矮塔斜拉橋合理成橋狀態分析研究

伍 云，鄒化明

(1.仙桃市交通局，湖北 仙桃 433000;2.深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518034)

隨著橋梁技術的發展，橋梁應用出現了兩大趨勢，即傳統橋梁的輕型化和組合化。組合體系橋梁極大地豐富了橋梁造型。組合體系橋中比較有代表性的是拱梁組合體系、斜拉一連續梁(剛構)體系等，其中斜拉一連續梁(剛構)體系是一種比較新穎的橋型，近1O年來應用較多，受到廣泛的關注。普遍認為，由Christian Menn設計的建于1980年的的甘特(Ganter)大橋，是斜拉一連續(剛構)體系橋的先驅，其混凝土箱形梁由預應力混凝土斜拉板“懸掛”在非常矮的塔上，這種板可以看成是一種剛性的斜拉索，該橋的出現形成了斜拉橋的一個分支—板拉橋，由于其與環境的完美結合，成為一道風景。甘特大橋的出現為其后的矮塔斜拉橋的出現奠定了基礎。

目前這種橋在各國得到了廣泛應用，日本已建成此類橋梁2O多座，中國大陸地區已建和在建的達1O多座，中國臺灣地區有2座，瑞士、菲律賓、老撾、帕勞群島、克羅地亞各1座，美國珍珠港在建1座;其中，中國已建成的江珠高速荷麻溪大橋、重慶嘉悅長江大橋主跨分別達到230 m和250 m(預應力混凝土梁)，蕪湖長江大橋主跨達到340 m(鋼桁梁)，分別為同類橋梁最大跨徑。

矮塔斜拉橋主梁受力表現為連續梁特點，但是拉索對整個結構體系的內力分配有很大的影響。和常規斜拉橋一樣，矮塔斜拉橋也存在如何確定合理成橋狀態的問題，而這一問題在矮塔斜拉橋的分析中并沒有引起足夠的重視。另外，由于早期的矮塔斜拉橋跨徑均較小，許多學者提出了矮塔斜拉橋和常規斜拉橋的界定標準，隨著矮塔斜拉橋的跨徑越來越大，這些標準已經不再容易滿足，所以，如何界定矮塔斜拉橋和常規斜拉橋也成為一個新的課題。

1 受力特點與設計計算要點

矮塔斜拉橋具有常規斜拉橋的外形，但在布索、主梁結構尺寸、索塔結構尺寸以及主梁受力特點等方面又與常規斜拉橋有明顯的差別，是介于柔性加勁梁的斜拉橋和剛性主梁的連續梁式橋之間的一種過渡性橋梁。

矮塔斜拉橋索塔錨固構造一般采用鞍座式，斜拉索在塔頂連續通過。近年來，基于追求美學的效果，矮塔斜拉橋開始使用空間索，索塔錨固中也開始采用鋼錨箱等結構型式。

矮塔斜拉橋加勁梁具有相當的剛度，通過主梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載。根據其受力的特點，可以將斜拉索作為主梁的體外索，拉索主要布置在主梁負彎矩區內。超過梁體承載力部分的荷載效應由索來承擔，因此可人為選擇二者的分配比例，當梁體較剛，主梁抗力大時，可減少斜拉索，弱化斜拉索的作用;反之，梁體較柔，主梁抗力較小時，可增大斜拉索，強化斜拉索的作用。這樣，可根據實際情況，合理選擇各部尺寸使設計自由度更大。

矮塔斜拉橋的適用跨徑由其特性決定，它的適用跨徑宜在100～300 m之間，若主梁采用鋼與混凝土混合結構，跨徑有望突破400 m。結構體系可選用塔梁固結、梁底設支座;塔墩固結、塔梁分離;塔梁墩固結的3種形式。第一種形式適用于跨度不太大的橋梁，支座噸位不致于過大，它的特點是塔根彎矩較小，塔兩側索力差較小，結構的整體剛度較小;第二種形式適用于跨度稍大，墩高較矮的橋梁，它的特點是塔墩彎矩較大，塔兩側索力差較大，結構的整體剛度較第一種形式大;第三種形式適用于跨度稍大，墩高較大的橋梁，結構體系類似于連續剛構，它的特點接近于第二種形式。目前我國已建和在建的小跨徑矮塔斜拉橋多為第一種形式，大跨徑矮塔斜拉橋一般采用塔梁墩固結的結構體系。

根據國內外目前已建矮塔斜拉橋跨徑比例分析，由于矮塔斜拉橋剛度比斜拉橋大，接近于連續梁，其邊、中跨比值常采用0.52～0.65。在特殊情況下，邊、中跨比值亦可小于0.5。矮塔斜拉橋由于其主梁要承受相當大的彎矩，主梁截面形式更接近于連續梁。一般情況下，連續梁采用的截面形式都能適用于矮塔斜拉橋。

斜拉索設計根據橋面布置及景觀要求，可采用單索面及雙索面。斜拉索在梁上宜布置在邊跨中及1/3中跨附近。索距不宜太大，宜為3～5 m，以適應受力及施工要求，主、邊跨的索應對稱于塔布置。斜拉索的應力可采用較高值，最大可達0.6Rby，由于梁的剛度大，斜拉索傾角小，斜拉索一般宜采用一次張拉。由于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，其高度可采用主跨的1/8～1/12。

矮塔斜拉橋在構造及受力特征上與常規斜拉橋和連續梁橋尚有一定的差異，在進行其結構分析時要注意以下幾點:

(1)結構分析要選用合理的計算圖式，考慮施工過程中體系轉換、臨時支承及結構各部分的強度增長，合理估計施工荷載。

(2)矮塔斜拉橋張拉時主梁撓度大，張拉初期索的垂度較大，須計入幾何非線性影響。斜拉橋主梁和索塔都是壓彎構件，其截面彎矩和軸力會產生耦合效應，應加以處理。要考慮混凝土收縮徐變、溫度以及風荷載等偶然因素對結構變形和內力的影響。

(3)預應力混凝土斜拉橋施工中各工況受力狀態達不到設計要求的重要原因，是有限元計算模型中的計算參數取值與施工中的實際情況有一定的偏差。斜拉橋的這種偏差具有累積性，因此，要根據施工實測結果予以修正，以使計算模型和計算參數符合結構的實際情況。

2 實例工程概況

文章以一個工程實例為背景，對矮塔斜拉橋的合理成橋狀態進行分析。

該橋橋跨布置為(120+190+120)m，主橋長430 m。系雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋。主橋采用塔墩梁固接結構體系，主橋和引橋交接墩位置設豎向支座，主橋采用雙薄壁墩基礎。主橋橋型布置圖和主梁標準橫斷面圖如圖1所示。

圖1 主橋橋型布置

圖2 主梁等高段標準橫斷面

主梁采用單箱三室大懸臂變截面PC連續箱梁，支點梁高6.5 m，跨中梁高3.0 m，箱梁頂寬33.7 m，懸臂板長4.5 m，箱梁底寬由20.1 m漸變到23 m;兩外腹板為斜腹板，腹板斜率不變，斜拉索錨固點布置在箱梁中室內如圖2所示。主梁除支點處設橫隔板外，每根斜拉索錨固點處均設橫隔板，間距4 m。主塔高28.80 m，采用鋼筋混凝土獨柱實心截面，順橋向長5 m，橫橋向寬2.5 m，布置在中央分隔帶上，并與主梁固接，塔身上部設鞍座，以便斜拉索通過。斜拉索橫橋向呈兩排布置，鞍座亦設兩排，鞍座采用雙重鋼管結構形式，外管預埋于混凝土塔內，內管置于外管內，斜拉索穿過內管。在兩側出口處的斜拉索上設有索夾，以防止斜拉索滑動;內、外管均與各自的鋼管座焊固，以防止內外管相對滑動。為與斜拉索通過鞍座相適應。橋塔橋墩為雙薄壁式主塔墩，壁厚1.5 m。斜拉索為單索面，雙排布置在中央分隔帶上，每個塔上設有14對28根斜拉索，斜拉索在主梁上縱向標準間距4 m，雙排橫向布置，橫向間距1 m，塔上豎向間距0.8 m。斜拉索在塔頂連續通過鞍座，兩側對稱錨于主梁。

全橋總體靜力分析采用RM 2006空間桿系程序，以理論豎曲線為基準進行結構離散。主梁和主塔采用三維梁單元，斜拉索采用索單元。全橋有限元模型共有空間梁單元313個，空間索單元112個如圖3所示。

圖3 全橋有限元離散模型

常規斜拉橋中可通過索力調整來改變結構受力分配，當斜拉橋結構體系確定后，總可以找出一組索力，使結構體系在確定性荷載下，受力性能達到最優，該組索力對應的成橋狀態即為目標下的成橋合理狀態。矮塔斜拉橋主梁表現為連續梁(鋼構)特征，但是拉索索力對主梁的彎矩影響很大，同樣可以找出一組拉索索力，使得結構在擬定的結構尺寸內配束最少、受力最優，使得主梁、索塔和拉索的剛度分配合理。

在成橋狀態分析中，根據施工組織設計的安排進行施工階段分析，全橋索力采用一次張拉。主橋采用懸臂掛籃施工，邊跨靠交接墩梁段采用支架現澆施工，全橋先邊跨合龍后中跨合龍。按照施工階段分析至結構合龍且二期恒載作用，分析結構的受力狀況，然后調整施工階段拉索的張拉荷載迭代至結構成橋狀態受力合理。在分析成橋狀態結構受力時，需要注意以下幾點:

(1)索力分布，矮塔斜拉橋采用鞍座式時，應調整邊中跨拉索索力基本一致，全橋索力基本一致，索力分布有規律。

(2)主梁彎矩，矮塔斜拉橋中的主梁彎矩表現為連續梁(鋼構)特點，斜拉索實質上是主梁的體外索，需要合理利用體外索，減少主梁中的配束，降低負彎矩區段的彎矩值。

(3)在做到邊中跨索力基本一致后，成橋階段的索塔彎矩基本只由二期恒載的邊中跨的差異產生，合理的成橋狀態下，索塔彎矩很小?；谝陨系恼{索的目標，對結構的合理成橋狀態進行了探討。

成橋狀態主梁彎矩圖如圖4所示:

圖4 成橋狀態主梁彎矩圖

成橋狀態全橋拉索索力分布如圖5所示:

圖5 成橋狀態索力分布圖

混凝土主梁成橋狀態上下緣混凝土正應力圖如圖6、圖7所示:

圖6 成橋狀態主梁上緣應力圖

圖7 成橋狀態主梁下緣應力圖

從以上分析可以看出，在迭代過程中，找到合理目標就能優化出一組索力，使得結構受力最優。

3 總結

矮塔斜拉橋既有常規斜拉橋的特點，也有連續梁(剛構)的特點，在分析中得出以下結論:

(1)矮塔斜拉橋主梁的成橋彎矩表現為連續梁橋的彎矩特征，軸力表現為常規斜拉橋的特征，利用常規斜拉橋的調索經驗，以主梁彎曲應變能為目標函數可以找出一組合理的索力，使得結構各部分剛度分配合理，受力最優。在優化的索力作用下，可以減小主梁結構尺寸，減少預應力配束;做到結構和建筑美學的完美結合。

(2)隨著矮塔斜拉橋的發展和跨徑的增大，常規用斜拉索對荷載承擔的比率和拉索的應力幅值界定矮塔斜拉橋和常規斜拉橋值得研究，有些文獻提出的界定的標準已經在大跨矮塔斜拉橋中不再適用。

(3)對大跨矮塔斜拉橋而言，需重視塔墩梁連接區和索塔錨固區的局部受力分析。

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