矮塔斜拉桥斜拉索结构体系研究分析

黄春亮

(中交通力建设股份有限公司 湖南分公司， 湖南 长沙 410009)

矮塔斜拉桥斜拉索结构体系研究分析

黄春亮

(中交通力建设股份有限公司 湖南分公司， 湖南 长沙 410009)

以湖南省永州市在建的城南大桥为例，阐述矮塔斜拉桥在斜拉索体系设计上的要点，并对其结构体系进行力学性能分析，研究矮塔斜拉桥斜拉索体系在施工阶段及运营阶段的应力变化，为类似工程项目提供借鉴及参考。

桥梁设计； 斜拉桥； 矮塔； 斜拉索体系

0 引言

矮塔斜拉桥以其结构自身“刚柔相济”的力学性能，将整体刚度较大的预应力混凝土主梁用来承担大部分的竖向荷载，并用外部斜拉索改善梁体结构受力状态的一种桥型。斜拉索在这个结构受力体系中，只起到一定的帮辅作用，主梁与斜拉索承受竖向荷载之比约为7∶3，致使其斜拉索的应力幅往往不到常规斜拉桥的50%。故按照《公路斜拉桥设计细则》的相关规定(4.3.3条)，矮塔斜拉桥的斜拉索一般只需按体外索进行考虑设计，并将斜拉索设计容许应力上限值提高到了0.6fpk。斜拉索体系总体设计计算仍是围绕静力强度及疲劳强度两方面来研究分析。

1 斜拉索体系

矮塔斜拉桥的斜拉索体系由索塔锚固结构、斜拉索索体结构以及索梁锚固结构三部分共同组成。见图1。

图1 矮塔斜拉桥斜拉索体系构造图

1.1 索塔锚固结构

矮塔斜拉桥的斜拉索与桥塔最为常用的两种锚固方式为：交叉锚固、贯通式索鞍锚固。由于交叉锚固方式是在桥塔两侧，将斜拉索交叉错开锚固于其上，致使桥塔会产生扭矩，目前国内外的实例应用相对较少，仅日本对少部分桥型进行了研究试验设计。而采用贯通式索鞍锚固方式，可以增大斜拉索水平倾角、尽可能利用桥塔高度发挥斜拉索的作用，此种锚固方式最为常见。

常用的贯通式索鞍体系又分为两种结构：即双套管(内外管)结构与分丝管结构(图2)。双套管鞍座结构在桥塔内设置双层弧形钢管，由于内、外管壁紧贴在一起，当斜拉索钢束从内管穿过时，容易出现相互挤压的现象，难以保证钢绞线相互平行。且内管注浆效果不佳，致使在内外管鞍下应力过大且受力不均匀，给桥塔接触部位混凝土造成较大的负担，容易产生局部开裂的问题。分丝管鞍座结构能很好地规避掉双套管鞍座的结构设计缺点，将钢绞线逐孔穿束、互不干涉，使得荷载平均分散，大幅缩减鞍座下接触面的局部应力出现相对汇集现象，改善混凝土桥塔锚固位置的受力状态。且由于钢绞线在分丝管穿束的过程中，保留了外包PE管，使得分丝管结构在斜拉索防腐和未来施工换索都有明显的实用价值。

图2 鞍座结构示意图

分丝管一般采用20号钢管作为主要材料，根据斜拉索在塔内的曲率半径放样进行单根热弯成型制作。定位安装需按桥梁设计图上索鞍的标高及位置参数来控制，保证索鞍两端出口处中心线与拉索中心线重合，并且斜拉索在张拉施工后和索鞍中心线角度应小于1°。

1.2 斜拉索

矮塔斜拉桥的斜拉索索体目前一般采用环氧喷涂钢绞线作为主要材料。组成斜拉索索体的环氧树脂全涂装预应力钢绞线各钢丝在使用时的悬链线摆动条件下可相对滑动，制作环氧涂层无粘结钢绞线的外层护套材料常采用高密度聚乙烯(俗称HDPE)。见图3。

图3 斜拉索结构示意图

斜拉索整索索力张拉精度要求控制在不超过设计索力的2%。斜拉索的轴向拉应力会随活载的变化而改变，为保证斜拉索的安全系数，目前斜拉索的应力幅疲劳强度应控制在250 MPa以内。

1.3 索梁锚固

斜拉索通过桥塔上部的鞍座，采用两端张拉同时锚固于主梁的顶板、横隔板或者梁底等位置上，张拉位置的设置必须同时考虑斜拉索张拉施工的操作空间。

2 工程设计实例

城南大桥位于永州市冷水滩城区，上跨湘江，主桥为三塔中央单索面矮塔斜拉桥，跨径布置见图4。主梁采用预应力钢筋混凝土箱梁，箱梁顶板宽34 m，底板宽26 m，两侧悬臂宽4 m。

图4 主桥布置图(单位： m)

主桥塔高21 m(不包括避雷针及防空灯高度)，斜拉索采用43φs15.2斜拉索。索体参数见表1，并对斜拉索采用四重防腐(环氧涂层、PE管、管内油脂、HDPE外套管)。

城南大桥斜拉索仰角相对较小，在17.416°～24.406°之间。在桥塔上部设置分丝管锚固体系并采用单根可换式抗滑锚固装置与之相配合，在主梁顶板处设置锚具型号为15-43的可换式拉索群锚锚固体系。

表1 斜拉索材料参数表

斜拉索梁上纵桥向布置间距为4 m、横桥向布置间距为1 m，塔上纵、横向布置间距均为1 m。主梁根部(桥塔支点)两侧无索区、跨中无索区、边跨无索区长度分别为：44.0、12.0、15.88 m。斜拉索预埋段钢管高出梁面0.5 m，并采用不锈钢管外包梁面斜拉索下端。斜拉索张拉施工后期均不作索力调整，全部采用一次张拉的方法。斜拉索编号均为从靠近塔根开始编号，即靠近塔根的斜拉索编号为1号索、2号索……，以此类推直到尾索，如图5所示(W为西侧、E为东侧)。

图5 斜拉索编号布置图

3 斜拉索结构计算分析

城南大桥主桥部分按实际施工工序划分为22个施工阶段，用桥梁结构通用分析软件Midas Civil将梁单元(桥塔、主梁、桥墩)和桁架单位(斜拉索)组合起来，对主桥进行空间建模(如图6所示)，进行结构有限元计算。主桥设计汽车荷载等级采用城市-A级，双向六车道标准。全桥54对斜拉索初始张拉索力均取4 350 kN。考虑到主桥塔、梁与斜拉索索体采用不同的材料，需按±10 ℃考虑不均匀温差在两种材料上的作用。大桥工期相对较长，沉降在大桥合龙前基本完成，本次计算考虑主墩不均匀沉降2 cm，边墩不均匀沉降1 cm。通过有限元软件模拟主桥正装施工，研究分析斜拉索在施工阶段、成桥阶段、运营阶段的应力变化。

图6 空间有限模型图

3.1 斜拉索在施工阶段的应力计算分析

主要施工阶段的斜拉索应力值验算数据如下：

在边跨合拢前(上合拢吊架)，斜拉索应力值在616.3～783.8 MPa(图7所示)，安全系数大于2.37。

图7 边跨合拢前斜拉索应力图

在边跨合拢后，斜拉索应力值在615.2～755.2 MPa(图8所示)，安全系数大于2.46。

图8 边跨合拢后斜拉索应力图

在中跨合拢前(上合拢吊架)，斜拉索应力值在625.7～795.8 MPa(图9所示)，安全系数大于2.34。

图9 中跨合拢前斜拉索应力图

在中跨合拢后，斜拉索应力值在590.7～743 MPa(图10所示)。安全系数大于2.50。

图10 中跨合拢后斜拉索应力图

各个主要施工阶段下，斜拉索的最大应力值全部小于设计容许应力值930 MPa(0.5fpk)，且安全系数均大于2(《公路斜拉桥设计细则》 3.4.2条规定)，表明斜拉索结构在施工过程中是安全可靠的。

3.2 斜拉索在成桥运营阶段应力计算分析

按主桥施工工序正装施工至成桥运营阶段后，在标准组合荷载作用下斜拉索的设计应力见图11。

图11 标准组合下斜拉索应力图

由图11显示的数据得出，斜拉索设计应力从1号索至9号索，均匀增大， 最大设计应力出现在9号、11号桥塔边跨尾索(9号索)，应力值为820.9 MPa，安全系数为2.26，大于设计安全系数1.67，满足《公路斜拉桥设计细则》的要求。

3.3 斜拉索在成桥运营阶段活载应力幅

活载应力幅是桥梁在正常状态运营阶段下，由活载实际(汽车荷载、人群荷载)随机产生的循环应力，直接对斜拉索结构的影响。城南大桥活载应力幅见图12。

图12 活载应力幅图

由图12可知，城南大桥的斜拉索活载应力幅变化均匀，长索应力幅较大，短索应力幅较小。其中应力幅最大值出现在9、11号桥塔边跨尾索上，应力幅值57.9 MPa，最小值为18.3 MPa，远远小于250 MPa的设计应力幅值，满足规范对疲劳强度设计的要求。

4 结语

斜拉索体系作为矮塔斜拉桥结构重要的组成部分之一，常用的贯通式鞍座类似于设置斜拉索的转向点，将斜拉索的水平分力和竖向分力传递到主梁上来共同承担荷载作用。由于矮塔斜拉桥主梁的刚度一般较大，斜拉索累积的疲劳问题和活载应力幅的影响相对常规斜拉桥较小。因此可以采用提高斜拉索的应力上限的设计理念，将斜拉索的疲劳强度适当降低，可以更好地发挥斜拉索材料的力学性能。

通过对城南大桥斜拉索体系的研究分析，可知其桥型整体结构受力上对于斜拉索体系的依靠程度远远小于常规斜拉桥，未来施工换索、维护相对较容易，将连续梁桥和斜拉桥的结构优势相互取长补短。随着对矮塔斜拉桥斜拉索体系的研究和实例应用不断增多，这种桥型将在梁桥和斜拉桥跨度范围之间占有一席之地。

[1] 张多平，李承根．部分斜拉桥斜拉索的设计[J]．桥梁建设，2002(2).

[2] 郑一峰，黄侨，张宏伟.部分斜拉桥斜拉索设计方法研究[J].公路，2005(2).

[3] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4] JTG/T D65-01-2007，公路斜拉桥设计细则[S].

2016-10-08

黄春亮(1985-),男,工程师,主要从事桥梁勘察设计。

1008-844X(2017)02-0151-03

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