无背索斜拉桥结构体系与受力特点

韩海峰

摘 要：文章介绍了无背索斜拉桥结构体系的分类，分析了每种结构体系下索塔自重与主梁自重所产生的静力效应平衡的问题。

关键词：无背索斜拉桥；结构体系；受力特点

1 概述

无背索斜拉桥是斜拉桥的一种。其索塔向岸或向边跨方向倾斜，并仅在靠主跨一侧布置斜拉索，另一侧无拉索，故称为无背索斜拉桥。由于索塔倾斜，给人一种独特的不对称稳定感，因仅在索塔一侧布置斜拉索，又有一种轻盈而又惊险的感觉，高耸的塔身更体现出气势和力度，形成了壮丽的画面。

自从1992年西班牙塞维利亚建成世界上第1座无背索斜拉桥-Alamillo大桥以来，这种造型优美、结构独特的桥梁立即引起世界桥梁界的普遍关注。

2 桥型示意及有关参数说明

图1 无背索斜拉桥示意图

图1为无背索斜拉桥示意图。主跨两端可以有边跨或无边跨。图中各符号含义说明如下。

H-桥面以上索塔的竖向高度，即最外一组斜拉索与塔中心交 汇点至桥面的高度；？茁-索塔轴线与水平线之间的夹角，即索塔的水平倾角；？酌-索塔的倾斜角，即索塔轴线与铅垂线之间的夹角；？琢-最外一组斜拉索的水平倾角；a-主梁上相邻两根拉索的间距；b-索塔上相邻两根拉索的间距；LL-拉索区主梁重心至塔梁固结点K的水平距离；LT-主塔重心至塔梁固结点的水平距离；WL-拉索区主梁重量；WT-索塔重量。

3 结构体系

按塔、梁刚度比及受力特点，无背索斜拉桥的结构体系可以分为以下两类：

（1）刚塔刚梁类。塔梁刚度相当，为一般斜拉桥的特殊情况，即无背索斜拉桥。它的力学特征是索塔自重效应完全平衡了主梁竖向荷效应后，主塔在恒载状态下根部只有轴向力而弯矩为0。这种结构体系应用较早，例如西班牙Alamillo桥、哈尔滨太阳岛桥。

（2）柔塔刚梁类。它的力学特征是桥塔自重效应不能完全平衡主梁竖向荷载效应。由塔、梁、索三者组成的结构依靠自身只能达到部分平衡。索塔可以成为一个轴心受压构件，而梁只能达到部分平衡，还需依靠主梁的强度和刚度分担一部分荷载效应。其力学特征与部分斜拉桥（亦称矮塔斜拉桥）类似。因此可以引入竖向荷载分配系数f与拉索活载应力变幅？滓f来分别衡量恒载与活载状态下拉索和主梁各自承担竖向荷载的比值。因此，这类无背索斜拉桥，也可以称为无背索矮塔斜拉桥（或部分斜拉桥），以区别于一般无背索斜拉桥。例如合肥铜陵路南淝河桥、河南新密市溱水路桥。

4 静力平衡分析

无背索斜拉桥的静力平衡问题，主要是指索塔自重与主梁自重两者所产生的静力效应如何平衡的问题。

（1）刚塔刚梁类。塔梁刚度相当，其整体平衡是指在恒载情况下，可使索塔根部只存在轴向力而弯矩为0的平衡状态，是一个理想化的宏观状态平衡，用以初步拟定塔梁尺寸。

采用以下假定：①单根斜拉索竖向分力等于相应的索间距节段梁体恒载重量，全部拉索竖向分力等于拉索区梁体的恒载重量。②忽略无拉索区段梁体重量、刚度及支承情况对结构平衡的影响。

为了使恒载状态下主塔根部处于轴心受压状态，索塔根部承受的拉索区主梁倾覆力矩应等于索塔自重产生的抵抗力矩，可得（参阅图1）：

恒载弯矩M=WL×LL-WT×LT=0 （1）

此时塔、梁处于恒载总体平衡状态。

对于某一根斜拉索，在塔、梁相当的情况下，处于局部平衡状态。其局部平衡用下式表达：

（2）

式中：GT-对应于一根拉索的塔体局部区段的自重；GD-对应于一根拉索的梁体局部区段的自重；GL-对应于一根拉索的梁体局部区段的活载；？滋-考虑汽车荷载的比例系数，可近似取？滋=0.5（？滋在0～1之间变化）；C-塔梁重量比，即1t梁体自重完全由塔通过拉索予以平衡，则需Ct塔体自重。在相同荷载下，当各拉索均满足局部平衡时，则整体结构必然满足整体平衡，反之则不然。

C是一个反映了塔梁自重分布及索塔倾角影响的综合因素，是描述无背索斜拉桥结构特征的重要参数。

（2）柔塔刚梁类

柔塔刚梁类属塔轻梁重的情况。恒载状态下，塔自重产生的抵抗力矩MT=WT·LT不能完全平衡梁体自重产生的倾覆力矩ML=WL·LL，此时上述第（1）项中的第①条假定不再成立，即单根斜拉索竖向分力不等于对应索距间梁体恒载重量，全部拉索的竖向分力也不等于拉索区的恒载重量，即WL·LL>WT·LT。

为了达到整体平衡，引入荷载分担率f，定义f为：

f =拉索分担的竖向荷载/全部竖向荷载，可理解为：f是在恒载状态下，由索塔结构承担的梁体竖向荷载占梁体全部竖向荷载的比值。

于是可得索塔根部弯矩为0，即整体平衡的公式为：

f·（WL·LL）-WT·LT=0 （3）

进一步引伸至局部平衡，可得

（4）

f的概念，与矮塔斜拉桥荷载分配的概念实质相同。因此，可以认为，柔塔刚梁类无背索斜拉桥是矮塔斜拉桥的一种特殊型式。归纳起来，可以这样描述：无背索斜拉桥是斜拉桥的一种特殊型式。一般的无背索斜拉桥，为刚塔刚梁，塔梁刚度相当；当柔塔刚梁时，实质上为无背索矮塔斜拉桥，是无背索斜拉桥的一种特殊型式。

（3）设计要考虑三种平衡状态

①施工过程中的塔梁平衡；

②成桥时塔梁结构的整体平衡；

③运营阶段塔梁的局部平衡，此时应计入活载影响。

当三种平衡出现矛盾时，一般可在施工阶段采取临时措施加以解决。若第②、③种平衡矛盾较大时，则应考虑适当调整塔梁构造尺寸或几何参数予以克服。

参考文献

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