矮塔斜拉橋結構特性比較分析

廖健凱，夏 濤

(1.四川建筑職業技術學院交通與市政工程系，四川 德陽 618000；2.中鐵八局集團建筑工程有限公司，四川 成都 610000)

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矮塔斜拉橋結構特性比較分析

廖健凱1，夏 濤2

(1.四川建筑職業技術學院交通與市政工程系，四川 德陽 618000；2.中鐵八局集團建筑工程有限公司，四川 成都 610000)

矮塔斜拉橋以其獨特的造型和優良的組合受力體系正在成為橋梁屆新寵，本文主要針對和矮塔斜拉橋結構體系較為相近的連續梁橋、斜拉橋從拉索、主塔、主梁的受力方面入手，建立MIDAS模型做一個較為詳細的結構特性對比分析,梳理出矮塔斜拉橋的優越性。

受力體系；對比分析； 矮塔斜拉橋

1 連續梁橋與矮塔斜拉橋

連續梁橋在豎向荷載下主要是以主梁的受彎、受剪為主。為了增加主梁的跨越能力，一般采用預應力箱型主梁，此時預應力剛束布置在箱梁截面以內(如圖1體內束)。體內束的存在使得箱梁的跨越能力得到提升，但如果跨徑想要進一步繼續增加，則需要更多的體內束來增加箱梁的剛度；體內束的增多則需要更大體積的箱型截面來布置體內束，此時主梁的自重也隨著箱梁體積的增大和體內束的增多而加重不少。顯然，想要通過增多體內束的方式來進一步增加主梁的跨徑這種方法并不經濟；這也正是梁式橋跨越能力偏小的原因所在。

矮塔斜拉橋的主梁內仍然有體內束來保證主梁具有一定的剛度，為了進一步增大主梁剛度增加跨越能力采用了體外預應力的方式(如圖1體外索)。可以把矮塔斜拉橋看做是體內束+體外索結構，即體外索起到了對連續梁(連續梁橋看做是體內束結構)加固的作用。

圖1、圖2跨徑布置均為145 m+250 m+145m的連續梁、矮塔斜拉橋在恒載作用下的彎矩圖，可以看出連續梁的主梁跨中正彎矩和支點負彎矩均大于矮塔斜拉橋的正負彎矩，且沒有矮塔斜拉橋主梁彎矩分布均勻。

體外索的作用如圖1。

圖1 連續梁橋主梁彎矩圖

圖2 矮塔斜拉橋主梁彎矩圖

(1)豎向分力V(如圖1右)抵消一部分主梁自重，為主梁提供了彈性支點，相當于減小了主梁跨徑，減小了主梁跨中正彎矩和支點負彎矩；

(2)水平分力H(如圖1右)當于體內束的作用增加主梁剛度，為主梁提供的壓應力抵消了一部分支點負彎矩產生的拉應力從而改善了主梁支點負彎矩。

矮塔斜拉橋由于有體外索的存在，使得主梁內力得以改善，主梁截面不用太大也能獲得足夠的剛度，所以其主梁高度要比連續梁橋的梁高小，減輕了自重，如圖1所示。體外索相對與體內束來說除了上述優點以外，也存在一定的缺點：體外索在轉向處有滑移，結構變形不協調產生二次效應；需對體外索進行防腐、防撞、減振等設計；需要單獨設計和分析體外索的轉向、錨固等關鍵結構；需定期檢測或調整體外索應力甚至更換體外索等。

2 斜拉橋與矮塔斜拉橋

2.1 主梁

斜拉橋與矮塔斜拉橋主梁在外形上的區別主要是斜拉橋的主梁更為纖柔一些，外形上兩者相差不大，但是在受力上相差就較為明顯了。建立跨徑布置均為145 m+250 m+145 m的斜拉橋、矮塔斜拉橋MIDAS模型。可以看出由于矮塔斜拉橋有體內束和拉索水平夾角較小的緣故，其主梁受到的壓應力遠大于斜拉橋主梁，增加了主梁剛度。

斜拉橋在豎向荷載下主要是由斜拉索受拉、主梁受壓和主塔受壓為主，由于斜拉橋主要依靠斜拉索來提高跨越能力，其主梁只是支撐在拉索上并不需要太大的剛度，一般2～3 m即可(梁只需滿足最小剛度即可)。而矮塔斜拉橋在豎向荷載下主要是主梁受彎、受壓、受剪和體外索受拉，體外索只是輔助作用(體外索通過大偏心彎矩來改善結構性能)，其橋梁的整體剛度主要由主梁提供，所以矮塔斜拉橋的主梁會承受大部分荷載，為了增加主梁剛度其截面會加高(支點截面L/30～L/35;跨中截面L/50～L/60)并且布置體內束，同時可以采用塔墩梁固結體系進一步提升結構的整體剛度。

2.2 主塔

(1)體外索為了獲得更大的偏心距通常都集中在塔頂錨固，若跨徑較大，矮塔斜拉橋常用的貫通式索鞍錨固會造成塔頂錨固區的應力較為復雜及塔頂局部壓應力過大的問題，可用斜拉橋常用的分離式錨固方式如鋼錨箱錨固來避免塔頂混凝土被壓碎。

(2)體外索與主梁的夾角比斜拉橋拉索與主梁的夾角小(如圖1)，在體外索與拉索的拉力相同時，體外索的水平分力大于拉索的水平分力，即矮塔斜拉橋的體外索是以增加主梁剛度為主，提供豎向彈性支承為輔；而斜拉橋的拉索是以提供豎向的彈性支承為主，增加主梁剛度為輔。

2.3 拉索

斜拉橋的斜拉索和矮塔斜拉橋的體外索外形上沒有區別，但是其拉索應力明顯的不同是區分矮塔斜拉橋與斜拉橋的關鍵。將上述對比模型中得出的索力列于表1(1號索為左側橋塔跨中最長斜拉索)。

表1 相同跨徑斜拉橋與矮塔斜拉橋的索力對比

從表1中數據可以看出，由于矮塔斜拉橋的主梁剛度大的原因，使得矮塔斜拉橋的體外索：

(1)在活載作用下體外索的伸縮量和應力變化小(主梁剛度大，撓度小)。由于矮塔斜拉橋體外索的應力變化幅度小(其應力變幅<50 MPa，斜拉橋拉索應力變幅>50 MPa)；大大減輕了體外索的在后期活載下的疲勞問題，更適合于通車密度大、荷載大的雙層橋面或鐵路橋；所以可以將體外索拉得更緊提高張拉力，從而節省昂貴的高強鋼絲，甚至可以用一般預應力鋼筋降低費用。故矮塔斜拉橋體外索容許應力為0.6σu，安全系數相當于1.67(1/0.6)，體外索利用率較高；而一般斜拉橋的拉索由于疲勞問題突出，其容許應力僅為0.4σu，安全系數相當于2.5(1/0.4)。

(2)可以不設置端錨索；

(3)體外索分擔到的荷載并不大；豎向荷載分擔比β

β<30%時為矮塔斜拉橋，β>30時為斜拉橋

3 結 語

綜上所述，矮塔斜拉橋的受力特征介于梁式橋與斜拉橋之間，兼有預應力連續梁橋與斜拉橋的優點，在跨徑為100到300m之間其優越性尤為突出。筆者認為稱其為矮塔斜拉梁橋可以更為準確地反應其結構受力特點：

(1)與連續梁橋相比，體外索只是相當于主梁體內束之外附加的一些體外預應力，通過引起大偏心彎矩來改善結構性能從而達到降低主梁高度的目的；即索輔梁橋——以主梁為主，以體外索為輔的新型橋梁形式。

(2)與斜拉橋相比，其主梁剛度比斜拉橋主梁剛度大(梁剛)，可承擔大部分活載，所以它的體外索應力幅很小，解決了體外索的疲勞問題；由于主塔較低(塔矮)，體外索為了獲得更大的偏心距和索力效率通常都集中在塔頂錨固(索集中)。

(3)矮塔斜拉橋主梁的建筑高度介于斜拉橋和連續梁橋之間(如圖1所示)。布置在跨線橋位上，具有較低建筑高度，減少橋梁長度的優點；而且橋面以上部分的橋塔高度大大減小，節約造價。

[1] 顧安邦，徐君蘭.矮塔斜拉橋[D].中國公路學會橋梁和結構工程學會2001年橋梁學術討論會論文集，2001.

[2] 徐棟.橋梁體外預應力設計技術[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 姚玲森.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 陳從春.矮塔斜拉橋設計理論核心問題研究[D].上海：同濟大學博士學位論文，2005.

2016-07-22

廖健凱(1987-)，男，重慶江津人，助教，研究方向：橋梁工程教學。

U445

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1008-3383(2016)11-0124-02