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。

1.2矮塔斜拉桥的设计分析
1.2.1矮塔斜拉桥的总体布置及适用跨径
根据国内外目前已建矮塔斜拉桥跨径比例分析，由于矮塔斜拉桥刚度比斜拉桥大，接近于连续梁，其边、中跨比值常采用0.52~0.65。

在特殊情况下，边、中跨比值亦可小于0.5，这时，边跨需采取措施，解决负反力问题。

矮塔斜拉桥由于其主梁要承受相当大的弯矩，主梁截面形式与斜拉桥有很大不同，而更接近于连续梁。

一般情况下，大部分连续梁采用的截面形式都能适用于矮塔斜拉桥，但矮塔斜拉桥更适宜采用变高度截面。

其塔墩处梁高可采用相同跨度连续梁高的一半左右。

在特殊情况下，主梁亦可采用等高度，此时梁高与跨度之比可采用1/35~1/45。

在选择主梁截面形式时，需注意斜拉索的布置及锚固要求。

矮塔斜拉桥的适用跨径由其特性决定，一般适用跨径宜在100~300m之间，若主梁采用钢与混凝土混合结构，跨径有望突破400m。

虽然连续梁桥采用预应力混凝土建造，能就地取材、工业化施工、耐久性好、适用性强、整体性好且美观，这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。

但由于结构本身的自重大（约占全部设计荷载的30%至60%），且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨度能力。

还有大跨径连续箱梁要采用大吨位支座，如南京二桥北汊桥165m变截面连续箱梁，盆式橡胶支座吨位大。

这种大吨位支座性能如何、将来如何更换等一系列问题有待研究和解决。

1.2.2矮塔斜拉桥的结构体系
结构体系可选用塔梁固结、梁底设支座；塔墩固结、塔梁分离；塔梁墩固结的3种形式。

塔梁固结、梁底设支座形式适用于跨度不太大的桥梁，支座吨位不至于过大，它的特点是塔根弯矩较小，塔两侧索力差较小，结构的整体刚度较小。

塔墩固结、塔梁分离形式适用于跨度稍大，墩高较矮的桥梁，它的特点是桥墩弯矩较大，塔两侧索差较大，结构的整体刚度较第一种形式大。

塔梁墩固结形式适用于跨度稍大，墩高较大的桥梁，结构体系类似于连续刚构，它的特点接近于第二种形式。

进行桥梁设计时，应对结构体系的选择作慎重考虑，选择最合适的形式。

1.2.3矮塔斜拉桥设计分析方法
矮塔斜拉桥在构造及受力特征上与斜拉桥和连续梁桥尚有一定的差异，在进行其结构分析时要注意以下几点【2】：
(1)结构分析要选用合理的计算图式，考虑施工过程中结构的逐步形成和体
系转换、临时支承的设置和卸除，以及结构各部分的强度增长，合理估计主梁架设各阶段的施工荷载。

直线桥的施工控制计算一般采用平面分析，必要时采用三维空间分析。

(2)斜拉桥施工时因恒载引起的内力与变形与施工方法有很大关系，主梁施工时的施工计算荷载除恒载人群、施工机具等施工荷载外，还需考虑预应力、斜拉索的张拉力等。

(3)针对各施工阶段的实际情况建立正确的计算模型，单元类型采用拉索单元、梁单元、3D实体单元、板壳单元和边界单元等。

(4)当斜索的竖向荷载承担率超过30%，或斜索在活载作用下的应力变幅超过50MPa，即进入斜拉桥的范畴，其标志为斜索的容许应力取值的不同。

看作斜拉桥的斜索，其容许应力取0.4f pk，安全系数为2.5；而没有超过界限的矮塔斜拉桥容许应力取值则与PC梁桥相同为0.6f pk，安全系数为1.67。

(5)预应力混凝土斜拉桥施工中各工况受力状态达不到设计要求的重要原因，是有限元计算模型中的计算参数取值(主要为混凝上的弹性模量、材料的相对密度、混凝土收缩徐变系数、构件重量、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等)与施工中的实际情况有一定的偏差。

斜拉桥的这种偏差具有累积性，因此，要根据施工实测结果予以修正以使计算模型和计算参数符合结构的实际情况。

1.3矮塔斜拉桥的发展概况
矮塔斜拉桥是介于梁桥与传统斜拉桥之间的一种新型桥梁结构。

普遍认为，由Christian Menn设计的建于1981年的甘特(Ganter)大桥，是矮塔斜拉桥的雏形，其混凝土箱形梁由预应力混凝土斜拉板“悬挂”在非常矮的塔上，这种板可以看成是一种刚性的斜拉索。

该桥的出现形成了斜拉桥的一个分支——板拉桥。

Ganter 大桥为其后矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。

Ganter大桥之后，又有墨西哥的帕帕加约(Papagayo)大桥、美国德克萨斯州的巴顿河(Bar-don Greek)大桥及葡萄牙的索科雷多斯(Socomidos)大桥等相继建成。

图1-6 瑞士的甘特桥
1988年法国工程师J.Mathivate在设计位于法国西南的阿勒特·达雷高架桥时提出了一个替代方案，命名为“Extra-dosed PC bridge"，直译为“超剂量预应力混凝土桥梁”。

该方案的设计包括与桥梁上部结构固结的低塔，跨度为100m的预应力混凝土等截面箱梁。

穿过部分上鞍座的体外索除了像传统的预应力对梁提供压力外，更主要地是对梁产生竖直提升力并减小梁的等效自重。

1990年，德国的Atonie Naaman提出了一种组合体外预应力索桥，体外索的一部分伸出主梁之上，锚固在墩顶处主梁上的刚柱上。

主梁为钢析架梁，主梁架好后再在其上立模浇筑上下混凝土顶板、底板。

这种桥式通过加大偏心距来提高体外预应力的效率，从而降低造价。

这一种体系与法国J.Mathivate的方案十分相似。

虽然这种桥型的雏形在瑞士形成，并于1988年法国工程师J.Mathivate把它明确命名为“Estra-dosed PC bridge”，但这种桥型却在日本获得极大的发展。

由于这种桥型具有良好的性价比，对于跨度处于梁式桥与斜拉桥之间的桥梁和对刚度要求较高的铁路梁桥均具有很强的竞争力。

对于修建斜拉桥塔高受到限制、多跨斜拉桥刚度较难满足要求时，矮塔斜拉桥也是一种很好的选择。

1994年日本建成了世界上第一座真正意义上的矮塔斜拉桥一小田原港桥，此后，日本又修建了屋代南、北铁路桥、冲原桥、蟹泽大桥、新唐柜大桥等桥，迄今为止，日本修建的矮塔斜拉桥己超过20座，桥梁跨径从初期小田原港桥的122m发展到长者桥的292.2m。

菲律宾于1999年建成了第二曼达一麦克坦大桥，其主跨为185m，桥面宽21m;老挝也于2000年建成了巴色桥，其跨度为143m，桥宽为11.8m；瑞士于1998年建成了森尼伯格桥(Sunniberg bridge)，为5跨连续的矮塔斜拉桥，主跨达140m。

韩国于2005年建成了Pyung-Yeo 2 Gyo桥，该桥为韩国第一座矮塔斜拉桥，其主跨为120m，双塔双索面；2006年建成了主跨110m 的Kack-Hwa First桥，另外还有几座矮塔斜拉桥正在建设中。

图1-7 瑞士森尼伯格(Sunniberg)桥图1-8 韩国Kack-Hwa First桥
图1-9 小田原港（Odawara Blueway)桥
我国矮塔斜拉桥建造起步稍晚，2001年建成的福州漳州战备桥为3跨连续预应力混凝土箱梁矮塔斜拉桥，它是我国第一座公路与城市道路上的矮塔斜拉桥。

此后，厦门同安银湖大桥、兰州小西湖黄河大桥、江苏常澄高速常州运河桥等相继建成。

随着国内这几座矮塔斜拉桥的修建，这种桥式己引起了桥梁工作者的重视，这几座矮塔斜拉桥在建造过程中所进行的科研，积累的设计、施工与管理经验，都为这种桥型在我国的进一步发展奠定了良好的基础。

近几年我国修建的矮塔斜拉桥，形式更加丰富，结构更加新颖。

如在建的广西柳州静兰桥为6塔单索面7跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径布置为56+5×94.3+56，全长583.5m，标准断面宽31m，塔、梁固结，墩、梁分离。

主梁截面为单箱三室箱形梁；在建的重庆嘉悦大桥采用双塔双索面矮塔斜拉桥十连续刚构+连续梁的组合体系，跨径布置为66+2×75+145+250+145，全长774m，标准梁宽28m，主梁结构分上下两层，下层人行道单侧宽 3.5m，上层机动车道为双向六车道。

这两座桥梁的建设，把我国矮塔斜拉桥的发展水平推向了更高点。

目前，我国已建和在建的矮塔斜拉桥己近20座。

[1]．郑一峰，黄侨，张宏伟．矮塔斜拉桥的概念设计「J〕．公路交通科技，2005(7)
85一89．
[2]．朱刚．矮塔斜拉桥方案设计及分析研究．浙江大学硕士学位论文．2008年．。