单塔单索面矮塔斜拉桥的应用

2016-11-25章玉明

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：桥型成桥斜拉桥

章玉明

（宁波市市政工程前期办公室，浙江宁波 315040）

单塔单索面矮塔斜拉桥的应用

章玉明

（宁波市市政工程前期办公室，浙江宁波 315040）

矮塔斜拉桥是上世纪80年代末才出现的一种新的桥型结构。首先回顾了矮塔斜拉桥的发展历程，然后简要介绍了矮塔斜拉桥的桥型结构及受力特点。同时结合某矮塔斜拉桥（2×55 m）的具体应用实践，阐述了这种桥型的设计构思，介绍了这种桥型的设计要点，有关经验可供相关专业人员参考。

矮塔斜拉桥；结构设计；力学分析

0　引言

矮塔斜拉桥也可以称作部分斜拉桥，这是上世纪80年代末才提出来的一种新兴桥型结构。矮塔斜拉桥的概念是 1988年由法国的工程师Jacgues Mathivat首先提出来的，他在设计位于法国西部一座高架桥方案时，提出了一种名为“Extra-dosed PC bridge”的新型桥梁，中文名翻译为“超量的预应力混凝土桥梁”。这种桥的特点是在主梁中支点处设置矮索塔，矮索塔上部设置一个转向块，斜拉索通过转向块对主梁产生偏心作用[1]。这种结构布置方式很好的体现了矮塔斜拉桥的三个主要特点：塔矮、梁刚、索集中。此后，世界各国的工程师们对这种桥型结构的认识和应用逐渐多了起来。

而世界上第一座真正意义上的矮塔斜拉桥出现在日本，就是于1994年建成的日本小田原港桥，其跨径布置为74 m+122 m+74 m。矮塔斜拉桥在日本发展十分迅速，已建成的矮塔斜拉桥已超过20多座。矮塔斜拉桥在其他国家也得到了广泛的应用。而在国内的起步则比较晚，有资料认为我国第一座矮塔斜拉桥是2000年9月建成的芜湖长江大桥，也有资料认为我国第一座真正意义上的矮塔斜拉桥是漳州战备大桥[2][3]。表1列出了一些主要的矮塔斜拉桥的一些参数。

1　矮塔斜拉桥的受力特点

矮塔斜拉桥一般由塔、索、梁等部件组成，这一点与传统意义上的斜拉桥在外观上较为类似。但在斜拉索布置、结构尺寸比例以及受力特性等方面，两者又有着明显的差别。斜拉桥就是主梁与拉索结合的组合体系，主梁可以看作多点弹性支承的连续梁。矮塔斜拉桥是介于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型，这种桥具有斜拉桥和梁式桥的双重特性：梁式桥是以梁的受弯、受剪来承受荷载；斜拉桥则是以梁的受压和索的受拉来承受荷载。而矮塔斜拉桥是以梁的受弯、受压和索的受拉来共同承受荷载，从梁式桥、矮塔斜拉桥到斜拉桥，主梁承受的弯矩逐渐减小，而轴力却逐渐增加。与梁式桥和斜拉桥相比，矮塔斜拉桥主梁的受力行为发生了变化。受力简图见图1。

表1　一些矮塔斜拉桥参数

图1　三种桥型受力简图

矮塔斜拉桥也可以说是另一种意义上的体外预应力梁桥，索即是体外预应力索，塔柱即是转向块。这种结构特征不但有效解决了梁体内预应力钢筋配置效率不高和空间不足的问题，还可以减小主梁的截面尺寸。

如前所述，矮塔斜拉桥是由主梁和斜拉索共同来承担外荷载作用。可以设想，若将拉索刚度强化的同时主梁刚度弱化至某个限值，矮塔斜拉桥就成为了传统意义上的斜拉桥；而将拉索刚度弱化的同时主梁刚度强化至某个限值，则成了传统意义上的梁式桥。如何界定梁式桥、矮塔斜拉桥和斜拉桥，国内外学者在相关方面做了大量的工作。经过统计，关于矮塔斜拉桥的界定主要有索荷载分担率、索梁荷载比、塔梁刚度比，还有综合考虑塔高、索截面、主梁抗弯刚度的特征参数和斜拉索荷载效应影响度等多项指标[4][5]。但对这些指标的严格界定尚未达成共识。的确，由表1可以看出，矮塔斜拉桥的关键参数之一塔高与主跨比从1/2.64～1/11.5不等，每座桥相差甚大。而在实际应用时，主要的控制指标之一还是限制矮塔斜拉桥的拉索应力幅，一般将其控制在70 MPa以内。

2　设计及计算要点

矮塔斜拉桥对于结构体系的选择也与斜拉桥类似，主要有三种：塔梁固结、塔墩分离；塔墩固结、塔梁分离；塔梁墩固结。具体采用形式需要根据现场实际以及计算结构比较后再选定。矮塔斜拉桥由于其主梁要承受相当大的弯矩，主梁截面形式与斜拉桥有很大不同，而更接近于连续梁。一般情况下，矮塔斜拉桥塔墩处梁高可采用相同跨度连续梁高的一半左右。矮塔斜拉桥的塔高，一般可取相同跨径斜拉桥塔高的1/2～1/3左右。因桥塔较矮，其刚度相对较大，塔顶水平位移没有斜拉桥大，因此矮塔斜拉桥没有斜拉桥的重要特征构件：端锚索，边跨可以有较大的无索区段。

一般而言，由于拉索只承担外荷载的一部分，矮塔斜拉桥中的拉索应力幅比常规斜拉桥中的拉索应力幅要小，因此其拉索允许应力采用的是体外预应力索的允许应力σymax定为0.6 fpk，安全系数1.67，而常规斜拉桥中的拉索允许应力仅为0.4 fpk，安全系数为2.5。也就是说矮塔斜拉桥的拉索从受力特征上更接近于体外预应力桥梁中的体外预应力索。

在矮塔斜拉桥的结构分析时，要注意选用合理的计算图式。特别是在对施工过程的模拟时，要考虑结构单元的增减、边界条件的转换、施工荷载的估算以及各混凝土部件强度的增长等因素的影响。在对结构整体计算时，一般采用平面杆系计算程序可以满足计算精度要求，但是在对受力复杂的部位如塔墩梁结合部进行局部分析时，需要采用空间分析程序进行仔细校核。

3　某矮塔斜拉桥的设计及分析

3.1工程概况

该桥位于滨海景观地带，设计时综合考虑了功能、景观、施工方法和造价之间的协调，全面贯彻适用、安全、经济、美观的原则。该桥结构形式为2× 55 m单塔单索面两跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，其中主塔净高15.2 m，桥长110 m，结构采用塔墩梁固结形式。主梁及桥塔采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土。主桥的两侧伸出牛腿接两边的引桥。设计荷载为公路I级，人行道及非机动车道3.5 kN/m2。下部结构为钻孔灌注桩基础。结构尺寸示意见图2。

图2　矮塔斜拉桥总体布置图（单位：m）

主梁采用单箱五室大挑臂变截面箱形断面。桥墩处梁高3.2 m，桥台处梁高2.1 m，索塔塔根至两侧梁体直线段之间梁底按圆曲线变化。箱梁顶宽36.5 m，单侧挑臂长5 m，箱梁边腹板采用斜腹板，厚度为50 cm，在塔根部附近渐变为70 cm；次边腹板为直腹板，厚度为50 cm，在塔根部渐变为80 cm；中腹板厚度为40 cm，在塔根部渐变为70 cm。图3为塔根位置横断面布置图。

本桥的每根斜拉索由2束组成，以方便将来维修时更换。拉索中的环氧全喷涂钢绞线由环氧层、油脂层、PE层形成三层防腐，最外层的HDPE套管无防腐作用，但对其内部无粘结筋起保护作用，防止动物啮咬或人为损伤对无粘结钢筋的PE层造成破坏。环氧喷涂钢绞线是将环氧树脂粉末喷射于钢绞线上，然后加热熔融、固化、冷却，从而在钢丝表面形成一层致密的环氧涂层。图4为具有三重防腐的无粘结环氧喷涂钢绞线。

图3　矮塔斜拉桥横断面图（单位：m）

图4　具有三重防腐的无粘结环氧喷涂钢绞线

3.2结构分析

在建模分析时，主梁和主塔都采用三维梁单元，斜拉索采用索单元。根据施工梁段的划分和预应力钢束的布置，并考虑桥梁的实际情况，将主梁划分为56个单元，变截面范围内处理为变截面单元；全桥共有12根斜拉索，划分为12个索单元。加上塔墩单元，全桥共77个单元，67个节点。

汽车活载计算根据实际车道布置情况进行，并考虑车道的偏载作用。温度应力分别考虑整体升降温以及温度梯度应力，即整体升温25℃、整体降温20℃、以及按规范中梯度升降温设置等四种情况。支座沉降分别考虑左右边墩和中墩单独下沉1 cm几种工况。收缩徐变按规范规定的强度发展函数、收缩徐变时间函数考虑3 650 d的长期荷载效应。通过计算，成桥阶段主梁呈全截面受压状况。限于篇幅，本文只给出正常使用极限状态短期效应组合时主梁上下缘应力包络图，见图5，满足部分预应力混凝土A类构件的要求。

图5　短期效应组合下结构上下缘应力图（单位：MPa）

主梁短期荷载效应组合产生的最大挠度为19 mm，考虑到作用长期效应的影响后最大挠度为1.425×19＝27.1

矮塔斜拉桥的塔高不是很高，因此其稳定问题一般不突出。塔身截面取实心截面，结构形式简单，施工方便。结果计算。桥塔混凝土的最大压应力为11.2 MPa，最小压应力为2.0 MPa，满足规范要求。

需要注意的是，本桥结构采用塔墩梁固结形式，固结处的受力复杂，局部应力较大，在设计时最好结合实体单元进行细部分析。本次设计根据细部计算结果对该处的配筋进行了加强处理，确保结构满足受力需要。

3.3施工方法简介

因本工程所跨河道为非通航河道，故在与河道部门沟通后，桥梁施工时采用的是满堂支架现浇的施工方法。相比悬浇法，满堂支架施工的速度更快，且对成桥线形及成桥内力的控制更加精确。

上部箱梁、索塔浇筑完成并达到设计要求的强度后即可进行预应力及拉索的张拉。因矮塔斜拉桥是高次超静定结构，其最终成桥内力与拉索及预应力束的张拉顺序有关。根据施工监控单位的监控指令，先期张拉箱梁预应力束，再按顺序张拉斜拉索至设计索力。施工完成后的成桥检测结果显示，箱梁的成桥线形及拉索索力与设计相符，较好的达到了设计意图。成桥实景见图6。