預應力混凝土矮塔斜拉橋常用設計參數研究

胡世翔，羅 敏，聶 娜，林 敏

(1.南京工程學院，江蘇 南京 211167；2.南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156）

0 引言

矮塔斜拉橋是一種介于連續梁橋和斜拉橋之間的新橋型，自1994年在日本建成世界上第一座現代矮塔斜拉橋——小田原港橋（Od a w a r a B l u e w a y B r id g e）開始，距今不過20多年，該橋型具有經濟、美觀、施工方便、跨徑布置靈活等優點，近20年來在日本、中國大陸、中國臺灣、韓國等世界各地得到廣泛應用，發展前景廣闊[1-3]。

和連續梁（連續剛構）橋相比，矮塔斜拉橋拉索的豎向分力可以平衡梁體的自重引起的豎向荷載，大大降低了結構彎矩，隨著彎矩等內力的減小，主梁高度得以降低，結構自重大幅減輕。另外，拉索的水平分力會在墩頂負彎矩區產生壓應力，對該區域主梁上緣拉應力起到一定抵消作用。

與傳統斜拉橋相比，矮塔斜拉橋的拉索應力變幅較小，拉索的疲勞效應不明顯，故可以采用較大的拉索應力限值，同時斜拉索索塔區的設計和施工也比斜拉橋簡便[4-5]。斜拉橋主要靠斜拉索受拉來承受豎向荷載，主梁剛度較低，在應用于多跨結構時，多塔斜拉橋存在著結構總體剛度過低的問題[6-8]，而矮塔斜拉橋主梁是承受豎向荷載，主梁剛度相對較大，故可采用多塔多跨的橋型方案，跨徑布置靈活，實際應用中廣泛采用了兩塔三跨、四塔五跨等多塔多跨設計，在通航（主跨跨度）要求不高時，多塔多跨矮塔斜拉橋可與傳統斜拉橋競爭，且造價和施工難度大大降低。

1 矮塔斜拉橋國外發展現狀

自建成小田原港橋后，矮塔斜拉橋在日本得到迅速發展，先后建成了屋代南橋（Y a shi ro S o u t h B r id g e）、木曾川橋（K is o B r id g e）、粟東橋（R i tt o B r id g e）等幾十座矮塔斜拉橋，見圖1。

圖1 日本修建的矮塔斜拉橋（部分）

雖然最早由法國工程師提出了矮塔斜拉橋設計的概念，但該橋型在法國的應用并不多。1996年建成的S a in t-R e m y-d e-M a u r i e nn e B r id g e是法國的第一座矮塔斜拉橋，于2008年又建成了一座跨徑布置為126 m+104.4 m+75.6 m的矮塔斜拉橋橋。瑞士應用矮塔斜拉橋的歷史也比較早，著名的S u nni b er g橋始于1998年竣工。除此以外，韓國也是矮塔斜拉橋建造較多的國家（見圖2），此外美國、加拿大等國也有修建[9]。

圖2 韓國修建的矮塔斜拉橋（部分）

2 矮塔斜拉橋國內發展現狀

我國開始修建矮塔斜拉橋的歷史比日本稍晚，但起點很高。第一座是主跨達到312m的蕪湖長江大橋[10]，在2000年建成，這是一座鋼桁主梁的公鐵兩用橋，跨徑布置為180 m+312 m+180m；我國第一座預應力混凝土矮塔斜拉橋是2001年建成的漳州戰備橋[11]，跨徑布置為80.8m+132m+80.8m，主跨也達到了132m，在同期、同類橋中名列前茅，見圖3。

圖3 中國首座鋼結構和預應力混凝土矮塔斜拉橋

該橋型在中國得到迅速的應用，沿海地區、嚴寒地區、高原地區等均有采用，而且跨徑布置靈活，以多塔多跨為主[12]。

我國臺灣地區矮塔斜拉橋的應用也非常多，在臺灣矮塔斜拉橋一般稱為“脊背橋”，于2007年最先建成了愛蘭交流道聯絡道橋（跨南港溪），該橋跨徑布置為80m+140m+80m，主梁為單箱4室預應力混凝土結構，橋面寬24.85 m，梁高從3 m變化到5.1m，塔高20.25m，隨后又建成了位于臺19線的媽祖大橋（跨徑布置125m+125m，塔高35.2m）、位于臺28線的高雄新旗山橋（跨徑布置100 m+100 m，塔高25.7m）、南投縣竹山大橋（跨徑布置70m+130m+70m，塔高10.5m）、新竹縣頭前溪竹林大橋（跨徑布置80m+2×120m+80m，塔高23m）。

3 已建矮塔斜拉橋工程的技術分析

本文以P C主梁矮塔斜拉橋為研究對象，匯總了72座已建橋梁的主要設計參數，其中包括國內橋梁40座，國外橋梁32座，并詳細匯總[12]。

經統計分析其高跨比（主梁高度與主跨之比）分布見圖4和圖5，矮塔斜拉橋主梁一般采用變高度梁，跨中高跨比一般分布在1/80～1/30之間，根部高跨比一般分布在1/50～1/17之間，國內和國外矮塔斜拉橋的高跨比分布沒有明顯的差異，取值類似。高跨比隨著主跨跨徑增加沒有明顯變化，不同跨徑橋梁的高跨比類似。

圖4 跨中梁高與主跨跨徑比值的分布

圖5 根部梁高與主跨跨徑比值的分布

圖6 和圖7分別為跨中梁高和根部梁高隨主跨跨徑的變化規律，由圖可見，主梁跨中和根部的高度隨著主跨跨徑的變化近似為線性，可以擬合為H中=0.009 7·L+1.64和H根=0.024 7·L+1.36（L表示主跨跨徑，H中、H根分別表示主梁跨中和根部的高度）。

塔高和主跨跨徑之比的分布情況見圖8。塔高和跨徑之比基本分布在1/5～1/15，可以看出塔高和跨徑之比分布在一定范圍內，這是由于矮塔斜拉橋設計時，拉索、主梁可以采用不同的豎向力分擔比例。和斜拉橋相比，雙塔、多塔斜拉橋橋面以上索塔的高度與主跨跨徑之比宜為1/4～1/6，獨塔斜拉橋橋面以上的塔高與跨度之比宜為1/2.7～1/3.7，矮塔斜拉橋的塔高要遠小于斜拉橋，相應的拉索傾角較小，只承擔部分豎向荷載。

圖6 跨中梁高隨主跨跨徑變化規律

圖7 根部梁高隨主跨跨徑變化規律

4 結論

經過對收集的72座已建P C主梁矮塔斜拉橋（國內40座，國外32座）的統計分析，可以得到主要設計參數的分布規律，可以為同類橋梁設計提供參考。

（1）P C主梁矮塔斜拉橋一般采用變高度主梁，跨中截面高跨比一般分布在1/80～1/30之間，根部高跨比一般分布在1/50～1/17之間，并且梁高和跨徑近似呈線性關系。

（2）國內、外橋的高跨比分布沒有明顯的差異，并且高跨比隨著主跨跨徑增加沒有明顯變化，即不同跨徑橋梁的高跨比類似。

（3）塔高和跨徑之比基本分布在1/5～1/15，因拉索、主梁承擔豎向力比例的不同，有一定的分布范圍。但該比值遠小于斜拉橋，表明與斜拉橋相比，拉索傾角較小，只承擔部分豎向荷載。