矮塔斜拉橋的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及前景展望

吳玲正

(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司)

1 引言

1.1 矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的提出及首次運(yùn)用于工程實(shí)踐

矮塔斜拉橋這一結(jié)構(gòu)形式最早是由法國(guó)的Mathivat教授在1988年提出來的，當(dāng)時(shí)的正式提法為超配量體外索PC橋(Extradosed prestressing concrete bridge)。這一概念的提出直接與法國(guó)西南部的Alert Darre高架橋的方案設(shè)計(jì)有關(guān)，Mathivat教授采用這一首創(chuàng)的橋梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的橋型成為備選方案，但最終未被采納實(shí)施。此后，德國(guó)的Antonie Naama教授于1990年提出了組合體外預(yù)應(yīng)力索橋的概念，即在主墩墩頂加設(shè)立柱，將永久性體外預(yù)應(yīng)力鋼束兩端分別錨固在立柱和主梁上，以分擔(dān)主梁受力。從上述描述來看，Antonie Naama教授的提法與Mathivat教授設(shè)計(jì)的橋型方案十分接近。隨著這一結(jié)構(gòu)體系不斷被各國(guó)學(xué)者提出，實(shí)橋的出現(xiàn)也日趨進(jìn)入歷史日程，1994年日本建成了世界上第一座超配量體外索PC橋——小田原港橋。

1.2 矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系早期在我國(guó)工程理論界的傳播

小田原港橋的建成立刻引起了全球橋梁工程界的廣泛關(guān)注，我國(guó)工程師和學(xué)者也對(duì)這一新穎橋型產(chǎn)生了極大興趣。鑒于其初始名稱較為拗口，且給人感覺較為模糊，為了便于在國(guó)內(nèi)交流和推廣，1995年我國(guó)著名橋梁專家嚴(yán)國(guó)敏先生首次將這一結(jié)構(gòu)類型橋梁稱為“部分斜拉橋”。采用這一名稱是基于橋梁的外觀和拉索的使用效能，首先，此種橋梁有著與斜拉橋相似的外觀，墩、塔、梁、拉索一應(yīng)俱全，但在結(jié)構(gòu)性能上，與斜拉橋相比，其斜拉索僅僅承擔(dān)部分荷載，還有部分荷載由主梁承擔(dān)，其拉索僅起著部分的作用，因此稱其為“部分斜拉橋”。再后來，國(guó)內(nèi)工程界人士根據(jù)此種橋梁外觀的一個(gè)顯著特點(diǎn)——塔高較小(與同等跨徑的斜拉橋相比)將其稱為“矮塔斜拉橋”。兩種名稱相比，前者更側(cè)重于結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，意義明確;后者盡管欠嚴(yán)謹(jǐn)，意義也不甚明確，但直觀性較強(qiáng)，易于為大家所接受，因此流傳得更為廣泛，稱成為主流叫法，前者逐漸成為對(duì)后者的一個(gè)注解，兩者并行稱謂這一新穎的橋型。

2 矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

同任何事物一樣，有了上、下限的極端狀態(tài)，中間態(tài)的出現(xiàn)就會(huì)成為必然，使上、下限之間有連續(xù)的區(qū)間。將梁橋與斜拉橋相比較，前者的受力主體就是梁體，而后者則是斜拉索，相對(duì)前者，在同等跨度條件下，后者的梁體高度顯著減小，剛度亦然。考慮到斜拉索也是柔性構(gòu)件，因此可以說斜拉橋是柔性結(jié)構(gòu)，梁橋則屬于剛性結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)90年代，梁橋和斜拉橋無論是在理論上還是在工程實(shí)踐上均已發(fā)展成熟，此時(shí)，出現(xiàn)一種介于梁橋和斜拉橋之間的半剛半柔橋梁結(jié)構(gòu)成為歷史的必然，以填補(bǔ)兩者優(yōu)勢(shì)跨徑之間的區(qū)域，具體地說，主要是200～300m跨徑。從圖可以看出，在同等跨徑條件下，連續(xù)剛構(gòu)(即墩梁固結(jié)的梁式結(jié)構(gòu))的梁高最大，斜拉橋的梁高最小，矮塔斜拉橋則居于二者其間。較之斜拉橋，矮塔斜拉橋的塔柱更矮，截面也更小;斜拉索傾角更緩，沿塔身豎向布置更密。三種橋型幾何外形的不同是由其受力特性不同決定的，在受外部豎向荷載時(shí)，梁式結(jié)構(gòu)依單純靠梁體受彎、受剪;矮塔斜拉橋的梁體承受壓、彎、剪的作用，斜拉索受拉;斜拉橋的梁體僅受壓，斜拉索受拉。從連續(xù)梁、部分斜拉橋到斜拉橋，是主梁受力逐步弱化、斜拉索受力逐步強(qiáng)化的轉(zhuǎn)變。正是由于斜拉橋拉索起的作用較之矮塔斜拉橋更強(qiáng)，因此用于錨固拉索的主塔受力也更大，塔柱需要設(shè)置更大的體量。

圖1 三種橋型結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

(1)從既有工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出矮塔斜拉橋特點(diǎn)

①塔高較矮，一般為主跨1/8～1/12。拉索傾角較小，拉索為主梁提供較大的軸向力。并且拉索盡可能密集地通過塔柱的上部區(qū)域，塔上僅設(shè)抗滑錨。

②受力上以梁主，索為輔，梁體高度大約是同等跨徑梁式橋的1/2倍或斜拉橋的2倍。

③梁上無索區(qū)較之一般斜拉橋要長(zhǎng)，還有較明顯的塔旁無索區(qū)段。

④邊孔與主孔的跨度比值在0.5～0.6左右，與連續(xù)梁較為接近。

⑤拉索多成扇形布置，且集中在塔頂通過，索鞍鞍座目前普遍采用分絲管結(jié)構(gòu)。

⑥斜拉索在梁上宜布置在邊跨中及1/3中跨處，邊跨沒有斜拉橋的特征構(gòu)件——背索。

(2)矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的分類

矮塔斜拉橋就其結(jié)構(gòu)形式可以分為四大類型:塔梁墩固結(jié)體系;塔梁固結(jié)、簡(jiǎn)支于墩頂;塔墩一體、主梁簡(jiǎn)支于墩上;塔墩一體、墩梁分離。四種結(jié)構(gòu)體系的示意簡(jiǎn)圖見圖2，小田原港橋即為塔梁墩固結(jié)體系橋型，日本蟹澤大橋采用的是塔梁固結(jié)、簡(jiǎn)支于墩頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，著名的瑞士太陽山橋則采用了塔墩一體、主梁簡(jiǎn)支于墩上的結(jié)構(gòu)形式，塔墩一體、墩梁分離的漂浮結(jié)構(gòu)形式筆者目前還未見到相關(guān)報(bào)道。

圖2 矮塔斜拉橋主要4種結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)圖

2.2 矮塔斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀

矮塔斜拉橋發(fā)端于日本，從1994年第一座矮塔斜拉橋——小田原港橋建成至2000年，該種橋型在日本得到了快速的發(fā)展，陸續(xù)建成了幾十座橋，結(jié)構(gòu)類型全面，使設(shè)計(jì)和施工技術(shù)趨于成熟。2000年至2005年，日本建造矮塔斜拉橋的速度趨緩，建成橋梁座數(shù)急劇減少，05年以后基本停滯，建設(shè)高潮的轉(zhuǎn)向我國(guó)。從2000年我國(guó)建成第一座矮塔斜拉橋——蕪湖長(zhǎng)江大橋(公鐵兩用橋)及2001年建成第一座純公路矮塔斜拉橋——漳州備戰(zhàn)大橋開始至今，我國(guó)已建成上百座該種橋型。在橋型的選擇上，起初以單索面為主，現(xiàn)在雙索面的部分斜拉橋呈逐步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，使斜拉索和主塔的景觀效應(yīng)更加顯著。在技術(shù)層面上，由起步階段從國(guó)外引進(jìn)消化吸收到現(xiàn)階段自主創(chuàng)新逐步推進(jìn)，其中，最主要的創(chuàng)新體現(xiàn)在索塔的錨固體系上，將雙套管索鞍改進(jìn)為分絲管索鞍，使拉索在主塔上的應(yīng)力集中現(xiàn)象大大減小，提高了索股的耐久性，且后期換索方便很多。可以說，目前我國(guó)的矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)和施工技術(shù)是走在世界前列的，也一直在引領(lǐng)這一發(fā)展趨勢(shì)的。

3 矮塔斜拉橋的前景展望

矮塔斜拉橋雖然出現(xiàn)較晚，但由于其剛?cè)嵯酀?jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且兼具經(jīng)濟(jì)、美觀和施工方便，使其成為200～300m跨徑的優(yōu)勢(shì)橋型。鑒于上世紀(jì)末至本世紀(jì)初我國(guó)修建的大量大跨度梁式橋很多都有后期跨中下?lián)蠂?yán)重的病害，而矮塔斜拉橋由于具有斜拉索(也即體外預(yù)應(yīng)力)，使得其先天具備抵抗這一病害的能力，較之前者耐久性更好，因此在100～200m這一傳統(tǒng)梁式橋的優(yōu)勢(shì)跨徑區(qū)具備也較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。相對(duì)于斜拉橋，其整體剛度更大，因此更適合用于對(duì)剛度要求較高的鐵路橋，我國(guó)第一座矮塔斜拉橋——蕪湖長(zhǎng)江大橋正是公鐵兩用橋。目前，我國(guó)高速鐵路呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)，矮塔斜拉橋在高速鐵路橋上的運(yùn)用還有很大的發(fā)在潛力。較之斜拉橋，矮塔斜拉橋主塔剛度更大，因此更適合設(shè)計(jì)成多塔橋梁，在水域較寬但深洪區(qū)較窄的位置，其比斜拉橋更經(jīng)濟(jì)、更適合。將波形鋼腹板疊合梁運(yùn)用到矮塔斜拉橋上，使得其跨越能力大大增加，運(yùn)用范圍也更加廣闊。

4 結(jié)語

矮塔斜拉橋是一種新穎的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其剛?cè)嵯酀?jì)的結(jié)構(gòu)特性和索梁配合的受力模式使設(shè)計(jì)者有很大的發(fā)揮空間，較之梁橋和斜拉橋，其運(yùn)用也更加靈活。隨著新技術(shù)和新材料的不斷出現(xiàn)，矮塔斜拉橋也將向著更高的技術(shù)層面發(fā)展，為我國(guó)交通事業(yè)發(fā)揮更大的作用。

[1] 嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1995.

[2] 嚴(yán)國(guó)敏.試談“部分斜拉橋”——日本屋代南橋、屋代北橋、小田原港橋[J].國(guó)外橋梁，1996，(1).

[3] 嚴(yán)國(guó)敏.再論部分斜拉橋，兼論多塔斜拉橋//第十三屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

[4] 陳寶春，彭桂翰.部分斜拉橋發(fā)展綜述[J].華東公路，2004，(3).

[5] 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計(jì)[J].華東公路，2006.