美觀，與環(huán)境良好搭配，適宜作為景觀橋梁或是城市橋梁。

人們知道，斜拉橋有一個最基本的內(nèi)力特性，就是在塔處相鄰兩根斜拉索纜的合力使得橋塔產(chǎn)生了一個方向向下的合力（壓力）；拉索的另一端則在下弦桿（行車道梁）處產(chǎn)生一個指向塔根的方向的水平分力，使得下弦桿承受壓力，另一個豎直分力承擔(dān)下弦桿的自重與活載產(chǎn)生的內(nèi)力（見圖 2）。

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋也具有斜拉橋的基本“斜拉”的特點。簡支的桁架橋的上弦桿是受壓構(gòu)件，下弦桿受拉構(gòu)件，斜腹桿受壓構(gòu)件，豎腹桿受拉構(gòu)件。而斜拉桁架橋的上弦桿是受拉構(gòu)件，下弦桿是受壓構(gòu)件，這與簡支的桁架橋剛好是相反的。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋中指向塔頂方向的斜腹桿承受拉力，指向塔根方向的斜桿承受壓力。各弦桿與腹桿都是以軸力（見圖2）索力分解而來，彎矩與軸力之比可以相當(dāng)可觀，不可以忽略不計，這就充分顯示了預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的“桁架”特性。

從全橋整體受力性能上分析，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架表現(xiàn)的是明顯的連續(xù)梁橋的特點，可以從預(yù)應(yīng)力筋的布置形式上清楚地反映出來。從布置形式上看，上弦桿布置的預(yù)應(yīng)力鋼束相當(dāng)于頂板預(yù)應(yīng)力鋼束，承受上緣拉力產(chǎn)生的作用，且截面通過鋼束的數(shù)量隨著懸臂的伸長而逐漸地減小；拉腹桿配置預(yù)應(yīng)力鋼束相當(dāng)于頂板預(yù)應(yīng)力鋼束的下彎部分，抵抗主拉應(yīng)力產(chǎn)生的作用；下弦桿布置的預(yù)應(yīng)力鋼束相當(dāng)于邊跨預(yù)應(yīng)力鋼束，承擔(dān)邊跨支點截面下緣出現(xiàn)的拉應(yīng)力。值得提出的是，在圖3中，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋結(jié)構(gòu)形式是以百歲溪大橋為參照，由于V型支撐的作用，使墩頂箱梁上下緣均布置了預(yù)應(yīng)力鋼束，與連續(xù)梁橋的布束特點相似，但是這并不沖突。圖4中豎直剖取了斜拉桁架的一個截面，該截面實際由三根桿件來承受軸向力，而幾個軸向力形成的彎矩則通過和連續(xù)梁橋的箱型截面相似的“名義截面”承受，這樣利用極小的桿件截面就構(gòu)成了較大剛度的“名義截面”，體現(xiàn)了其比其他連續(xù)梁橋有優(yōu)勢的特點。

4 斜拉桁架橋與其他橋型的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

前面所述，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的明顯特性之一是具有比其他橋梁更好的經(jīng)濟(jì)性能，而經(jīng)濟(jì)性能是一座橋梁投資注重的問題之一，并且造價越低，越符合我國構(gòu)建節(jié)約型社會的發(fā)展理念。以百歲溪大橋為工程實例，初步設(shè)計時通過方案比對所作的預(yù)估分析，可知，懸索橋造價約3 980萬，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁橋約3 689萬，而預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋僅需3 349萬，為三種方案中最經(jīng)濟(jì)的一種。下文用數(shù)據(jù)說明預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的經(jīng)濟(jì)特點。

4.1 對比不同橋型的經(jīng)濟(jì)效果

這種對比是依照“主要材料總量P/面積S（橋長×橋?qū)挘边@一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比，本文規(guī)定比值的符號為α，稱為直接經(jīng)濟(jì)性因子，計算的公式為：

這樣對比可以十分方便快捷地將不同跨徑的不同橋型經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行對比，比較結(jié)果很顯然。表1列舉了不同跨徑的中大跨度斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋及斜拉桁架橋的材料用量及直接經(jīng)濟(jì)性因子的大小。這幾種橋型都是以實際工程為依托：斜拉橋是滬蓉西高速公路上的鐵羅坪大橋，主橋橋跨布置為（140+322+140）m的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋?qū)挒?4.5 m；懸索橋為四川甘孜州田灣河大橋，橋跨布置為（25+240+25）m，橋?qū)挒?8 m；連續(xù)梁橋是宜昌小溪塔大橋連續(xù)剛構(gòu)方案，橋跨布置為（95+140+95）m，橋?qū)挒?2.5 m；預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋為三峽庫區(qū)秭歸縣卡子灣大橋，橋跨布置為（31+79.5+140+79.5+8）m，橋?qū)挒?12.04 m。

表1 各種橋型潛在經(jīng)濟(jì)性能比較表

通過表1的直接經(jīng)濟(jì)性因子α的比較，可知預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的各種主要材料的α值為最小或較小，明顯看出在同等跨徑下斜拉桁架橋的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢是相當(dāng)可觀的。

4.2 對比不同橋型的潛在經(jīng)濟(jì)效果

要分析一種橋型的經(jīng)濟(jì)性能，不但要分析上文所謂的“直接經(jīng)濟(jì)性”，也要對這種橋型的“潛在經(jīng)濟(jì)性”進(jìn)行對比，而且這一指標(biāo)對此類橋型的經(jīng)濟(jì)性能起到某種決定性的作用。這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指的是將同一種橋型的不同跨徑的兩座橋梁進(jìn)行對比，將各自的主要材料總量P的差值與面積S（橋長×橋?qū)挘┑牟钪抵茸鳛闈撛诮?jīng)濟(jì)性指標(biāo)。本文規(guī)定比值的符號作為β，稱為潛在經(jīng)濟(jì)性性因子，其計算公式為：

對β的分析中，每種橋型選擇兩座實橋，先求出公式（2）中的ΔPi與ΔSi，然后通過公式（2）求出β，表2給出了實際工程的名稱、橋跨布置形式及橋梁寬度。

表2 實際工程對比表（單位：m）

結(jié)合實際工程的工程數(shù)量，表3列出了不同橋型的潛在經(jīng)濟(jì)性因子β，通過β值的對比，可以明顯看出在加大同等“橋梁面積”的情況下，連續(xù)梁橋增加的工程材料用量為最小，斜拉桁架橋緊隨其后，并遠(yuǎn)小于斜拉橋與懸索橋的材料用量。這很好地說明斜拉桁架橋朝未來大跨度橋梁發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性潛在能力很大，未來修建300～500 m為主跨的橋梁，從經(jīng)濟(jì)性角度來講，斜拉桁架橋具有最大的競爭優(yōu)勢。

表3 各種橋型潛在經(jīng)濟(jì)性能比較表

5 結(jié)語

通過對預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋衍生、來源，對斜拉桁架橋基本的受力性能，以及其經(jīng)濟(jì)性問題的探討，對預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋有了一個更深的了解。同時分析表明，此類橋型的優(yōu)勢明顯，潛力很大，值得在未來的大跨度的經(jīng)濟(jì)使用性橋型的選擇上最先考慮。

[1]Xiang H and Zhu L．Triple-Grider Model for Dynamic Analysis of Ca ble-Stayed Bridge．Proceedings，EASEC-4 Seoul，Kroea，1993.110-113.

[2]Podolny W,Scalzi J B．Construction and Design of cable-stayed bridge[M]．NewYork：John Wiley,1976.1-10.

[3]Leonhardt F.Cable-stayed Bridges with Concrete.Special Report,1986(3):23-30.

[4]Niles J.Gimsing.Cable Supported Bridges-Concept and Design.Norwich,1983.46-49.

[5]M.J.RYALL,et al.The Manual of Bridge Engineering.Published by Thomas Telford Publishing,2000.99-147.

[6]夏永明.斜拉桁架連續(xù)梁的設(shè)計與施工－介紹碩放大橋[J].華北公路，1995(10)：46-53.

[7]Jin Wencheng,Qiu Feng,Li Haixia.PRESTRESSED CONCRETE CHORD-STAYED TRUSS BRIDGE.in:WorsakKanok-Nukulchai,SunilMunasinghe,Naveed Anwar.The Tenth EastAsia-Pacific ConferenceonStructural Engineering&Construction.Bangkok Thailand:Asian Institute of Technology,2006.361-368.