矮塔斜拉桥结构特性比较分析

廖健凯，夏 涛

(1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川 德阳 618000；2.中铁八局集团建筑工程有限公司，四川 成都 610000)



矮塔斜拉桥结构特性比较分析

廖健凯1，夏 涛2

(1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川 德阳 618000；2.中铁八局集团建筑工程有限公司，四川 成都 610000)

矮塔斜拉桥以其独特的造型和优良的组合受力体系正在成为桥梁届新宠，本文主要针对和矮塔斜拉桥结构体系较为相近的连续梁桥、斜拉桥从拉索、主塔、主梁的受力方面入手，建立MIDAS模型做一个较为详细的结构特性对比分析,梳理出矮塔斜拉桥的优越性。

受力体系；对比分析； 矮塔斜拉桥

1 连续梁桥与矮塔斜拉桥

连续梁桥在竖向荷载下主要是以主梁的受弯、受剪为主。为了增加主梁的跨越能力，一般采用预应力箱型主梁，此时预应力刚束布置在箱梁截面以内(如图1体内束)。体内束的存在使得箱梁的跨越能力得到提升，但如果跨径想要进一步继续增加，则需要更多的体内束来增加箱梁的刚度；体内束的增多则需要更大体积的箱型截面来布置体内束，此时主梁的自重也随着箱梁体积的增大和体内束的增多而加重不少。显然，想要通过增多体内束的方式来进一步增加主梁的跨径这种方法并不经济；这也正是梁式桥跨越能力偏小的原因所在。

矮塔斜拉桥的主梁内仍然有体内束来保证主梁具有一定的刚度，为了进一步增大主梁刚度增加跨越能力采用了体外预应力的方式(如图1体外索)。可以把矮塔斜拉桥看做是体内束+体外索结构，即体外索起到了对连续梁(连续梁桥看做是体内束结构)加固的作用。

图1、图2跨径布置均为145 m+250 m+145m的连续梁、矮塔斜拉桥在恒载作用下的弯矩图，可以看出连续梁的主梁跨中正弯矩和支点负弯矩均大于矮塔斜拉桥的正负弯矩，且没有矮塔斜拉桥主梁弯矩分布均匀。

体外索的作用如图1。

图1 连续梁桥主梁弯矩图

图2 矮塔斜拉桥主梁弯矩图

(1)竖向分力V(如图1右)抵消一部分主梁自重，为主梁提供了弹性支点，相当于减小了主梁跨径，减小了主梁跨中正弯矩和支点负弯矩；

(2)水平分力H(如图1右)当于体内束的作用增加主梁刚度，为主梁提供的压应力抵消了一部分支点负弯矩产生的拉应力从而改善了主梁支点负弯矩。

矮塔斜拉桥由于有体外索的存在，使得主梁内力得以改善，主梁截面不用太大也能获得足够的刚度，所以其主梁高度要比连续梁桥的梁高小，减轻了自重，如图1所示。体外索相对与体内束来说除了上述优点以外，也存在一定的缺点：体外索在转向处有滑移，结构变形不协调产生二次效应；需对体外索进行防腐、防撞、减振等设计；需要单独设计和分析体外索的转向、锚固等关键结构；需定期检测或调整体外索应力甚至更换体外索等。

2 斜拉桥与矮塔斜拉桥

2.1 主梁

斜拉桥与矮塔斜拉桥主梁在外形上的区别主要是斜拉桥的主梁更为纤柔一些，外形上两者相差不大，但是在受力上相差就较为明显了。建立跨径布置均为145 m+250 m+145 m的斜拉桥、矮塔斜拉桥MIDAS模型。可以看出由于矮塔斜拉桥有体内束和拉索水平夹角较小的缘故，其主梁受到的压应力远大于斜拉桥主梁，增加了主梁刚度。

斜拉桥在竖向荷载下主要是由斜拉索受拉、主梁受压和主塔受压为主，由于斜拉桥主要依靠斜拉索来提高跨越能力，其主梁只是支撑在拉索上并不需要太大的刚度，一般2～3 m即可(梁只需满足最小刚度即可)。而矮塔斜拉桥在竖向荷载下主要是主梁受弯、受压、受剪和体外索受拉，体外索只是辅助作用(体外索通过大偏心弯矩来改善结构性能)，其桥梁的整体刚度主要由主梁提供，所以矮塔斜拉桥的主梁会承受大部分荷载，为了增加主梁刚度其截面会加高(支点截面L/30～L/35;跨中截面L/50～L/60)并且布置体内束，同时可以采用塔墩梁固结体系进一步提升结构的整体刚度。

2.2 主塔

(1)体外索为了获得更大的偏心距通常都集中在塔顶锚固，若跨径较大，矮塔斜拉桥常用的贯通式索鞍锚固会造成塔顶锚固区的应力较为复杂及塔顶局部压应力过大的问题，可用斜拉桥常用的分离式锚固方式如钢锚箱锚固来避免塔顶混凝土被压碎。

(2)体外索与主梁的夹角比斜拉桥拉索与主梁的夹角小(如图1)，在体外索与拉索的拉力相同时，体外索的水平分力大于拉索的水平分力，即矮塔斜拉桥的体外索是以增加主梁刚度为主，提供竖向弹性支承为辅；而斜拉桥的拉索是以提供竖向的弹性支承为主，增加主梁刚度为辅。

2.3 拉索

斜拉桥的斜拉索和矮塔斜拉桥的体外索外形上没有区别，但是其拉索应力明显的不同是区分矮塔斜拉桥与斜拉桥的关键。将上述对比模型中得出的索力列于表1(1号索为左侧桥塔跨中最长斜拉索)。

表1 相同跨径斜拉桥与矮塔斜拉桥的索力对比

从表1中数据可以看出，由于矮塔斜拉桥的主梁刚度大的原因，使得矮塔斜拉桥的体外索：

(1)在活载作用下体外索的伸缩量和应力变化小(主梁刚度大，挠度小)。由于矮塔斜拉桥体外索的应力变化幅度小(其应力变幅<50 MPa，斜拉桥拉索应力变幅>50 MPa)；大大减轻了体外索的在后期活载下的疲劳问题，更适合于通车密度大、荷载大的双层桥面或铁路桥；所以可以将体外索拉得更紧提高张拉力，从而节省昂贵的高强钢丝，甚至可以用一般预应力钢筋降低费用。故矮塔斜拉桥体外索容许应力为0.6σu，安全系数相当于1.67(1/0.6)，体外索利用率较高；而一般斜拉桥的拉索由于疲劳问题突出，其容许应力仅为0.4σu，安全系数相当于2.5(1/0.4)。

(2)可以不设置端锚索；

(3)体外索分担到的荷载并不大；竖向荷载分担比β

β<30%时为矮塔斜拉桥，β>30时为斜拉桥

3 结 语

综上所述，矮塔斜拉桥的受力特征介于梁式桥与斜拉桥之间，兼有预应力连续梁桥与斜拉桥的优点，在跨径为100到300m之间其优越性尤为突出。笔者认为称其为矮塔斜拉梁桥可以更为准确地反应其结构受力特点：

(1)与连续梁桥相比，体外索只是相当于主梁体内束之外附加的一些体外预应力，通过引起大偏心弯矩来改善结构性能从而达到降低主梁高度的目的；即索辅梁桥——以主梁为主，以体外索为辅的新型桥梁形式。

(2)与斜拉桥相比，其主梁刚度比斜拉桥主梁刚度大(梁刚)，可承担大部分活载，所以它的体外索应力幅很小，解决了体外索的疲劳问题；由于主塔较低(塔矮)，体外索为了获得更大的偏心距和索力效率通常都集中在塔顶锚固(索集中)。

(3)矮塔斜拉桥主梁的建筑高度介于斜拉桥和连续梁桥之间(如图1所示)。布置在跨线桥位上，具有较低建筑高度，减少桥梁长度的优点；而且桥面以上部分的桥塔高度大大减小，节约造价。

[1] 顾安邦，徐君兰.矮塔斜拉桥[D].中国公路学会桥梁和结构工程学会2001年桥梁学术讨论会论文集，2001.

[2] 徐栋.桥梁体外预应力设计技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 陈从春.矮塔斜拉桥设计理论核心问题研究[D].上海：同济大学博士学位论文，2005.

2016-07-22

廖健凯(1987-)，男，重庆江津人，助教，研究方向：桥梁工程教学。

U445

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1008-3383(2016)11-0124-02