矮塔斜拉橋索塔設(shè)計概述

蔣麗萍

(柳州市市政設(shè)計科學(xué)研究院,廣西柳州 545006)

矮塔斜拉橋亦稱部分斜拉橋,是介于傳統(tǒng)或常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁橋之間的一種過渡性橋梁結(jié)構(gòu)。矮塔斜拉橋的主塔較矮,斜拉索較短,為盡可能提高斜拉索的傾角和偏心矩,往往在索塔內(nèi)設(shè)置索鞍,讓斜拉索連續(xù)通過索塔,將索塔視為斜拉索的轉(zhuǎn)向點。

索塔結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)高度、索鞍構(gòu)造、索塔配筋四個方面是索塔設(shè)計的重點,本文將從這四個方面進行闡述。

1 索塔的結(jié)構(gòu)形式

斜拉橋索塔設(shè)計時應(yīng)注意賦予象征性意義,并且注意與周邊環(huán)境和周邊橋梁的協(xié)調(diào)性。

矮塔斜拉橋的索塔形式在橫橋向有單柱形、雙柱形、三柱形、H形、門形等。在縱橋向,主要是柱形,但也可采用其他形式,如倒 V形等(圖 1)。

圖1 倒V形

單柱型索塔適用于單索面矮塔斜拉橋,這類矮塔斜拉橋可采用塔梁固結(jié)和剛構(gòu)體系,見圖 2。塔梁固結(jié)、塔墩分離時,作用在主梁和索塔上的荷載通過塔梁連接處設(shè)置在塔梁下的支座傳遞給下部結(jié)構(gòu)。索塔為單柱型的矮塔斜拉橋抗扭性能由主梁提供,主梁為抗扭剛度大的箱型截面梁,特別是斜置腹板的箱梁。單柱型索塔一般設(shè)置在橋面中央分隔帶上。我國漳洲戰(zhàn)備橋、小西湖大橋、離石高架橋,日本的木曾川橋、楫斐川橋、士狩大橋等均采用單柱型索塔、塔梁固結(jié)體系。塔梁墩剛性固結(jié)時,塔梁上的荷載通過橋墩直接傳到基礎(chǔ)中去。我國的同安銀湖大橋、日本的新名西橋采用的是單柱型索塔、剛構(gòu)體系。

圖2 單柱型

雙柱型、H型、門型索塔適用于雙索面矮塔斜拉橋,見圖3。雙柱型索塔的兩個塔柱間無連接構(gòu)件,在雙柱型塔柱之間設(shè)置橫梁即型成 H型、門型索塔。雙柱型、H型、門型索塔既可采用直塔柱、斜塔柱,也可采用折線型塔柱。雙柱型、H型、門型索塔的矮塔斜拉橋可采用塔梁固結(jié)體系、支承體系、剛構(gòu)體系。日本的蟹澤橋采用的是雙柱型索塔、塔梁固結(jié)體系。日本的屋代南橋、屋代北橋、小田原塔港橋、沖原橋、又喜納大橋、保津橋、三門江大橋等均采用雙柱型索塔、剛構(gòu)體系。日本的友好橋采用的是門型索塔、支承體系。

三柱型索塔適用于雙幅四索面矮塔斜拉橋,見圖 4。日本的都田川橋采用三柱型索塔、剛構(gòu)體系。

2 索塔的結(jié)構(gòu)高度

矮塔斜拉橋與傳統(tǒng)斜拉橋最直觀的區(qū)別之一就是前者索塔矮小。也正是由于這種矮小的索塔,使得矮塔斜拉橋具備很多特點。

圖3 雙柱型

圖4 三柱型

矮塔斜拉橋的拉索具有主梁體外索的特征。索對梁提供豎向分力的同時,也對梁提供較大的軸壓力,以使梁能承受彎矩,因此索的傾角較小,塔高不需太大。經(jīng)過對國內(nèi)外已建矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析,矮塔斜拉橋的索塔高度(橋面以上)一般為主跨的 1/12～1/8。

從橋面算起的塔高,矮塔斜拉橋要比斜拉橋低得多,雙塔三跨公路斜拉橋的橋塔高跨比一般為 1/5～1/4,鐵路斜拉橋為 1/3。作為公路斜拉橋的小田原港橋、沖原橋以及蟹澤大橋的橋塔高跨比為 1/11.5、1/11.2以及 1/7.5,鐵路矮塔斜拉橋的屋代南北橋為 1/8.7以及 1/9.0。因此,矮塔斜拉橋的橋塔高跨比一般為 1/12～1/8之間,與懸索橋主纜的垂跨比相當(dāng)。

主塔高度的增加,主梁的豎向位移和彎矩都減小,塔根彎矩也減小,主塔顯得更安全,但拉索應(yīng)力變幅有一定程度的增長。因此在拉索疲勞不受影響的情況下,可以適當(dāng)?shù)卦龃笾魉母叨?以改善結(jié)構(gòu)受力。

當(dāng)主梁剛度較大時,塔的剛度對矮塔斜拉橋特性的影響不大;但當(dāng)主梁剛度小時,塔的剛度卻非常重要。

3 索鞍設(shè)計

對矮塔斜拉橋索鞍而言,不僅要具有對斜拉索的抗滑移功能,而且還應(yīng)具有構(gòu)造簡單、換索施工方便、內(nèi)外管適應(yīng)性好、對塔截面產(chǎn)生的劈裂力小等特點。

關(guān)于索鞍的設(shè)計,在日本多采用類似于沖原大橋的處理方式,即鞍座外管采用 PE管,內(nèi)管為鋼管,出氣管從內(nèi)外管之間引出,并通過U形墊板和楔塊卡住內(nèi)鋼管,從而實現(xiàn)斜拉索的抗滑移性能。目前我國較為實用的兩種索鞍結(jié)構(gòu)是雙套管索鞍結(jié)構(gòu)和分絲管索鞍結(jié)構(gòu)。

3.1 雙套管索鞍結(jié)構(gòu)

雙套管索鞍結(jié)構(gòu)分為內(nèi)套管和外套管,見圖 5。外套管作預(yù)留孔道,拉索整體或單根穿過內(nèi)套管后灌注高強環(huán)氧砂漿,同時在索鞍出口處(塔兩側(cè))用高強環(huán)氧砂漿做成抗滑移裝置(見圖 6),然后對稱錨固于主梁上。預(yù)埋管和內(nèi)套管采用鑄鋼制造,以保證其線形和加工精度。預(yù)埋管和內(nèi)套管采用受力情況最好的圓弧形。

圖5 雙套管結(jié)構(gòu)示意

圖6 索鞍錨固示意

現(xiàn)有雙套管索鞍結(jié)構(gòu)無論在設(shè)計上還是在施工上都存在著許多不足,主要包括:

(1)索鞍的內(nèi)套管和外套管、外套管與混凝土之間形成線接觸,產(chǎn)生應(yīng)力集中,有可能因過大的局部應(yīng)力造成混凝土開裂;

(2)內(nèi)套管灌漿情況、鋼絞線的防腐情況無法檢查;

(3)由于組成拉索的各根鋼絞線相互疊壓在一起,各根鋼絞線受力不均勻,可能會導(dǎo)致鋼絞線過早疲勞失效,并且難以實現(xiàn)單根調(diào)索及更換;

(4)鋼絞線通過內(nèi)套管時容易打絞,施工相當(dāng)困難;(5)換索工藝復(fù)雜,工作量大。

3.2 分絲管索鞍結(jié)構(gòu)

分絲管索鞍結(jié)構(gòu)是由多根平行的導(dǎo)向鋼管組焊而成,導(dǎo)向鋼管根據(jù)梁端錨具孔位來排布,拉索不是整束布置在同一管中,而是拉索中的每一根鋼絞線穿過對應(yīng)的導(dǎo)向鋼管,形成分離布置,互不干涉,并承受鋼絞線由于單根張拉先后造成相互之間的擠壓,見圖 7。

圖7 分絲管索鞍結(jié)構(gòu)實物

圖8 分絲管結(jié)構(gòu)的抗滑錨固示意

分絲管索鞍結(jié)構(gòu)在抗滑錨固設(shè)計上的典型做法是在橋塔鞍座出口的兩端設(shè)置抗滑錨筒,然后灌注特殊配方的高強環(huán)氧砂漿。利用環(huán)氧砂漿的粘結(jié)力以克服兩側(cè)拉索索力差形成抗滑力,見圖 8。

與雙套管索鞍結(jié)構(gòu)相比,分絲管索鞍結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點,主要包括:

(1)該索鞍下部與混凝土的接觸面很寬,不是局部的線接觸,不會形成不利的應(yīng)力集中,很好地解決了索鞍下部應(yīng)力過大的問題,見表1;

(2)針對內(nèi)套管灌漿后不易檢測的問題,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用分絲管技術(shù),單根無粘結(jié)鋼絞線在索鞍段采取不剝外包PE的方法,使得防腐效果更好,它的防腐原理等同于拉索自由段;

(3)采用分絲管技術(shù)后,單根鋼絞線張拉產(chǎn)生的壓應(yīng)力直接傳到小鋼管上,再分散傳遞到索鞍的混凝土上,可以實現(xiàn)單根調(diào)索和換索;

(4)施工時每根無粘結(jié)筋只穿過對應(yīng)的鋼管,不會存在打絞問題,施工非常便利。

4 索塔配筋探討

索塔索鞍處由于存在拉索作用下的拉應(yīng)力及局部壓應(yīng)力,其受力較為復(fù)雜,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成混凝土破壞。所以索塔應(yīng)根據(jù)受力情況合理配筋。

(1)在拉索端面下緣拐角處采用倒圓角施工,沿拐角處配置凹角隅鋼筋,防止此處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中而將混凝土壓碎,參見圖 9。

(2)拉索截面下部 1/4～1/3面積下混凝土具有較大壓應(yīng)力,可在拉索外設(shè)置預(yù)埋管或配置螺旋箍筋,分散拉索下混凝土應(yīng)力[2]。

(3)斜拉索圓弧段半徑大小將直接影響到拉索表面下混凝土應(yīng)力的分布。拉索半徑越大,拉索表面下混凝土應(yīng)力分布越均勻,但斜拉索與梁體的夾角越小,斜拉索對豎向荷載的分擔(dān)率變小。設(shè)計合理的斜拉索圓弧段半徑,對控制索塔混凝土應(yīng)力分布與大小及全橋受力性能有重要意義。在施工過程中應(yīng)對索鞍加工精度以及施工安裝定位嚴(yán)格控制。

圖9 索塔混凝土拐角處配筋

5 結(jié)束語

矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁和斜拉橋之間的半柔性橋梁。索塔結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)高度以及索鞍構(gòu)造均將影響到主梁、橋梁下部結(jié)構(gòu)形式,本文對索塔設(shè)計應(yīng)涉及到的重點內(nèi)容進行了分析研究,以便為該橋型的進一步應(yīng)用提供參考。

[1]周立平.斜拉橋索塔錨固區(qū)應(yīng)力分析[D].長安大學(xué),2005

[2]楊鴻波.E-D橋橋梁結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 [D].上海:同濟大學(xué),2005