單塔單索面矮塔斜拉橋的應(yīng)用

章玉明

（寧波市市政工程前期辦公室，浙江 寧波 315040）

單塔單索面矮塔斜拉橋的應(yīng)用

章玉明

（寧波市市政工程前期辦公室，浙江 寧波 315040）

矮塔斜拉橋是上世紀(jì)80年代末才出現(xiàn)的一種新的橋型結(jié)構(gòu)。首先回顧了矮塔斜拉橋的發(fā)展歷程，然后簡要介紹了矮塔斜拉橋的橋型結(jié)構(gòu)及受力特點。同時結(jié)合某矮塔斜拉橋（2×55 m）的具體應(yīng)用實踐，闡述了這種橋型的設(shè)計構(gòu)思，介紹了這種橋型的設(shè)計要點，有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

矮塔斜拉橋；結(jié)構(gòu)設(shè)計；力學(xué)分析

0　引言

矮塔斜拉橋也可以稱作部分斜拉橋，這是上世紀(jì)80年代末才提出來的一種新興橋型結(jié)構(gòu)。矮塔斜拉橋的概念是 1988年由法國的工程師Jacgues Mathivat首先提出來的，他在設(shè)計位于法國西部一座高架橋方案時，提出了一種名為“Extra-dosed PC bridge”的新型橋梁，中文名翻譯為“超量的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁”。這種橋的特點是在主梁中支點處設(shè)置矮索塔，矮索塔上部設(shè)置一個轉(zhuǎn)向塊，斜拉索通過轉(zhuǎn)向塊對主梁產(chǎn)生偏心作用[1]。這種結(jié)構(gòu)布置方式很好的體現(xiàn)了矮塔斜拉橋的三個主要特點：塔矮、梁剛、索集中。此后，世界各國的工程師們對這種橋型結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和應(yīng)用逐漸多了起來。

而世界上第一座真正意義上的矮塔斜拉橋出現(xiàn)在日本，就是于1994年建成的日本小田原港橋，其跨徑布置為74 m+122 m+74 m。矮塔斜拉橋在日本發(fā)展十分迅速，已建成的矮塔斜拉橋已超過20多座。矮塔斜拉橋在其他國家也得到了廣泛的應(yīng)用。而在國內(nèi)的起步則比較晚，有資料認(rèn)為我國第一座矮塔斜拉橋是2000年9月建成的蕪湖長江大橋，也有資料認(rèn)為我國第一座真正意義上的矮塔斜拉橋是漳州戰(zhàn)備大橋[2][3]。表1列出了一些主要的矮塔斜拉橋的一些參數(shù)。

1　矮塔斜拉橋的受力特點

矮塔斜拉橋一般由塔、索、梁等部件組成，這一點與傳統(tǒng)意義上的斜拉橋在外觀上較為類似。但在斜拉索布置、結(jié)構(gòu)尺寸比例以及受力特性等方面，兩者又有著明顯的差別。斜拉橋就是主梁與拉索結(jié)合的組合體系，主梁可以看作多點彈性支承的連續(xù)梁。矮塔斜拉橋是介于梁式橋和斜拉橋之間的一種橋型，這種橋具有斜拉橋和梁式橋的雙重特性：梁式橋是以梁的受彎、受剪來承受荷載；斜拉橋則是以梁的受壓和索的受拉來承受荷載。而矮塔斜拉橋是以梁的受彎、受壓和索的受拉來共同承受荷載，從梁式橋、矮塔斜拉橋到斜拉橋，主梁承受的彎矩逐漸減小，而軸力卻逐漸增加。與梁式橋和斜拉橋相比，矮塔斜拉橋主梁的受力行為發(fā)生了變化。受力簡圖見圖1。

表1　一些矮塔斜拉橋參數(shù)

圖1　三種橋型受力簡圖

矮塔斜拉橋也可以說是另一種意義上的體外預(yù)應(yīng)力梁橋，索即是體外預(yù)應(yīng)力索，塔柱即是轉(zhuǎn)向塊。這種結(jié)構(gòu)特征不但有效解決了梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋配置效率不高和空間不足的問題，還可以減小主梁的截面尺寸。

如前所述，矮塔斜拉橋是由主梁和斜拉索共同來承擔(dān)外荷載作用?？梢栽O(shè)想，若將拉索剛度強(qiáng)化的同時主梁剛度弱化至某個限值，矮塔斜拉橋就成為了傳統(tǒng)意義上的斜拉橋；而將拉索剛度弱化的同時主梁剛度強(qiáng)化至某個限值，則成了傳統(tǒng)意義上的梁式橋。如何界定梁式橋、矮塔斜拉橋和斜拉橋，國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)方面做了大量的工作。經(jīng)過統(tǒng)計，關(guān)于矮塔斜拉橋的界定主要有索荷載分擔(dān)率、索梁荷載比、塔梁剛度比，還有綜合考慮塔高、索截面、主梁抗彎剛度的特征參數(shù)和斜拉索荷載效應(yīng)影響度等多項指標(biāo)[4][5]。但對這些指標(biāo)的嚴(yán)格界定尚未達(dá)成共識。的確，由表1可以看出，矮塔斜拉橋的關(guān)鍵參數(shù)之一塔高與主跨比從1/2.64～1/11.5不等，每座橋相差甚大。而在實際應(yīng)用時，主要的控制指標(biāo)之一還是限制矮塔斜拉橋的拉索應(yīng)力幅，一般將其控制在70 MPa以內(nèi)。

2　設(shè)計及計算要點

矮塔斜拉橋?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)體系的選擇也與斜拉橋類似，主要有三種：塔梁固結(jié)、塔墩分離；塔墩固結(jié)、塔梁分離；塔梁墩固結(jié)。具體采用形式需要根據(jù)現(xiàn)場實際以及計算結(jié)構(gòu)比較后再選定。矮塔斜拉橋由于其主梁要承受相當(dāng)大的彎矩，主梁截面形式與斜拉橋有很大不同，而更接近于連續(xù)梁。一般情況下，矮塔斜拉橋塔墩處梁高可采用相同跨度連續(xù)梁高的一半左右。矮塔斜拉橋的塔高，一般可取相同跨徑斜拉橋塔高的1/2～1/3左右。因橋塔較矮，其剛度相對較大，塔頂水平位移沒有斜拉橋大，因此矮塔斜拉橋沒有斜拉橋的重要特征構(gòu)件：端錨索，邊跨可以有較大的無索區(qū)段。

一般而言，由于拉索只承擔(dān)外荷載的一部分，矮塔斜拉橋中的拉索應(yīng)力幅比常規(guī)斜拉橋中的拉索應(yīng)力幅要小，因此其拉索允許應(yīng)力采用的是體外預(yù)應(yīng)力索的允許應(yīng)力σymax定為0.6 fpk，安全系數(shù)1.67，而常規(guī)斜拉橋中的拉索允許應(yīng)力僅為0.4 fpk，安全系數(shù)為2.5。也就是說矮塔斜拉橋的拉索從受力特征上更接近于體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的體外預(yù)應(yīng)力索。

在矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)分析時，要注意選用合理的計算圖式。特別是在對施工過程的模擬時，要考慮結(jié)構(gòu)單元的增減、邊界條件的轉(zhuǎn)換、施工荷載的估算以及各混凝土部件強(qiáng)度的增長等因素的影響。在對結(jié)構(gòu)整體計算時，一般采用平面桿系計算程序可以滿足計算精度要求，但是在對受力復(fù)雜的部位如塔墩梁結(jié)合部進(jìn)行局部分析時，需要采用空間分析程序進(jìn)行仔細(xì)校核。

3　某矮塔斜拉橋的設(shè)計及分析

3.1工程概況

該橋位于濱海景觀地帶，設(shè)計時綜合考慮了功能、景觀、施工方法和造價之間的協(xié)調(diào)，全面貫徹適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。該橋結(jié)構(gòu)形式為2× 55 m單塔單索面兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，其中主塔凈高15.2 m，橋長110 m，結(jié)構(gòu)采用塔墩梁固結(jié)形式。主梁及橋塔采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。主橋的兩側(cè)伸出牛腿接兩邊的引橋。設(shè)計荷載為公路I級，人行道及非機(jī)動車道3.5 kN/m2。下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)尺寸示意見圖2。

圖2　矮塔斜拉橋總體布置圖（單位：m）

主梁采用單箱五室大挑臂變截面箱形斷面。橋墩處梁高3.2 m，橋臺處梁高2.1 m，索塔塔根至兩側(cè)梁體直線段之間梁底按圓曲線變化。箱梁頂寬36.5 m，單側(cè)挑臂長5 m，箱梁邊腹板采用斜腹板，厚度為50 cm，在塔根部附近漸變?yōu)?0 cm；次邊腹板為直腹板，厚度為50 cm，在塔根部漸變?yōu)?0 cm；中腹板厚度為40 cm，在塔根部漸變?yōu)?0 cm。圖3為塔根位置橫斷面布置圖。

本橋的每根斜拉索由2束組成，以方便將來維修時更換。拉索中的環(huán)氧全噴涂鋼絞線由環(huán)氧層、油脂層、PE層形成三層防腐，最外層的HDPE套管無防腐作用，但對其內(nèi)部無粘結(jié)筋起保護(hù)作用，防止動物嚙咬或人為損傷對無粘結(jié)鋼筋的PE層造成破壞。環(huán)氧噴涂鋼絞線是將環(huán)氧樹脂粉末噴射于鋼絞線上，然后加熱熔融、固化、冷卻，從而在鋼絲表面形成一層致密的環(huán)氧涂層。圖4為具有三重防腐的無粘結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線。

圖3　矮塔斜拉橋橫斷面圖（單位：m）

圖4　具有三重防腐的無粘結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線

3.2結(jié)構(gòu)分析

在建模分析時，主梁和主塔都采用三維梁單元，斜拉索采用索單元。根據(jù)施工梁段的劃分和預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，并考慮橋梁的實際情況，將主梁劃分為56個單元，變截面范圍內(nèi)處理為變截面單元；全橋共有12根斜拉索，劃分為12個索單元。加上塔墩單元，全橋共77個單元，67個節(jié)點。

汽車活載計算根據(jù)實際車道布置情況進(jìn)行，并考慮車道的偏載作用。溫度應(yīng)力分別考慮整體升降溫以及溫度梯度應(yīng)力，即整體升溫25℃、整體降溫20℃、以及按規(guī)范中梯度升降溫設(shè)置等四種情況。支座沉降分別考慮左右邊墩和中墩單獨(dú)下沉1 cm幾種工況。收縮徐變按規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度發(fā)展函數(shù)、收縮徐變時間函數(shù)考慮3 650 d的長期荷載效應(yīng)。通過計算，成橋階段主梁呈全截面受壓狀況。限于篇幅，本文只給出正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合時主梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖，見圖5，滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件的要求。

圖5　短期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)上下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

主梁短期荷載效應(yīng)組合產(chǎn)生的最大撓度為19 mm，考慮到作用長期效應(yīng)的影響后最大撓度為1.425×19＝27.1

矮塔斜拉橋的塔高不是很高，因此其穩(wěn)定問題一般不突出。塔身截面取實心截面，結(jié)構(gòu)形式簡單，施工方便。結(jié)果計算。橋塔混凝土的最大壓應(yīng)力為11.2 MPa，最小壓應(yīng)力為2.0 MPa，滿足規(guī)范要求。

需要注意的是，本橋結(jié)構(gòu)采用塔墩梁固結(jié)形式，固結(jié)處的受力復(fù)雜，局部應(yīng)力較大，在設(shè)計時最好結(jié)合實體單元進(jìn)行細(xì)部分析。本次設(shè)計根據(jù)細(xì)部計算結(jié)果對該處的配筋進(jìn)行了加強(qiáng)處理，確保結(jié)構(gòu)滿足受力需要。

3.3施工方法簡介

因本工程所跨河道為非通航河道，故在與河道部門溝通后，橋梁施工時采用的是滿堂支架現(xiàn)澆的施工方法。相比懸澆法，滿堂支架施工的速度更快，且對成橋線形及成橋內(nèi)力的控制更加精確。

上部箱梁、索塔澆筑完成并達(dá)到設(shè)計要求的強(qiáng)度后即可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力及拉索的張拉。因矮塔斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，其最終成橋內(nèi)力與拉索及預(yù)應(yīng)力束的張拉順序有關(guān)。根據(jù)施工監(jiān)控單位的監(jiān)控指令，先期張拉箱梁預(yù)應(yīng)力束，再按順序張拉斜拉索至設(shè)計索力。施工完成后的成橋檢測結(jié)果顯示，箱梁的成橋線形及拉索索力與設(shè)計相符，較好的達(dá)到了設(shè)計意圖。成橋?qū)嵕耙妶D6。

圖6　成橋照片

4　結(jié)　語

矮塔斜拉橋的造型優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)性較好，適應(yīng)性也較強(qiáng)，在中等跨徑范圍有較強(qiáng)的競爭力。相信這種橋型在我國會得到越來越多的應(yīng)用。

[1]鄭一峰,黃僑,張宏偉.部分斜拉橋的概念設(shè)計[J].公路交通科技[J]. 2005,22(7):88-92.

[2]李新杰.矮塔斜拉橋淺談[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2007(4): 127-129.

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U448.27

B

1009-7716（2016）02-0095-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.024

2015-10-30

章玉明（1971-），男，浙江寧波人，高級工程師，從事市政工程建設(shè)施工管理工作。