矮塔斜拉桥的设计及发展的探讨

矮塔斜拉桥的设计及发展的探讨

摘要：本文对矮塔斜拉桥的设计进行阐述，主要讲了矮塔斜拉桥的总体布置及适用跨径、矮塔斜拉桥的结构体系、矮塔斜拉桥设计分析方法、矮塔斜拉桥的发展概况，以供参考。

关键词：矮塔斜拉桥设计探讨

Abstract: in this paper the design of short towers cable-stayed bridge, expounds the main told the short towers cable-stayed bridge of the overall layout and the suitable span length, short of towers cable-stayed bridge structure system, short towers cable-stayed bridge design analysis method, the short towers cable-stayed bridge, the development situation of reference.

Keywords: short towers cable-stayed bridge design is discussed

一 矮塔斜拉桥的设计分析

矮塔斜拉桥的总体布置及适用跨径

根据国内外目前已建矮塔斜拉桥跨径比例分析，由于矮塔斜拉桥刚度比斜拉桥大，接近于连续梁，其边、中跨比值常采用0.52~0.65。在特殊情况下，边、中跨比值亦可小于0.5，这时，边跨需采取措施，解决负反力问题。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，大部分连续梁采用的截面形式都能适用于矮塔斜拉桥，但矮塔斜拉桥更适宜采用变高度截面。其塔墩处梁高可采用相同跨度连续梁高的一半左右。在特殊情况下，主梁亦可采用等高度，此时梁高与跨度之比可采用1/35~1/45。在选择主梁截面形式时，需注意斜拉索的布置及锚固要求。

矮塔斜拉桥的适用跨径由其特性决定，一般适用跨径宜在100~300m之间，若主梁采用钢与混凝土混合结构，跨径有望突破400m。虽然连续梁桥采用预应力混凝土建造，能就地取材、工业化施工、耐久性好、适用性强、整体性好且美观，这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。但由于结构本身的自重大（约占全部设计荷载的30%至60%），且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨度能力。还有大跨径连续箱梁要采用大吨位支座，如南京二桥北汊桥165m变截面连续箱梁，盆式橡胶支座吨位大。这种大吨位支座性能如何、将来如何更换等一系列问题有待研究和解决。

2、矮塔斜拉桥的结构体系

结构体系可选用塔梁固结、梁底设支座；塔墩固结、塔梁分离；塔梁墩固结的3种形式。塔梁固结、梁底设支座形式适用于跨度不太大的桥梁，支座吨位不至于过大，它的特点是塔根弯矩较小，塔两侧索力差较小，结构的整体刚度较小。塔墩固结、塔梁分离形式适用于跨度稍大，墩高较矮的桥梁，它的特点是桥墩弯矩较大，塔两侧索差较大，结构的整体刚度较第一种形式大。塔梁墩固结形式适用于跨度稍大，墩高较大的桥梁，结构体系类似于连续刚构，它的特点接近于第二种形式。

进行桥梁设计时，应对结构体系的选择作慎重考虑，选择最合适的形式。

3、矮塔斜拉桥设计分析方法

矮塔斜拉桥在构造及受力特征上与斜拉桥和连续梁桥尚有一定的差异，在进行其结构分析时要注意以下几点【2】：

结构分析要选用合理的计算图式，考虑施工过程中结构的逐步形成和体系转换、临时支承的设置和卸除，以及结构各部分的强度增长，合理估计主梁架设各阶段的施工荷载。直线桥的施工控制计算一般采用平面分析，必要时采用三维空间分析。

斜拉桥施工时因恒载引起的内力与变形与施工方法有很大关系，主梁施工时的施工计算荷载除恒载人群、施工机具等施工荷载外，还需考虑预应力、斜拉索的张拉力等。

针对各施工阶段的实际情况建立正确的计算模型，单元类型采用拉索单元、梁单元、3D实体单元、板壳单元和边界单元等。

当斜索的竖向荷载承担率超过30%，或斜索在活载作用下的应力变幅超过50MPa，即进入斜拉桥的范畴，其标志为斜索的容许应力取值的不同。看作斜拉桥的斜索，其容许应力取0.4fpk，安全系数为2.5；而没有超过界限的矮塔斜拉桥容许应力取值则与PC梁桥相同为0.6fpk，安全系数为1.67。

预应力混凝土斜拉桥施工中各工况受力状态达不到设计要求的重要原因，是有限元计算模型中的计算参数取值(主要为混凝上的弹性模量、材料的相对密度、混凝土收缩徐变系数、构件重量、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等)与施工中的实际情况有一定的偏差。斜拉桥的这种偏差具有累积性，因此，要根据施工实测结果予以修正以使计算模型和计算参数符合结构的实际情况。

二、矮塔斜拉桥的发展概况

矮塔斜拉桥是介于梁桥与传统斜拉桥之间的一种新型桥梁结构。普遍认为，由Christian Menn设计的建于1981年的甘特(Ganter)大桥，是矮塔斜拉桥的雏形，其混凝土箱形梁由预应力混凝土斜拉板“悬挂”在非常矮的塔上，这种板可以看成是一种刚性的斜拉索。该桥的出现形成了斜拉桥的一个分支——板拉桥。

Ganter大桥为其后矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。Ganter大桥之后，又有墨西哥的帕帕加约(Papagayo)大桥、美国德克萨斯州的巴顿河(Bar-don Greek)大桥及葡萄牙的索科雷多斯(Socomidos)大桥等相继建成。

1988年法国工程师J.Mathivate在设计位于法国西南的阿勒特·达雷高架桥时提出了一个替代方案，命名为“Extra-dosed PC bridge”，直译为“超剂量预应力混凝土桥梁”。该方案的设计包括与桥梁上部结构固结的低塔，跨度为100m的预应力混凝土等截面箱梁。穿过部分上鞍座的体外索除了像传统的预应力对梁提供压力外，更主要地是对梁产生竖直提升力并减小梁的等效自重。1990年，德国的Atonie Naaman提出了一种组合体外预应力索桥，体外索的一部分伸出主梁之上，锚固在墩顶处主梁上的刚柱上。主梁为钢析架梁，主梁架好后再在其上立模浇筑上下混凝土顶板、底板。这种桥式通过加大偏心距来提高体外预应力的效率，从而降低造价。这一种体系与法国J.Mathivate的方案十分相似。虽然这种桥型的雏形在瑞士形成，并于1988年法国工程师J.Mathivate把它明确命名为“Estra-dosed PC bridge”，但这种桥型却在日本获得极大的发展。由于这种桥型具有良好的性价比，对于跨度处于梁式桥与斜拉桥之间的桥梁和对刚度要求较高的铁路梁桥均具有很强的竞争力。对于修建斜拉桥塔高受到限制、多跨斜拉桥刚度较难满足要求时，矮塔斜拉桥也是一种很好的选择。

1994年日本建成了世界上第一座真正意义上的矮塔斜拉桥一小田原港桥，此后，日本又修建了屋代南、北铁路桥、冲原桥、蟹泽大桥、新唐柜大桥等桥，迄今为止，日本修建的矮塔斜拉桥己超过20座，桥梁跨径从初期小田原港桥的122m发展到长者桥的292.2m。菲律宾于1999年建成了第二曼达一麦克坦大桥，其主跨为185m，桥面宽21m;老挝也于2000年建成了巴色桥，其跨度为143m，桥宽为11.8m；瑞士于1998年建成了森尼伯格桥(Sunniberg bridge)，为5跨连续的矮塔斜拉桥，主跨达140m。韩国于2005年建成了Pyung-Yeo 2 Gyo桥，该桥为韩国第一座矮塔斜拉桥，其主跨为120m，双塔双索面；2006年建成了主跨110m的Kack-Hwa First桥，另外还有几座矮塔斜拉桥正在建设中。

我国矮塔斜拉桥建造起步稍晚，2001年建成的福州漳州战备桥为3跨连续预应力混凝土箱梁矮塔斜拉桥，它是我国第一座公路与城市道路上的矮塔斜拉桥。此后，厦门同安银湖大桥、兰州小西湖黄河大桥、江苏常澄高速常州运河桥等相继建成。随着国内这几座矮塔斜拉桥的修建，这种桥式己引起了桥梁工作者的重视，这几座矮塔斜拉桥在建造过程中所进行的科研，积累的设计、施工与管理经验，都为这种桥型在我国的进一步发展奠定了良好的基础。近几年我国修建的矮塔斜拉桥，形式更加丰富，结构更加新颖。如在建的广西柳州静兰桥为6塔单索面7跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径布置为56+5×94.3+56，全长583.5m，标准断面宽31m，塔、梁固结，墩、梁分离。主梁截面为单箱三室箱形梁；在建的重庆嘉悦大桥采用双塔双索面矮塔斜拉桥十连续刚构+连续梁的组合体系，跨径布置为66+2×75+145+250+145，全长774m，标准梁宽28m，主梁结构分上下两层，下层人行道单侧宽3.5m，上层机动车道为双向六车道。这两座桥梁的建设，把我国矮塔斜拉桥的发展水平推向了更高点。目前，我国已建和在建的矮塔斜拉桥己近20座。

参考文献：

[1]． 郑一峰，黄侨，张宏伟．矮塔斜拉桥的概念设计「J〕．公路交通科技，2005(7)

85一89． [2]． 朱刚．矮塔斜拉桥方案设计及分析研究．浙江大学硕士学位论文．2008年．