矮塔斜拉桥结构特性比较分析

２０１６年第１１期　黑龙江交通科技　Ｎｏ．１１，２０１６　（总第２７３期）　ＨＥ　ＬＬＯＮＧｄｌＡＮＧ　ｄｌＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　（Ｓｕｍ　Ｎｏ。２７３）　矮塔斜拉桥结构特性比较分析　廖健凯　，夏涛　（１．四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川德阳６１８０００；　２．中铁八局集团建筑工程有限公司，四川成都６１００００）　摘要：矮塔斜拉桥以其独特的造型和优良的组合受力体系正在成为桥梁届新宠，本文主要针对和矮塔　斜拉桥结构体系较为相近的连续梁桥、斜拉桥从拉索、主塔、主梁的受力方面人手，建立ＭＩＤＡＳ模型做一　个较为详细的结构特性对比分析，梳理出矮塔斜拉桥的优越性。　关键词：受力体系；对比分析；矮塔斜拉桥　中图分类号：Ｕ４４５　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１６）１１—０１２４—０２　１连续梁桥与矮塔斜拉桥　连续梁桥在竖向荷载下主要是以主梁的受弯、　受剪为主。为了增加主梁的跨越能力，一般采用预　应力箱型主梁，此时预应力刚束布置在箱梁截面以　内（如图１体内束）。体内束的存在使得箱梁的跨　越能力得到提升，但如果跨径想要进一步继续增　加，则需要更多的体内束来增加箱梁的刚度；体内　图２矮塔斜拉桥主梁弯矩图　束的增多则需要更大体积的箱型截面来布置体内　（１）竖向分力Ｖ（如图１右）抵消一部分主梁自　束，此时主梁的自重也随着箱梁体积的增大和体内　重，为主梁提供了弹性支点，相当于减小了主梁跨　束的增多而加重不少。显然，想要通过增多体内束　径，减小了主梁跨中正弯矩和支点负弯矩；　的方式来进一步增加主梁的跨径这种方法并不经　（２）水平分力Ｈ（如图１右）当于体内束的作用　济；这也正是梁式桥跨越能力偏小的原因所在。　增加主梁刚度，为主梁提供的压应力抵消了一部分　矮塔斜拉桥的主梁内仍然有体内束来保证主　支点负弯矩产生的拉应力从而改善了主梁支点负　梁具有一定的刚度，为了进一步增大主梁刚度增加　弯矩。　跨越能力采用了体外预应力的方式　（如图１体外　矮塔斜拉桥由于有体外索的存在，使得主梁内　索）。可以把矮塔斜拉桥看做是体内束＋体外索结　力得以改善，主梁截面不用太大也能获得足够的刚　构，即体外索起到了对连续梁（连续梁桥看做是体　度，所以其主梁高度要比连续梁桥的梁高小，减轻　内束结构）加固的作用。　了自重，如图１所示。体外索相对与体内束来说除　图１、图２跨径布置均为１４５　ｍ＋２５０　１ＴＩ＋１４５ｍ　了上述优点以外，也存在一定的缺点：体外索在转　的连续梁、矮塔斜拉桥在恒载作用下的弯矩图，可　向处有滑移，结构变形不协调产生二次效应；需对　以看出连续梁的主梁跨中正弯矩和支点负弯矩均　体外索进行防腐、防撞、减振等设计；需要单独设计　大于矮塔斜拉桥的正负弯矩，且没有矮塔斜拉桥主　和分析体外索的转向、锚固等关键结构；需定期检　梁弯矩分布均匀。　测或调整体外索应力甚至更换体外索等。　体外索的作用如图１。　２斜拉桥与矮塔斜拉桥　｝　；２．１　主粱　斜拉桥与矮塔斜拉桥主梁在外形上的区别主　——山一　…　…　一　要是斜拉桥的主梁更为纤柔一些，外形上两者相差　不大，但是在受力上相差就较为明显了。建立跨径　布置均为１４５　ｍ＋２５０　１ＴＩ＋１４５　ｍ的斜拉桥、矮塔斜　拉桥ＭＩＤＡＳ模型。可以看出由于矮塔斜拉桥有体　图１连续梁桥主梁弯矩图　内束和拉索水平夹角较小的缘故，其主梁受到的压　收稿日期：２０１６—０７—２２　作者简介：廖健凯（１９８７一），男，重庆江津人，助教，研究方向：桥梁工程教学。　・１２４・　第１１期　廖健凯，夏涛：矮塔斜拉桥结构特性比较分析　总第２７３期　应力远大于斜拉桥主梁，增加了主梁刚度。　斜拉桥在竖向荷载下主要是由斜拉索受拉、主　梁受压和主塔受压为主，由于斜拉桥主要依靠斜拉　索来提高跨越能力，其主梁只是支撑在拉索上并不　需要太大的刚度，一般２—３　ｍ即可（梁只需满足最　小刚度即可）。而矮塔斜拉桥在竖向荷载下主要是　主梁受弯、受压、受剪和体外素受拉，体外索只是辅　助作用（体外索通过大偏心弯矩来改善结构性能），　其桥梁的整体刚度主要由主梁提供，所以矮塔斜拉　桥的主梁会承受大部分荷载，为了增加主梁刚度其　截面会加高（支点截面Ｌ／３０～Ｌ／３５；跨中截面Ｌ／５０　从表１中数据可以看出，由于矮塔斜拉桥的主　梁刚度大的原因，使得矮塔斜拉桥的体外索：　（１）在活载作用下体外索的伸缩量和应力变化　小（主梁刚度大，挠度小）。由于矮塔斜拉桥体外索　的应力变化幅度小（其应力变幅＜５０　ＭＰａ，斜拉桥　拉索应力变幅＞５０　ＭＰａ）；大大减轻了体外索的在　后期活载下的疲劳问题，更适合于通车密度大、荷　载大的双层桥面或铁路桥；所以可以将体外索拉得　更紧提高张拉力，从而节省昂贵的高强钢丝，甚至　可以用一般预应力钢筋降低费用。故矮塔斜拉桥　体外索容许应力为０．６盯　安全系数相当于１．６７　～Ｌ／６０）并且布置体内束，同时可以采用塔墩梁固　结体系进一步提升结构的整体刚度。　２．２主塔　（１）体外索为了获得更大的偏心距通常都集中　在塔顶锚固，若跨径较大，矮塔斜拉桥常用的贯通　式索鞍锚固会造成塔顶锚固区的应力较为复杂及　塔顶局部压应力过大的问题，可用斜拉桥常用的分　离式锚固方式如钢锚箱锚固来避免塔顶混凝土被　压碎。　（２）体外索与主梁的夹角比斜拉桥拉索与主梁　的夹角小（如图１），在体外索与拉索的拉力相同　时，体外索的水平分力大于拉索的水平分力，即矮　塔斜拉桥的体外索是以增加主梁刚度为主，提供竖　向弹性支承为辅；而斜拉桥的拉索是以提供竖向的　弹性支承为主，增加主梁刚度为辅。　２．３拉索　斜拉桥的斜拉索和矮塔斜拉桥的体外索外形　上没有区别，但是其拉索应力明显的不同是区分矮　塔斜拉桥与斜拉桥的关键。将上述对比模型中得　出的索力列于表１（１号索为左侧桥塔跨中最长斜　拉索）。　表１　相同跨径斜拉桥与矮塔斜拉桥的索力对比　斜拉桥索力变　ＭＰａ　矮塔斜拉桥索力变Ｉ匕，ＭＰａ　斜拉索号——　恒载＋活载索力恒载索力应力变幅恒载＋活载索力恒载索力　应力变幅　（１／０．６），体外索利用率较高；而一般斜拉桥的拉索　由于疲劳问题突出，其容许应力仅为０．４０－．．，安全系　数相当于２．５（１／０．４）。　（２）可以不设置端锚索；　（３）体外索分担到的荷载并不大；竖向荷载分　担比Ｂ　卢＝　ｐ一　全部竖向荷载　￣１００％　＜３０％时为矮塔斜拉桥，卢＞３０时为斜拉桥　３结语　综上所述，矮塔斜拉桥的受力特征介于梁式桥　与斜拉桥之间，兼有预应力连续梁桥与斜拉桥的优　点，在跨径为１００到３００ｍ之间其优越性尤为突出。　笔者认为称其为矮塔斜拉梁桥可以更为准确地反　应其结构受力特点：　（Ｉ）与连续梁桥相比，体外索只是相当于主梁　体内束之外附加的一些体外预应力，通过引起大偏　心弯矩来改善结构性能从而达到降低主梁高度的　目的；即索辅梁桥——以主梁为主，以体外索为辅　的新型桥梁形式。　（２）与斜拉桥相比，其主梁刚度比斜拉桥主梁　刚度大（梁刚），可承担大部分活载，所以它的体外　索应力幅很小，解决了体外索的疲劳问题；由于主　塔较低（塔矮），体外索为了获得更大的偏心距和索　力效率通常都集中在塔顶锚固（索集中）。　（３）矮塔斜拉桥主梁的建筑高度介于斜拉桥和　连续梁桥之间（如图１所示）。布置在跨线桥位上，　具有较低建筑高度，减少桥梁长度的优点；而且桥　面以上部分的桥塔高度大大减小，节约造价。　参考文献：　［１］顾安邦，徐君兰．矮塔斜拉桥［Ｄ］．中国公路学会桥梁　和结构工程学会２００１年桥梁学术讨论会论文集，　２００１．　［２］徐栋．桥梁体外预应力设计技术［Ｍ］．北京：人民交通　出版社，２００８．　［３］　姚玲森．桥梁工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００８．　［４］　陈从春．矮塔斜拉桥设计理论核心问题研究［Ｄ］．上　海：同济大学博士学位论文，２００５．　・１２５・