矮塔斜拉桥概述

矮塔斜拉桥概述

1.1矮塔斜拉桥的定义和特点

矮塔斜拉桥为近20年来出现的一种新桥型，瑞士、日本、韩国等一些国家这几年修建了多座这种桥梁。由于它优越的结构性能，良好的经济指标，越来越显示出巨大的发展潜力。我国在这种桥型上起步稍晚，2001年建成的漳州战备大桥，是国内第一座真正意义上的矮塔斜拉桥。

对于这种桥型的称谓尚未统一。日本的屋代南桥与屋代北桥为两座轻载铁路桥，初看起来象斜拉桥，因而日本的桥梁界对其笼统地称为斜拉桥。小田原港桥是一座公路桥，日本桥梁界没有把它称为斜拉桥，而是沿用了法国工程师1988年提出的名称—Extra-dosed Prestressing Concrete Bridge，即超配量体外索PC桥，简称EPC桥。实际上屋代南、北桥与小田原港桥其结构体系非常相似，同样可以称为EPC桥。在美国，这种桥有称为“Extra-dosed Prestressing Concrete Bridge”的，也有称为“Extra-dosed Cable-stayed Bridge”的。国内的称谓也一直存在争论，1995年我国著名桥梁专家严国敏先生首次把它定义为“部分斜拉桥”。其含义是：在结构性能上，斜拉索仅仅分担部分荷载，还有相当部分的荷载由梁的受弯、受剪来承受。“部分斜拉”即源于斜拉索的斜拉程度。后来国内一些文章根据这种桥型塔高较矮的特点，又把这种桥型定义为矮塔斜拉桥。

矮塔斜拉桥的受力是以梁为主，索为辅，所以梁体高度介于梁式桥与斜拉桥之间，大约是同跨径梁式桥的1/2倍或斜拉桥的2倍。截面一般采用变截面形式，特殊情况采用等截面。

矮塔斜拉桥的桥塔一般采用实心截面。塔高为主跨的1/8~1/12，由于桥塔矮，刚度大，一般不考虑失稳问题。梁上无索区较之一般斜拉桥要长，而且除了主孔中部和边孔端部的无索区段之外，还有较明显的塔旁无索区段。边孔与主孔的跨度比值较之斜拉桥要大。一般斜拉桥边孔与主孔的跨度比值一般小于0.5，多数在0.4左右，而矮塔斜拉桥与一般连续梁(刚构)桥相似，为避免端支点出现负反力，边孔与主孔的跨度之比一般会大于0.5，较合理的比值在0.6左右。

为了充分利用部分的高度，拉索多成扇形布置，拉索尽量向塔上部集中通过。塔顶索鞍的作用如同体外预应力索的转向点，斜拉索在转向点一般被固定而无滑动。在建成的矮塔斜拉桥中，索鞍鞍座普遍采用双套管结构，即外钢管埋设于混凝土塔内，内套管套在外钢管中，斜拉索穿过内钢管，在两侧出口处设置抗滑锚头顶紧内管口，阻止内管滑移。斜拉索在梁上宜布置在边跨中及1/3中跨处。此外，矮塔斜拉桥由于塔较矮，塔顶水平位移不会很大，因此没有斜拉桥的特征构

件一端锚索。同时在拉索用量上，由于矮塔斜拉桥以梁受力为主，索只起辅助作用，而且索的安全系数采用较低，因此，其斜拉索的用量明显比一般斜拉桥要少许多。

矮塔斜拉桥结构体系主要有塔梁固结、梁底设支座；塔墩固结、塔梁分离；塔梁墩固结三种形式。主梁和塔具有较大的刚度，容易设计成多塔桥梁。斜拉索可锚固于塔上，也可以索鞍形式通过桥塔。

矮塔斜拉桥是介于连续梁(刚构)桥与斜拉桥之间的一种新型桥梁。因此它的受力特点与这两种桥型既有联系，又有区别。从总体上说，连续梁是以梁的直接受弯、受剪来承受竖向荷载，斜拉桥是以梁的受压和索的受拉来承受竖向荷载，因此三者的最大差别在于梁的受力行为不同。研究梁的受力行为是研究矮塔斜拉桥的本质。

图1-1 三跨连续梁结构示意图及其弯矩示意图

图1-2 七跨连续梁结构示意图及其弯矩示意图

图1-3 矮塔斜拉桥结构示意图及其弯矩示意图

图1-4 多跨连续梁结构示意图及其弯矩示意图

图1-5 斜拉桥结构示意图及其弯矩示意图

由图1-1可知，跨中弯矩及中间支座的负弯矩较大，而轴力为零。我们知道，同跨径的简支梁和连续梁比较，连续梁的跨中弯矩要比简支梁小的多，所以若要使梁体所受弯矩减小，最有效的办法是减小梁的跨度，即增加支点。图1-2就是在图1-1的三跨连续梁中增加4个支点，把三跨连续梁变成七跨连续梁，有图可见，梁体弯矩大大的降低。若所增加的4个支点用斜拉索来替代，把单根较大的索分成若干较小的索布置在附近，则形成矮塔斜拉桥，如图1-3为了进一步减小梁的弯矩，可继续增加支点，减小梁的跨度，当支点增加至一定数量时，则梁的弯矩相当小，到如图1-4所示，此时，把支承用斜拉索来代替形成斜拉桥，如图1-5所示：

由图1-1~1-5可以看出，从连续梁、矮塔斜拉桥到斜拉桥，主梁承受的弯矩逐渐减小，而轴力却逐渐增加。

一般认为，当斜拉桥的竖向荷载承担率超过30%或斜拉索在活载作用下的应力变化幅超过50MPa，即进入斜拉桥范围，斜拉索应力取0.4倍的极限应力，安全系数取2.5而在矮塔斜拉桥中，拉索应力幅比一般斜拉桥中的应力幅小。因此其拉索的应力采用体外预应力索的容许应力，取0.6倍的极限应力，安全系数为1.67。此外，矮塔斜拉桥因为桥梁的刚度相对较大，因此没有斜拉索的主要特征构件—尾索。从桥梁的角度来看。矮塔斜拉桥其拉索相当于连续梁负弯矩区混凝土开裂后钢筋的作用，承担拉力，主梁这时就是截面受压区，但同梁桥相比，其自重小。跨径大；同斜拉桥相比，拉索较少，水平分力就较小，从而使得主梁的轴向力也就相对较小。

综上矮塔斜拉桥具有以下鲜明的特点【1】：

(1)、美学景观特征：矮塔斜拉桥主梁高度是连续梁的1/2左右，具有纤细、柔美的美学效果，克服了连续梁桥主梁高度过大带来的压迫感和桥梁上、下部结构不协调的弊端。桥塔和斜拉桥的设置使其具有斜拉桥宏伟、壮观的感觉。

(2)、跨径布置灵活：矮塔斜拉桥可设计成单塔双跨、双塔三跨和多塔多跨等不同的结构形式。单跨径在100~300m范围内为宜，克服了多塔斜拉桥做带来的刚度不足和各跨相互影响的弊端，发挥了多跨连续梁桥的优点，无论在单孔跨径和总桥长设计方面均有较大的选择空间。

(3)、施工简便：矮塔斜拉桥的施工方法与连续梁桥基本相同，可采用悬浇法施工。施工中不必进行斜拉索二次索力调整。由于矮塔斜拉桥桥塔较矮，桥塔施工也没有斜拉桥桥塔施工复杂。

(4)、经济性好：通过国内外以建成的矮塔斜拉桥吵架分析，该桥型每延米造价与连续梁桥基本持平，低于一般斜拉桥造价，具有可观的经济效益。