独塔斜拉桥结构体系与受力分析

2020-11-04王建国吴正安周水兴

公路交通技术 2020年5期

王建国，吴正安，周水兴

(1.贵州中交兴陆高速公路发展有限公司，贵阳 550000；2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司，贵阳 550000；3.重庆交通大学，重庆 400074)

独塔斜拉桥是现代桥梁中的一种常见桥型[1-5]，在公路、铁路和城市桥梁中均有较为广泛的应用[6-8]。若从平衡索塔两侧主梁重力的角度考虑，索塔宜采用竖直结构(直塔)[7-8]。由于直塔斜拉桥可利用对称悬臂施工，通过端锚索能够控制索塔偏位，因此应用较为广泛。若将索塔倾斜布置，可利用索塔重量来平衡主梁重力，这是另一种行之有效的思路。基于此，国内外陆续建造了形式多样的独斜塔斜拉桥[1-4]。相比于直塔斜拉桥，独斜塔斜拉桥受力更为复杂，决定了它们在结构设计上的差异。国内外围绕收缩徐变、温度效应对独塔斜拉桥受力性能影响研究较多[9-13]，但对独塔斜拉桥结构体系的研究相对较少，王灿等[14]研究了斜塔有背索斜拉桥结构的参数敏感性，分析了温度变化、结构自重、施工索力、主梁刚度等参数变化对成桥阶段桥梁内力、线形及索力的影响规律；虞子楠[15]研究了地锚式折塔斜拉桥结构体系参数，分析了不同桥塔形式、不同桥塔倾角的斜拉桥整体结构力学行为，但均没有从独塔斜拉桥的结构体系与受力行为开展深入研究。为此，本文从力学角度出发，定性分析独塔斜拉桥在主梁、索塔、斜拉索的合力及其作用方向，探讨合力对结构受力和构造设计的影响，归纳出独塔斜拉桥可能存在的结构体系形式，研究独塔斜拉桥在工程中可实现的结构体系及其适用场合。

1 独塔斜拉桥结构体系类型

综合国内外已建的独塔斜拉桥，对其结构体系进行归类。根据索塔是否倾斜，可分为直塔斜拉桥和斜塔斜拉桥2大类；根据有无边跨和有无背索可分为：有边跨有背索[2,4-7]、有边跨无背索、无边跨有背索[9，15]和无边跨无背索[1-2]斜拉桥。因此，独塔斜拉桥理论上有6种体系，如图1所示。为了抵抗斜拉索在主梁上产生的不平衡水平分力，独塔斜拉桥均为刚构体系，由塔、梁、索三者形成的合力沿桥墩方向传递，或沿与桥墩成一定夹角的方向传递。

(a)有边跨有背索直塔斜拉桥

2 不同结构体系的受力分析

2.1 直塔斜拉桥

这种体系的受力图式如图2所示。

(a)直塔对称体系

2.1.1 有边跨直塔斜拉桥

在恒载作用下索塔两侧斜拉索水平分力可基本保持平衡，仅在活载及其他附加荷载作用下承受一定的水平力和弯矩，由桥墩承担。斜拉索竖向分力和索塔自重的合力F沿着桥墩方向传递给地基，各构件受力图式如图2(a)所示，分析如式(1)：

(1)

式中：F为索力与索塔自重沿着索塔方向的合力；Tβ、Tα分别为边索与主索索力值；Nb1、Nb2为主梁内水平力；N1、N2分别为主跨与边跨的主梁恒载引起的水平分力；ΔNb为两侧主梁内水平力差值。

由式(1)可知，当ΔNb≠ 0时，主梁两侧的水平力将无法平衡，当体系两侧边、主跨跨径相差较小时，主梁不平衡水平力由桥墩自身抵抗，此时可设置成竖直高墩。重庆石门大桥跨径组合为200 m+230 m，边主跨比为0.87，边跨与主跨相差较小，采用了高墩结构体系，墩高49.22 m，如图3所示。跨径组合为149 m+149 m的四川攀枝花市炳草岗金沙江大桥采用了双跨对称的独直塔斜拉桥体系，也采用高墩形式。反之，当边、主跨主梁的不平衡水平力较大时，应采用矮墩方案，以改善桥墩受力。德国Severin桥跨径布置为301.67 m+150.68 m，边、主跨跨径相差悬殊，主梁不平衡力较大，塔、梁合力与主梁成一定夹角，对下部结构受力不利，采用了桥墩较矮的下部结构形式。

图3 重庆石门大桥

2.1.2 无边跨独直塔斜拉桥

这种体系的斜拉索竖向分力和索塔自重的合力Nt沿索塔方向传递，由于主梁的水平力Nb无法被平衡，与索塔合力Nt合成为与主梁和索塔成一定夹角的合力F，如图2(b)所示，由此在桥墩中产生不平衡水平力和不平衡弯矩，为此只能采用矮塔结构，以减小墩底弯矩，或沿合力F方向额外设置斜向索塔。由此可见，无边跨独直塔斜拉桥结构体系受力不佳、构造复杂、景观效果差，也无实际的工程案例。其受力分析如式(2)：

(2)

2.2 斜塔斜拉桥结构体系

斜塔斜拉桥是相对于直塔斜拉桥在造型上的突破，斜塔斜拉桥的索塔是整个体系的关键受力构件，其设计构思是利用倾斜的索塔来替代部分或全部边跨拉索的作用，独斜塔斜拉桥的结构体系与受力图式如图4所示。

(a)无边跨有背索体系

2.2.1 无边跨有背索体系

索塔两侧的斜拉索索力和索塔自重的合力Nt沿着索塔方向，与主梁水平力Nb合成一个与主梁成一定夹角的合力F，如图4(a)所示。因此，斜塔无边跨斜拉桥的桥墩高度不宜过大，以减小索塔基础的不平衡弯矩，具体受力分析如式(3)：

(3)

由式(3)可知，塔梁合力与主梁成一定夹角，对桥梁下部结构受力是不利的。贵州省芙蓉江特大桥采用该结构体系[9]，主梁直接设计在索塔底部，专门设计了一排斜桩和竖桩，分别抵抗合力F的竖向分力和水平分力。芙蓉江大桥总体布置如图5所示。

单位：cm

芙蓉江大桥主桥为主跨170 m的独斜塔混凝土斜拉桥，主梁采用预应力混凝土π形梁，塔根部梁高4.0 m，标准断面梁高2.79 m，梁顶缘宽度29.0 m。背索锚固于钢筋混凝土地锚箱上，地锚箱为40 m(长)×24.5 m(宽)×11 m(8.43 m)(高)的箱形结构，箱内填筑片石混凝土予以压重。

2.2.2 有边跨有背索体系

该体系利用两侧斜拉索索力差来平衡斜塔的自重，主、边跨跨度一般不同，考虑到索塔截面刚度以及索塔两侧斜拉索索力的合理性，边跨主梁截面往往比主跨主梁的大，这样不等跨的斜塔斜拉桥在主、边跨梁体自重、斜塔自重及索力间可形成平衡体系，即两侧斜拉索索力和斜塔自重的合力Nt沿着斜塔方向，两侧主梁水平力的合力ΔNb沿着边跨方向，但Nt与ΔNb仍合成一个与主梁成一定夹角的合力F，如图4(b)所示，具体受力分析如式(4)：

(4)

由公式(4)可知，索塔下部结构共同承受水平力和竖向力的作用，受力较为不利，不宜采用高墩形式。郑州望龙西桥采用了有边跨有背索体系的独斜塔斜拉桥，跨径组成为96 m+72 m，其索塔下部结构较矮，以减小水平力对下部结构的弯矩值。澳大利亚Batman Bridge也采用了该结构体系，且采用了较矮的下部结构，如图6所示。