單塔單索面矮塔斜拉橋的應用

章玉明

（寧波市市政工程前期辦公室，浙江 寧波 315040）

單塔單索面矮塔斜拉橋的應用

章玉明

（寧波市市政工程前期辦公室，浙江 寧波 315040）

矮塔斜拉橋是上世紀80年代末才出現的一種新的橋型結構。首先回顧了矮塔斜拉橋的發展歷程，然后簡要介紹了矮塔斜拉橋的橋型結構及受力特點。同時結合某矮塔斜拉橋（2×55 m）的具體應用實踐，闡述了這種橋型的設計構思，介紹了這種橋型的設計要點，有關經驗可供相關專業人員參考。

矮塔斜拉橋；結構設計；力學分析

0　引言

矮塔斜拉橋也可以稱作部分斜拉橋，這是上世紀80年代末才提出來的一種新興橋型結構。矮塔斜拉橋的概念是 1988年由法國的工程師Jacgues Mathivat首先提出來的，他在設計位于法國西部一座高架橋方案時，提出了一種名為“Extra-dosed PC bridge”的新型橋梁，中文名翻譯為“超量的預應力混凝土橋梁”。這種橋的特點是在主梁中支點處設置矮索塔，矮索塔上部設置一個轉向塊，斜拉索通過轉向塊對主梁產生偏心作用[1]。這種結構布置方式很好的體現了矮塔斜拉橋的三個主要特點：塔矮、梁剛、索集中。此后，世界各國的工程師們對這種橋型結構的認識和應用逐漸多了起來。

而世界上第一座真正意義上的矮塔斜拉橋出現在日本，就是于1994年建成的日本小田原港橋，其跨徑布置為74 m+122 m+74 m。矮塔斜拉橋在日本發展十分迅速，已建成的矮塔斜拉橋已超過20多座。矮塔斜拉橋在其他國家也得到了廣泛的應用。而在國內的起步則比較晚，有資料認為我國第一座矮塔斜拉橋是2000年9月建成的蕪湖長江大橋，也有資料認為我國第一座真正意義上的矮塔斜拉橋是漳州戰備大橋[2][3]。表1列出了一些主要的矮塔斜拉橋的一些參數。

1　矮塔斜拉橋的受力特點

矮塔斜拉橋一般由塔、索、梁等部件組成，這一點與傳統意義上的斜拉橋在外觀上較為類似。但在斜拉索布置、結構尺寸比例以及受力特性等方面，兩者又有著明顯的差別。斜拉橋就是主梁與拉索結合的組合體系，主梁可以看作多點彈性支承的連續梁。矮塔斜拉橋是介于梁式橋和斜拉橋之間的一種橋型，這種橋具有斜拉橋和梁式橋的雙重特性：梁式橋是以梁的受彎、受剪來承受荷載；斜拉橋則是以梁的受壓和索的受拉來承受荷載。而矮塔斜拉橋是以梁的受彎、受壓和索的受拉來共同承受荷載，從梁式橋、矮塔斜拉橋到斜拉橋，主梁承受的彎矩逐漸減小，而軸力卻逐漸增加。與梁式橋和斜拉橋相比，矮塔斜拉橋主梁的受力行為發生了變化。受力簡圖見圖1。

表1　一些矮塔斜拉橋參數

圖1　三種橋型受力簡圖

矮塔斜拉橋也可以說是另一種意義上的體外預應力梁橋，索即是體外預應力索，塔柱即是轉向塊。這種結構特征不但有效解決了梁體內預應力鋼筋配置效率不高和空間不足的問題，還可以減小主梁的截面尺寸。

如前所述，矮塔斜拉橋是由主梁和斜拉索共同來承擔外荷載作用。可以設想，若將拉索剛度強化的同時主梁剛度弱化至某個限值，矮塔斜拉橋就成為了傳統意義上的斜拉橋；而將拉索剛度弱化的同時主梁剛度強化至某個限值，則成了傳統意義上的梁式橋。如何界定梁式橋、矮塔斜拉橋和斜拉橋，國內外學者在相關方面做了大量的工作。經過統計，關于矮塔斜拉橋的界定主要有索荷載分擔率、索梁荷載比、塔梁剛度比，還有綜合考慮塔高、索截面、主梁抗彎剛度的特征參數和斜拉索荷載效應影響度等多項指標[4][5]。但對這些指標的嚴格界定尚未達成共識。的確，由表1可以看出，矮塔斜拉橋的關鍵參數之一塔高與主跨比從1/2.64～1/11.5不等，每座橋相差甚大。而在實際應用時，主要的控制指標之一還是限制矮塔斜拉橋的拉索應力幅，一般將其控制在70 MPa以內。

2　設計及計算要點

矮塔斜拉橋對于結構體系的選擇也與斜拉橋類似，主要有三種：塔梁固結、塔墩分離；塔墩固結、塔梁分離；塔梁墩固結。具體采用形式需要根據現場實際以及計算結構比較后再選定。矮塔斜拉橋由于其主梁要承受相當大的彎矩，主梁截面形式與斜拉橋有很大不同，而更接近于連續梁。一般情況下，矮塔斜拉橋塔墩處梁高可采用相同跨度連續梁高的一半左右。矮塔斜拉橋的塔高，一般可取相同跨徑斜拉橋塔高的1/2～1/3左右。因橋塔較矮，其剛度相對較大，塔頂水平位移沒有斜拉橋大，因此矮塔斜拉橋沒有斜拉橋的重要特征構件：端錨索，邊跨可以有較大的無索區段。

一般而言，由于拉索只承擔外荷載的一部分，矮塔斜拉橋中的拉索應力幅比常規斜拉橋中的拉索應力幅要小，因此其拉索允許應力采用的是體外預應力索的允許應力σymax定為0.6 fpk，安全系數1.67，而常規斜拉橋中的拉索允許應力僅為0.4 fpk，安全系數為2.5。也就是說矮塔斜拉橋的拉索從受力特征上更接近于體外預應力橋梁中的體外預應力索。

在矮塔斜拉橋的結構分析時，要注意選用合理的計算圖式。特別是在對施工過程的模擬時，要考慮結構單元的增減、邊界條件的轉換、施工荷載的估算以及各混凝土部件強度的增長等因素的影響。在對結構整體計算時，一般采用平面桿系計算程序可以滿足計算精度要求，但是在對受力復雜的部位如塔墩梁結合部進行局部分析時，需要采用空間分析程序進行仔細校核。

3　某矮塔斜拉橋的設計及分析

3.1工程概況

該橋位于濱海景觀地帶，設計時綜合考慮了功能、景觀、施工方法和造價之間的協調，全面貫徹適用、安全、經濟、美觀的原則。該橋結構形式為2× 55 m單塔單索面兩跨預應力混凝土矮塔斜拉橋，其中主塔凈高15.2 m，橋長110 m，結構采用塔墩梁固結形式。主梁及橋塔采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。主橋的兩側伸出牛腿接兩邊的引橋。設計荷載為公路I級，人行道及非機動車道3.5 kN/m2。下部結構為鉆孔灌注樁基礎。結構尺寸示意見圖2。

圖2　矮塔斜拉橋總體布置圖（單位：m）

主梁采用單箱五室大挑臂變截面箱形斷面。橋墩處梁高3.2 m，橋臺處梁高2.1 m，索塔塔根至兩側梁體直線段之間梁底按圓曲線變化。箱梁頂寬36.5 m，單側挑臂長5 m，箱梁邊腹板采用斜腹板，厚度為50 cm，在塔根部附近漸變為70 cm；次邊腹板為直腹板，厚度為50 cm，在塔根部漸變為80 cm；中腹板厚度為40 cm，在塔根部漸變為70 cm。圖3為塔根位置橫斷面布置圖。

本橋的每根斜拉索由2束組成，以方便將來維修時更換。拉索中的環氧全噴涂鋼絞線由環氧層、油脂層、PE層形成三層防腐，最外層的HDPE套管無防腐作用，但對其內部無粘結筋起保護作用，防止動物嚙咬或人為損傷對無粘結鋼筋的PE層造成破壞。環氧噴涂鋼絞線是將環氧樹脂粉末噴射于鋼絞線上，然后加熱熔融、固化、冷卻，從而在鋼絲表面形成一層致密的環氧涂層。圖4為具有三重防腐的無粘結環氧噴涂鋼絞線。

圖3　矮塔斜拉橋橫斷面圖（單位：m）

圖4　具有三重防腐的無粘結環氧噴涂鋼絞線

3.2結構分析

在建模分析時，主梁和主塔都采用三維梁單元，斜拉索采用索單元。根據施工梁段的劃分和預應力鋼束的布置，并考慮橋梁的實際情況，將主梁劃分為56個單元，變截面范圍內處理為變截面單元；全橋共有12根斜拉索，劃分為12個索單元。加上塔墩單元，全橋共77個單元，67個節點。

汽車活載計算根據實際車道布置情況進行，并考慮車道的偏載作用。溫度應力分別考慮整體升降溫以及溫度梯度應力，即整體升溫25℃、整體降溫20℃、以及按規范中梯度升降溫設置等四種情況。支座沉降分別考慮左右邊墩和中墩單獨下沉1 cm幾種工況。收縮徐變按規范規定的強度發展函數、收縮徐變時間函數考慮3 650 d的長期荷載效應。通過計算，成橋階段主梁呈全截面受壓狀況。限于篇幅，本文只給出正常使用極限狀態短期效應組合時主梁上下緣應力包絡圖，見圖5，滿足部分預應力混凝土A類構件的要求。

圖5　短期效應組合下結構上下緣應力圖（單位：MPa）

主梁短期荷載效應組合產生的最大撓度為19 mm，考慮到作用長期效應的影響后最大撓度為1.425×19＝27.1

矮塔斜拉橋的塔高不是很高，因此其穩定問題一般不突出。塔身截面取實心截面，結構形式簡單，施工方便。結果計算。橋塔混凝土的最大壓應力為11.2 MPa，最小壓應力為2.0 MPa，滿足規范要求。

需要注意的是，本橋結構采用塔墩梁固結形式，固結處的受力復雜，局部應力較大，在設計時最好結合實體單元進行細部分析。本次設計根據細部計算結果對該處的配筋進行了加強處理，確保結構滿足受力需要。

3.3施工方法簡介

因本工程所跨河道為非通航河道，故在與河道部門溝通后，橋梁施工時采用的是滿堂支架現澆的施工方法。相比懸澆法，滿堂支架施工的速度更快，且對成橋線形及成橋內力的控制更加精確。

上部箱梁、索塔澆筑完成并達到設計要求的強度后即可進行預應力及拉索的張拉。因矮塔斜拉橋是高次超靜定結構，其最終成橋內力與拉索及預應力束的張拉順序有關。根據施工監控單位的監控指令，先期張拉箱梁預應力束，再按順序張拉斜拉索至設計索力。施工完成后的成橋檢測結果顯示，箱梁的成橋線形及拉索索力與設計相符，較好的達到了設計意圖。成橋實景見圖6。

圖6　成橋照片

4　結　語

矮塔斜拉橋的造型優美，經濟性較好，適應性也較強，在中等跨徑范圍有較強的競爭力。相信這種橋型在我國會得到越來越多的應用。

[1]鄭一峰,黃僑,張宏偉.部分斜拉橋的概念設計[J].公路交通科技[J]. 2005,22(7):88-92.

[2]李新杰.矮塔斜拉橋淺談[J].公路交通科技(應用技術版),2007(4): 127-129.

[3]李曉莉,肖汝誠.矮塔斜拉橋的力學行為分析與設計實踐[J].結構工程師,2005,21(4):7-9..

[4]何新平.矮塔斜拉橋的設計[J].公路交通科技,2004(4):66-68.

[5]陳從春,周海智,肖汝誠.矮塔斜拉橋研究的新進展[J].世界橋梁, 2006(1):70-73.

U448.27

B

1009-7716（2016）02-0095-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.024

2015-10-30

章玉明（1971-），男，浙江寧波人，高級工程師，從事市政工程建設施工管理工作。