矮塔斜拉橋概述

1、.矮塔斜拉橋概述1.1 矮塔斜拉橋的定義和特點(diǎn)矮塔斜拉橋?yàn)榻?0年來出現(xiàn)的一種新橋型，瑞士、日本、韓國等一些國家這幾年修建了多座這種橋梁。由于它優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，越來越顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。我國在這種橋型上起步稍晚，2001年建成的漳州戰(zhàn)備大橋，是國內(nèi)第一座真正意義上的矮塔斜拉橋。對于這種橋型的稱謂尚未統(tǒng)一。日本的屋代南橋與屋代北橋?yàn)閮勺p載鐵路橋，初看起來象斜拉橋，因而日本的橋梁界對其籠統(tǒng)地稱為斜拉橋。小田原港橋是一座公路橋，日本橋梁界沒有把它稱為斜拉橋，而是沿用了法國工程師1988年提出的名稱Extra-dosed Prestressing Concrete Bridge，即

2、超配量體外索PC橋，簡稱EPC橋。實(shí)際上屋代南、北橋與小田原港橋其結(jié)構(gòu)體系非常相似，同樣可以稱為EPC橋。在美國，這種橋有稱為“Extra-dosed Prestressing Concrete Bridge”的，也有稱為“Extra-dosed Cable-stayed Bridge”的。國內(nèi)的稱謂也一直存在爭論，1995年我國著名橋梁專家嚴(yán)國敏先生首次把它定義為“部分斜拉橋”。其含義是：在結(jié)構(gòu)性能上，斜拉索僅僅分擔(dān)部分荷載，還有相當(dāng)部分的荷載由梁的受彎、受剪來承受?！安糠中崩奔丛从谛崩鞯男崩潭取：髞韲鴥?nèi)一些文章根據(jù)這種橋型塔高較矮的特點(diǎn)，又把這種橋型定義為矮塔斜拉橋。矮塔斜拉橋的受力

3、是以梁為主，索為輔，所以梁體高度介于梁式橋與斜拉橋之間，大約是同跨徑梁式橋的1/2倍或斜拉橋的2倍。截面一般采用變截面形式，特殊情況采用等截面。矮塔斜拉橋的橋塔一般采用實(shí)心截面。塔高為主跨的1/81/12，由于橋塔矮，剛度大，一般不考慮失穩(wěn)問題。梁上無索區(qū)較之一般斜拉橋要長，而且除了主孔中部和邊孔端部的無索區(qū)段之外，還有較明顯的塔旁無索區(qū)段。邊孔與主孔的跨度比值較之斜拉橋要大。一般斜拉橋邊孔與主孔的跨度比值一般小于0.5，多數(shù)在0.4左右，而矮塔斜拉橋與一般連續(xù)梁(剛構(gòu))橋相似，為避免端支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力，邊孔與主孔的跨度之比一般會(huì)大于0.5，較合理的比值在0.6左右。為了充分利用部分的高度，拉索

4、多成扇形布置，拉索盡量向塔上部集中通過。塔頂索鞍的作用如同體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，斜拉索在轉(zhuǎn)向點(diǎn)一般被固定而無滑動(dòng)。在建成的矮塔斜拉橋中，索鞍鞍座普遍采用雙套管結(jié)構(gòu)，即外鋼管埋設(shè)于混凝土塔內(nèi)，內(nèi)套管套在外鋼管中，斜拉索穿過內(nèi)鋼管，在兩側(cè)出口處設(shè)置抗滑錨頭頂緊內(nèi)管口，阻止內(nèi)管滑移。斜拉索在梁上宜布置在邊跨中及1/3中跨處。此外，矮塔斜拉橋由于塔較矮，塔頂水平位移不會(huì)很大，因此沒有斜拉橋的特征構(gòu)件一端錨索。同時(shí)在拉索用量上，由于矮塔斜拉橋以梁受力為主，索只起輔助作用，而且索的安全系數(shù)采用較低，因此，其斜拉索的用量明顯比一般斜拉橋要少許多。矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系主要有塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座；塔墩固結(jié)、塔梁分

5、離；塔梁墩固結(jié)三種形式。主梁和塔具有較大的剛度，容易設(shè)計(jì)成多塔橋梁。斜拉索可錨固于塔上，也可以索鞍形式通過橋塔。矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁(剛構(gòu))橋與斜拉橋之間的一種新型橋梁。因此它的受力特點(diǎn)與這兩種橋型既有聯(lián)系，又有區(qū)別。從總體上說，連續(xù)梁是以梁的直接受彎、受剪來承受豎向荷載，斜拉橋是以梁的受壓和索的受拉來承受豎向荷載，因此三者的最大差別在于梁的受力行為不同。研究梁的受力行為是研究矮塔斜拉橋的本質(zhì)。圖1-1 三跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)示意圖及其彎矩示意圖圖1-2 七跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)示意圖及其彎矩示意圖圖1-3 矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)示意圖及其彎矩示意圖圖1-4 多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)示意圖及其彎矩示意圖圖1-5 斜拉橋結(jié)構(gòu)示意

6、圖及其彎矩示意圖由圖1-1可知，跨中彎矩及中間支座的負(fù)彎矩較大，而軸力為零。我們知道，同跨徑的簡支梁和連續(xù)梁比較，連續(xù)梁的跨中彎矩要比簡支梁小的多，所以若要使梁體所受彎矩減小，最有效的辦法是減小梁的跨度，即增加支點(diǎn)。圖1-2就是在圖1-1的三跨連續(xù)梁中增加4個(gè)支點(diǎn)，把三跨連續(xù)梁變成七跨連續(xù)梁，有圖可見，梁體彎矩大大的降低。若所增加的4個(gè)支點(diǎn)用斜拉索來替代，把單根較大的索分成若干較小的索布置在附近，則形成矮塔斜拉橋，如圖1-3為了進(jìn)一步減小梁的彎矩，可繼續(xù)增加支點(diǎn)，減小梁的跨度，當(dāng)支點(diǎn)增加至一定數(shù)量時(shí)，則梁的彎矩相當(dāng)小，到如圖1-4所示，此時(shí)，把支承用斜拉索來代替形成斜拉橋，如圖1-5所示：由圖

7、1-11-5可以看出，從連續(xù)梁、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。一般認(rèn)為，當(dāng)斜拉橋的豎向荷載承擔(dān)率超過30%或斜拉索在活載作用下的應(yīng)力變化幅超過50MPa，即進(jìn)入斜拉橋范圍，斜拉索應(yīng)力取0.4倍的極限應(yīng)力，安全系數(shù)取2.5而在矮塔斜拉橋中，拉索應(yīng)力幅比一般斜拉橋中的應(yīng)力幅小。因此其拉索的應(yīng)力采用體外預(yù)應(yīng)力索的容許應(yīng)力，取0.6倍的極限應(yīng)力，安全系數(shù)為1.67。此外，矮塔斜拉橋因?yàn)闃蛄旱膭偠认鄬^大，因此沒有斜拉索的主要特征構(gòu)件尾索。從橋梁的角度來看。矮塔斜拉橋其拉索相當(dāng)于連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂后鋼筋的作用，承擔(dān)拉力，主梁這時(shí)就是截面受壓區(qū)，但同梁橋相比，其自重小

8、。跨徑大；同斜拉橋相比，拉索較少，水平分力就較小，從而使得主梁的軸向力也就相對較小。綜上矮塔斜拉橋具有以下鮮明的特點(diǎn)【1】：(1)、美學(xué)景觀特征：矮塔斜拉橋主梁高度是連續(xù)梁的1/2左右，具有纖細(xì)、柔美的美學(xué)效果，克服了連續(xù)梁橋主梁高度過大帶來的壓迫感和橋梁上、下部結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)的弊端。橋塔和斜拉橋的設(shè)置使其具有斜拉橋宏偉、壯觀的感覺。(2)、跨徑布置靈活：矮塔斜拉橋可設(shè)計(jì)成單塔雙跨、雙塔三跨和多塔多跨等不同的結(jié)構(gòu)形式。單跨徑在100300m范圍內(nèi)為宜，克服了多塔斜拉橋做帶來的剛度不足和各跨相互影響的弊端，發(fā)揮了多跨連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)，無論在單孔跨徑和總橋長設(shè)計(jì)方面均有較大的選擇空間。(3)、施工簡便：

9、矮塔斜拉橋的施工方法與連續(xù)梁橋基本相同，可采用懸澆法施工。施工中不必進(jìn)行斜拉索二次索力調(diào)整。由于矮塔斜拉橋橋塔較矮，橋塔施工也沒有斜拉橋橋塔施工復(fù)雜。(4)、經(jīng)濟(jì)性好：通過國內(nèi)外以建成的矮塔斜拉橋吵架分析，該橋型每延米造價(jià)與連續(xù)梁橋基本持平，低于一般斜拉橋造價(jià)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)分析1.2.1 矮塔斜拉橋的總體布置及適用跨徑根據(jù)國內(nèi)外目前已建矮塔斜拉橋跨徑比例分析，由于矮塔斜拉橋剛度比斜拉橋大，接近于連續(xù)梁，其邊、中跨比值常采用0.520.65。在特殊情況下，邊、中跨比值亦可小于0.5，這時(shí)，邊跨需采取措施，解決負(fù)反力問題。矮塔斜拉橋由于其主梁要承受相當(dāng)大的彎矩，主梁

10、截面形式與斜拉橋有很大不同，而更接近于連續(xù)梁。一般情況下，大部分連續(xù)梁采用的截面形式都能適用于矮塔斜拉橋，但矮塔斜拉橋更適宜采用變高度截面。其塔墩處梁高可采用相同跨度連續(xù)梁高的一半左右。在特殊情況下，主梁亦可采用等高度，此時(shí)梁高與跨度之比可采用1/351/45。在選擇主梁截面形式時(shí)，需注意斜拉索的布置及錨固要求。矮塔斜拉橋的適用跨徑由其特性決定，一般適用跨徑宜在100300m之間，若主梁采用鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)，跨徑有望突破400m。雖然連續(xù)梁橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土建造，能就地取材、工業(yè)化施工、耐久性好、適用性強(qiáng)、整體性好且美觀，這種橋型在設(shè)計(jì)理論及施工技術(shù)上都發(fā)展得比較成熟。但由于結(jié)構(gòu)本身的自重大

11、（約占全部設(shè)計(jì)荷載的30%至60%），且跨度越大其自重所占的比值更顯著增大，大大限制了其跨度能力。還有大跨徑連續(xù)箱梁要采用大噸位支座，如南京二橋北汊橋165m變截面連續(xù)箱梁，盆式橡膠支座噸位大。這種大噸位支座性能如何、將來如何更換等一系列問題有待研究和解決。1.2.2 矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系可選用塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座；塔墩固結(jié)、塔梁分離；塔梁墩固結(jié)的3種形式。塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座形式適用于跨度不太大的橋梁，支座噸位不至于過大，它的特點(diǎn)是塔根彎矩較小，塔兩側(cè)索力差較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較小。塔墩固結(jié)、塔梁分離形式適用于跨度稍大，墩高較矮的橋梁，它的特點(diǎn)是橋墩彎矩較大，塔兩側(cè)索差較大，結(jié)構(gòu)的整

12、體剛度較第一種形式大。塔梁墩固結(jié)形式適用于跨度稍大，墩高較大的橋梁，結(jié)構(gòu)體系類似于連續(xù)剛構(gòu)，它的特點(diǎn)接近于第二種形式。進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)體系的選擇作慎重考慮，選擇最合適的形式。1.2.3 矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)分析方法矮塔斜拉橋在構(gòu)造及受力特征上與斜拉橋和連續(xù)梁橋尚有一定的差異，在進(jìn)行其結(jié)構(gòu)分析時(shí)要注意以下幾點(diǎn)【2】：(1) 結(jié)構(gòu)分析要選用合理的計(jì)算圖式，考慮施工過程中結(jié)構(gòu)的逐步形成和體系轉(zhuǎn)換、臨時(shí)支承的設(shè)置和卸除，以及結(jié)構(gòu)各部分的強(qiáng)度增長，合理估計(jì)主梁架設(shè)各階段的施工荷載。直線橋的施工控制計(jì)算一般采用平面分析，必要時(shí)采用三維空間分析。(2) 斜拉橋施工時(shí)因恒載引起的內(nèi)力與變形與施工方法有很大關(guān)

13、系，主梁施工時(shí)的施工計(jì)算荷載除恒載人群、施工機(jī)具等施工荷載外，還需考慮預(yù)應(yīng)力、斜拉索的張拉力等。(3) 針對各施工階段的實(shí)際情況建立正確的計(jì)算模型，單元類型采用拉索單元、梁單元、3D實(shí)體單元、板殼單元和邊界單元等。(4) 當(dāng)斜索的豎向荷載承擔(dān)率超過30%，或斜索在活載作用下的應(yīng)力變幅超過50MPa，即進(jìn)入斜拉橋的范疇，其標(biāo)志為斜索的容許應(yīng)力取值的不同。看作斜拉橋的斜索，其容許應(yīng)力取0.4fpk，安全系數(shù)為2.5；而沒有超過界限的矮塔斜拉橋容許應(yīng)力取值則與PC梁橋相同為0.6fpk，安全系數(shù)為1.67。(5) 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工中各工況受力狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的重要原因，是有限元計(jì)算模型中的計(jì)

14、算參數(shù)取值(主要為混凝上的彈性模量、材料的相對密度、混凝土收縮徐變系數(shù)、構(gòu)件重量、施工中溫度變化以及施工臨時(shí)荷載條件等)與施工中的實(shí)際情況有一定的偏差。斜拉橋的這種偏差具有累積性，因此，要根據(jù)施工實(shí)測結(jié)果予以修正以使計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。1.3 矮塔斜拉橋的發(fā)展概況矮塔斜拉橋是介于梁橋與傳統(tǒng)斜拉橋之間的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)。普遍認(rèn)為，由Christian Menn設(shè)計(jì)的建于1981年的甘特(Ganter)大橋，是矮塔斜拉橋的雛形，其混凝土箱形梁由預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉板“懸掛”在非常矮的塔上，這種板可以看成是一種剛性的斜拉索。該橋的出現(xiàn)形成了斜拉橋的一個(gè)分支板拉橋。Ganter大橋?yàn)槠浜?/p>

15、矮塔斜拉橋的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。Ganter大橋之后，又有墨西哥的帕帕加約(Papagayo)大橋、美國德克薩斯州的巴頓河(Bar-don Greek)大橋及葡萄牙的索科雷多斯(Socomidos)大橋等相繼建成。圖1-6 瑞士的甘特橋1988年法國工程師J.Mathivate在設(shè)計(jì)位于法國西南的阿勒特·達(dá)雷高架橋時(shí)提出了一個(gè)替代方案，命名為“Extra-dosed PC bridge"，直譯為“超劑量預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁”。該方案的設(shè)計(jì)包括與橋梁上部結(jié)構(gòu)固結(jié)的低塔，跨度為100m的預(yù)應(yīng)力混凝土等截面箱梁。穿過部分上鞍座的體外索除了像傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力對梁提供壓力外，更主要地是對梁產(chǎn)生豎

16、直提升力并減小梁的等效自重。1990年，德國的Atonie Naaman提出了一種組合體外預(yù)應(yīng)力索橋，體外索的一部分伸出主梁之上，錨固在墩頂處主梁上的剛柱上。主梁為鋼析架梁，主梁架好后再在其上立模澆筑上下混凝土頂板、底板。這種橋式通過加大偏心距來提高體外預(yù)應(yīng)力的效率，從而降低造價(jià)。這一種體系與法國J.Mathivate的方案十分相似。雖然這種橋型的雛形在瑞士形成，并于1988年法國工程師J.Mathivate把它明確命名為“Estra-dosed PC bridge”，但這種橋型卻在日本獲得極大的發(fā)展。由于這種橋型具有良好的性價(jià)比，對于跨度處于梁式橋與斜拉橋之間的橋梁和對剛度要求較高的鐵路梁橋

17、均具有很強(qiáng)的競爭力。對于修建斜拉橋塔高受到限制、多跨斜拉橋剛度較難滿足要求時(shí)，矮塔斜拉橋也是一種很好的選擇。1994年日本建成了世界上第一座真正意義上的矮塔斜拉橋一小田原港橋，此后，日本又修建了屋代南、北鐵路橋、沖原橋、蟹澤大橋、新唐柜大橋等橋，迄今為止，日本修建的矮塔斜拉橋己超過20座，橋梁跨徑從初期小田原港橋的122m發(fā)展到長者橋的292.2m。菲律賓于1999年建成了第二曼達(dá)一麥克坦大橋，其主跨為185m，橋面寬21m;老撾也于2000年建成了巴色橋，其跨度為143m，橋?qū)挒?1.8m；瑞士于1998年建成了森尼伯格橋(Sunniberg bridge)，為5跨連續(xù)的矮塔斜拉橋，主跨達(dá)1

18、40m。韓國于2005年建成了Pyung-Yeo 2 Gyo橋，該橋?yàn)轫n國第一座矮塔斜拉橋，其主跨為120m，雙塔雙索面；2006年建成了主跨110m的Kack-Hwa First橋，另外還有幾座矮塔斜拉橋正在建設(shè)中。圖1-7 瑞士森尼伯格(Sunniberg)橋圖1-8 韓國Kack-Hwa First橋圖1-9 小田原港（Odawara Blueway)橋我國矮塔斜拉橋建造起步稍晚，2001年建成的福州漳州戰(zhàn)備橋?yàn)?跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁矮塔斜拉橋，它是我國第一座公路與城市道路上的矮塔斜拉橋。此后，廈門同安銀湖大橋、蘭州小西湖黃河大橋、江蘇常澄高速常州運(yùn)河橋等相繼建成。隨著國內(nèi)這幾座矮塔斜拉橋的修建，這種橋式己引起了橋梁工作者的重視，這幾座矮塔斜拉橋在建造過程中所進(jìn)行的科研，積累的設(shè)計(jì)、施工與管理經(jīng)驗(yàn)，都為這種橋型在我國的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。近幾年我國修建的矮塔斜拉橋，形式更加豐富，結(jié)構(gòu)更加新穎。如在建的廣西柳州靜蘭橋?yàn)?塔單索面7跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，跨徑布置為56+5×94