預應力混凝土斜拉桁架橋結構特征分析

尼穎升，李金凱

(長安大學公路學院，陜西西安710064)

0 引言

一個新的體系衍生橋型絕非偶然發(fā)生，必定是一種力學行為的良好結合或者是從其他類型的橋型中演變而來。預應力混凝土斜拉桁架橋恰好是連續(xù)梁橋和斜拉橋、桁架橋演變而來，它的構造形式和設計特點主要繼承了混凝土連續(xù)梁橋理念，全面體現斜張橋和桁架橋的特性。本文重點介紹預應力混凝土斜拉桁架橋（見圖1）的發(fā)展思路，剖析它的基本的受力特性，從而與其他橋型進行綜合性的對比，體現預應力混凝土斜拉桁架橋的明顯經濟優(yōu)勢。

1 斜拉橋、桁架橋及連續(xù)梁橋的優(yōu)缺點

1.1 預應力混凝土斜拉橋的優(yōu)點

總體看來，國內外已經建成的橋梁，預應力混凝土斜拉橋有其較好的優(yōu)點和應用市場。根據橋梁的設計經驗，預應力混凝土斜拉橋的優(yōu)點有[1][2]：

（1）其跨越能力比較強。在預應力混凝土主梁的橋型跨越能力中，預應力混凝土斜拉橋的跨越能力僅次于懸索橋，但是與大跨度的懸索橋相比，結構剛度更大，建造成本相對較低。

（2）斜拉索密布于主梁上，斜拉索的預張拉力使主梁受壓，豎向力對主梁提供強有力的彈性支撐，使大跨度的主梁變成有多點彈性支撐的預應力混凝土連續(xù)梁，減小了主梁截面的高度，打破了預應力混凝土主梁大跨度的限制。與此同時還使得材料更為節(jié)省，有利于懸臂法澆注或者拼裝施工。

（3）從外部造型來看，美觀大氣，能與環(huán)境良好搭配。

1.2 桁架組合式拱橋的優(yōu)點

純桁架橋桿件一般都是鋼結構制作，構件是混凝土的橋梁一般都是桁架與其他橋梁的組合體系，如桁架組合式拱橋等，這樣的組合橋梁優(yōu)勢在于：

（1）構件節(jié)點鉸接時，桿件均為二力受力桿件，受力比較明確，傳力路徑很清晰，設計也較為簡單。

（2）把輕型化的桿件組合形成整體性比較強、剛度相對較大的桁架結構，既可以滿足結構整體、局部受力要求，又可以很大程度上節(jié)約材料用量。例如懸索橋為了加大截面剛度而且與此同時還要減輕自重，就必須把箱室做成桁架的組合結構。

1.3 預應力混凝土連續(xù)梁橋的優(yōu)點

預應力混凝土連續(xù)梁橋是目前橋梁中使用最為普遍的一種橋型，它的優(yōu)點突出在：

（1）結構形式簡單，受力圖示合理，便于工廠化、快捷化設計。

（2）施工工藝相當成熟，施工方法多種多樣。

1.4 斜拉橋、桁架橋、連續(xù)梁橋的缺點

盡管有這么多優(yōu)點，但是還應該發(fā)現，預應力混凝土斜拉橋、桁架橋及連續(xù)梁橋三種橋型均有一定的缺陷。

對預應力混凝土斜拉橋來講,其缺陷在于[3]～[5]：

（1）鋼拉索長期暴露在潮濕的空氣當中，非常容易受到周圍環(huán)境腐蝕，并且對結構的安全性造成極為不利的影響，雖然現在斜拉索周圍有許多高性能的防腐材料包圍，但是本質問題還是存在，得不到根本解決。

（2）斜拉索使整個結構變成一個柔性體系，一方面主梁受力之后變形很大，設計人員操作時很自然就會加大主梁截面剛度或減小索的間距，這樣就會造成材料的浪費；另一方面斜拉索變形大很容易造成鋼材的疲勞，降低使用壽命，使得設計中斜拉索的拉應力僅占其極限強度設計值的40%左右，很大程度上減少了鋼材的使用效率。

（3）消耗鋼材料很大，經濟性能相對其他橋型而言較差些。

對于純桁架來講，它的缺點主要是跨度適用范圍小，不能滿目前橋梁對大跨度橋梁形式的要求，而且一般都是鋼結構制造，非常之高，不經濟。

預應力混凝土連續(xù)梁橋的主要缺點是跨徑受制約，目前世界范圍內最大跨度的預應力混凝土梁橋跨徑做到270 m，再大的跨徑已經很難從此類結構形式上做到突破。

2 預應力混凝土斜拉桁架橋的發(fā)展理念

對于斜拉橋和桁架橋存在的上述種種缺點，設計者需要考慮創(chuàng)造一種改善斜拉橋的受力性、施工技術，而且又具有桁架橋自重小的優(yōu)點，并且他可以用于中小跨徑的橋梁，又適用于大跨度橋梁，還可以應用于高等級橋的綜合橋型[6]。預應力混凝土斜拉桁架橋體系就此作探討。仔細看來每一種成熟的橋均都有一個演變的過程，例如石拱橋→空腹拱橋→雙曲拱橋→桁架拱橋。拱形式是基本體系，桁架橋是被組合的一種新型橋型。再例如連續(xù)梁橋：簡支梁橋→懸臂梁橋→T形剛構橋→連續(xù)梁橋。當然，連續(xù)梁橋的發(fā)展不斷前進、創(chuàng)新。設計人員想到：連續(xù)梁的跨中部位的底板混凝土、剛性支撐墩處的頂板部位的混凝土都處于受拉區(qū)，高強混凝土是“無用的”。同樣主梁腹板的主拉應力區(qū)和主壓應力區(qū)也浪費過多的高強混凝土。由此要挖空底板、頂板、腹板，做成桁架結構，使腹板位置的主拉應力區(qū)集中地變成受拉的斜腹桿件，受壓區(qū)全部地變成受壓的斜腹桿件，把剛性墩處的橫隔梁做成橋塔，并且增加了橋塔高度，再將結構翻轉過來，使結構由上承式變?yōu)橄鲁惺叫问?，原來的拉腹桿件變成了壓腹桿件，原來的壓腹桿件變成了拉腹桿件，底板則集中變?yōu)樾崩瓧U，這樣連續(xù)梁橋就集中衍生成預應力混凝土斜拉桁架連續(xù)梁了。因此，預應力混凝土連續(xù)梁仍然是基本結構體系，斜拉和桁架是被組合的橋型。

除了以上介紹的這種分析理念之外，還有另外一種衍生思路。想到斜拉橋斜拉索是柔性體系，設計人員就會想到用剛性的混凝土桿件代替斜拉索，與此同時對混凝土張拉預應力鋼束，使其能夠抵抗斜拉桿所承受的巨大拉力。但是剛性桿件過長時會導致單根桿件自重較大，由此產生的內力及發(fā)生的桿件失穩(wěn)，由此將取代邊斜拉索的桿件分別做成合適的節(jié)段，作為受拉力的上弦桿，其他斜拉索對應的桿件上端不錨在橋塔上，而是分別與上弦桿各節(jié)點首尾相互連接，形成拉腹桿件與壓腹桿件，主梁挖空做成了下弦桿，形成了桁架體系結構。至此，斜拉橋就演變成為預應力混凝土斜拉桁架體系橋梁了。

以上兩種思想盡管出發(fā)點不同，但是衍生到斜拉桁架橋所體現的整體力學性能是一樣的：基本體系仍為連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構橋，斜拉和桁架進行組合的體系，見證了斜拉桁架橋演變出來的非偶然性。

3 斜拉桁架橋的優(yōu)點和基本力學特性

經上述各類橋型的優(yōu)缺點進行比對，力學行為進行比較，得出預應力混凝土斜拉桁架橋的明顯優(yōu)點[7]在于：

（1）解決了斜拉橋當中斜拉索所遇到的防腐問題。由于用混凝土桿件替代了斜拉索，使得預應力鋼索外面有混凝土粘結，使得預應力鋼筋得到有效的保護，從本質上消除了斜拉索的防腐問題。

（2）提高了結構構件的整體剛度、強度。對于活載較大且位移幅度受到更加嚴格制約的鐵路橋，剛性桿件的應用將在很大程度上減小活載產生的位移。

（3）解決了斜拉索的疲勞問題。由于桿件內部鋼絲與混凝土受力粘結，盡管活載作用效應較大，但是桁架內鋼絲應力值變化幅度很小。根據有關的類似橋型的計算分析表明，當鋼絲的應力值達到1 000 MPa時，最大應力值與最小應力值差值小于50 MPa。鋼絲的最小、最大應力值比可達0.95，鋼絲錨固段的控制應力完全可用到0.75R（R表示鋼束極限承載力），但柔性索斜拉橋在使用期的鋼絲應力一般情況下都小于0.4R。

（4）造價低廉，節(jié)省材料，同等跨徑時，比其他橋型更為經濟。

（5）造型美觀，與環(huán)境良好搭配，適宜作為景觀橋梁或是城市橋梁。

人們知道，斜拉橋有一個最基本的內力特性，就是在塔處相鄰兩根斜拉索纜的合力使得橋塔產生了一個方向向下的合力（壓力）；拉索的另一端則在下弦桿（行車道梁）處產生一個指向塔根的方向的水平分力，使得下弦桿承受壓力，另一個豎直分力承擔下弦桿的自重與活載產生的內力（見圖 2）。

預應力混凝土斜拉桁架橋也具有斜拉橋的基本“斜拉”的特點。簡支的桁架橋的上弦桿是受壓構件，下弦桿受拉構件，斜腹桿受壓構件，豎腹桿受拉構件。而斜拉桁架橋的上弦桿是受拉構件，下弦桿是受壓構件，這與簡支的桁架橋剛好是相反的。預應力混凝土斜拉桁架橋中指向塔頂方向的斜腹桿承受拉力，指向塔根方向的斜桿承受壓力。各弦桿與腹桿都是以軸力（見圖2）索力分解而來，彎矩與軸力之比可以相當可觀，不可以忽略不計，這就充分顯示了預應力混凝土斜拉桁架橋的“桁架”特性。

從全橋整體受力性能上分析，預應力混凝土斜拉桁架表現的是明顯的連續(xù)梁橋的特點，可以從預應力筋的布置形式上清楚地反映出來。從布置形式上看，上弦桿布置的預應力鋼束相當于頂板預應力鋼束，承受上緣拉力產生的作用，且截面通過鋼束的數量隨著懸臂的伸長而逐漸地減?。焕箺U配置預應力鋼束相當于頂板預應力鋼束的下彎部分，抵抗主拉應力產生的作用；下弦桿布置的預應力鋼束相當于邊跨預應力鋼束，承擔邊跨支點截面下緣出現的拉應力。值得提出的是，在圖3中，預應力混凝土斜拉桁架橋結構形式是以百歲溪大橋為參照，由于V型支撐的作用，使墩頂箱梁上下緣均布置了預應力鋼束，與連續(xù)梁橋的布束特點相似，但是這并不沖突。圖4中豎直剖取了斜拉桁架的一個截面，該截面實際由三根桿件來承受軸向力，而幾個軸向力形成的彎矩則通過和連續(xù)梁橋的箱型截面相似的“名義截面”承受，這樣利用極小的桿件截面就構成了較大剛度的“名義截面”，體現了其比其他連續(xù)梁橋有優(yōu)勢的特點。

4 斜拉桁架橋與其他橋型的經濟指標對比

前面所述，預應力混凝土斜拉桁架橋的明顯特性之一是具有比其他橋梁更好的經濟性能，而經濟性能是一座橋梁投資注重的問題之一，并且造價越低，越符合我國構建節(jié)約型社會的發(fā)展理念。以百歲溪大橋為工程實例，初步設計時通過方案比對所作的預估分析，可知，懸索橋造價約3 980萬，預應力混凝土連續(xù)剛構梁橋約3 689萬，而預應力混凝土斜拉桁架橋僅需3 349萬，為三種方案中最經濟的一種。下文用數據說明預應力混凝土斜拉桁架橋的經濟特點。

4.1 對比不同橋型的經濟效果

這種對比是依照“主要材料總量P/面積S（橋長×橋寬）”這一經濟指標進行對比，本文規(guī)定比值的符號為α，稱為直接經濟性因子，計算的公式為：

這樣對比可以十分方便快捷地將不同跨徑的不同橋型經濟效果進行對比，比較結果很顯然。表1列舉了不同跨徑的中大跨度斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋及斜拉桁架橋的材料用量及直接經濟性因子的大小。這幾種橋型都是以實際工程為依托：斜拉橋是滬蓉西高速公路上的鐵羅坪大橋，主橋橋跨布置為（140+322+140）m的預應力混凝土斜拉橋，橋寬為24.5 m；懸索橋為四川甘孜州田灣河大橋，橋跨布置為（25+240+25）m，橋寬為 8 m；連續(xù)梁橋是宜昌小溪塔大橋連續(xù)剛構方案，橋跨布置為（95+140+95）m，橋寬為12.5 m；預應力混凝土斜拉桁架橋為三峽庫區(qū)秭歸縣卡子灣大橋，橋跨布置為（31+79.5+140+79.5+8）m，橋寬為 12.04 m。

表1 各種橋型潛在經濟性能比較表

通過表1的直接經濟性因子α的比較，可知預應力混凝土斜拉桁架橋的各種主要材料的α值為最小或較小，明顯看出在同等跨徑下斜拉桁架橋的經濟優(yōu)勢是相當可觀的。

4.2 對比不同橋型的潛在經濟效果

要分析一種橋型的經濟性能，不但要分析上文所謂的“直接經濟性”，也要對這種橋型的“潛在經濟性”進行對比，而且這一指標對此類橋型的經濟性能起到某種決定性的作用。這一經濟指標指的是將同一種橋型的不同跨徑的兩座橋梁進行對比，將各自的主要材料總量P的差值與面積S（橋長×橋寬）的差值之比作為潛在經濟性指標。本文規(guī)定比值的符號作為β，稱為潛在經濟性性因子，其計算公式為：

對β的分析中，每種橋型選擇兩座實橋，先求出公式（2）中的ΔPi與ΔSi，然后通過公式（2）求出β，表2給出了實際工程的名稱、橋跨布置形式及橋梁寬度。

表2 實際工程對比表（單位：m）

結合實際工程的工程數量，表3列出了不同橋型的潛在經濟性因子β，通過β值的對比，可以明顯看出在加大同等“橋梁面積”的情況下，連續(xù)梁橋增加的工程材料用量為最小，斜拉桁架橋緊隨其后，并遠小于斜拉橋與懸索橋的材料用量。這很好地說明斜拉桁架橋朝未來大跨度橋梁發(fā)展的經濟性潛在能力很大，未來修建300～500 m為主跨的橋梁，從經濟性角度來講，斜拉桁架橋具有最大的競爭優(yōu)勢。

表3 各種橋型潛在經濟性能比較表

5 結語

通過對預應力混凝土斜拉桁架橋衍生、來源，對斜拉桁架橋基本的受力性能，以及其經濟性問題的探討，對預應力混凝土斜拉桁架橋有了一個更深的了解。同時分析表明，此類橋型的優(yōu)勢明顯，潛力很大，值得在未來的大跨度的經濟使用性橋型的選擇上最先考慮。

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