07_矮塔斜拉桥的概念及特点

设计主塔时注意赋予象征性意义，并且注意与周边环境和周边桥梁的谐调性。主塔过高则接 近于斜拉桥，缺乏桥梁形式的新颖，也减少了力向顺桥向传递的流畅感觉。 另外，主塔高度 影响到体外索布置的复杂程度和桥梁上部空间的开放性，应将主塔高度控制在体外索张力变 化不大的范围内。
主塔形状一般可设计成直立或V字型。虽然也可以象一般斜拉桥那样在主塔顶部设置横向联系 梁，但为了减少桥梁上部空间向下的压迫感觉，一般可不设置横向联系梁。直立形状的主塔 虽然可以给人简洁、安全的感觉，但缺乏上部空间的开放性；V字形的开放性较好，但较复杂 且给人的安全感相对较低。
一般来说，考虑到工程实例、施工性、经济性等，使用聚乙烯管以及玻璃钢管注入水泥浆的 方法是较为普遍的方法。在腐蚀较严重的环境下，一般会在注浆前做好索的防锈、注浆后为 提高耐久性用环氧树脂包裹。不管使用那种防锈方式，索的耐久性由第一层防锈装置套管决 定，但考虑到不会有永久的保护套管，尽量应采用可以更换索的保护装置。
EXTRADOSED BRIDGE 系列介绍-1
矮塔斜拉桥的概念和特点

1. 简 介 2. 矮塔斜拉桥的概念 3. 矮塔斜拉桥的特点 4. 矮塔斜拉桥与一般斜拉桥的比较

EXTRADOSED PSC的概念和特点
矮塔斜拉桥的概念和特点
1. 简 介
随着PSC桥梁的设计向着大跨发展，设计上越来越注重自重的减少、主梁的轻型化、施工性能 和经济性能的提高、维护管理水准的提高，桥梁形式与外观上注重与周边环境的谐调，注重 建设具有城市标志性特征的桥梁。但是出于安全性方面的考虑，长期以来设计人员偏向于选 择经验上安全可靠且经济性能较好的已有的桥梁形式，这样必然束缚了新型桥梁形式和新技 术在国内的应用和发展。 一般在100m以下的中桥采用预应力箱梁结构形式的较多，200m以上采用一般斜拉桥形式的较 为普遍，在100m~200m跨度的桥梁上钢筋混凝土桥梁相关实例较少，因为城市标志性或景观的 要求，过去大多选用了一般斜拉桥的结构形式，而没有考虑到经济性及下部施工费用的增大 等问题。 考虑到经济性、施工性，对100m~200m跨度的桥梁采用介于预应力箱梁桥和一般斜拉桥之间桥 梁形式比较合适，从而导入了兼有梁桥和斜拉桥优点的矮塔斜拉桥(EXTRADOSED PSC Bridge)形 式。
EXTRADOSED PSC的概念和特点
3.1 梁高
矮塔斜拉桥是由主梁承受主要外部荷载，体外索引起大偏心弯矩从而改善结构性能的桥梁形 式，与主梁支承在拉索上，主梁只需具有最小刚度即可的一般斜拉桥不同。一般斜拉桥的梁 高与桥梁跨度无关，梁高取2.0~2.5m，一般预应力箱梁桥的梁高为L/15~L/17，而矮塔斜拉桥 的梁高在支座位置为L/30~L/35、跨中位置为L/50~L/60，梁高基本上介于一般预应力箱梁桥 与矮塔斜拉桥的梁高之间(参见图65和图76)。因此在施工上部结构时，基本上可采用一般的 悬臂法施工方案。
一般来说，矮塔斜拉桥与一般斜拉桥相比，活荷载引起的体外索的应力变化较小。体外索的 应力变化受主梁的刚度、边界条件以及主塔高度的影响。矮塔斜拉桥因为主塔高度较低，体 外索的竖向伸长量较小，主梁的刚度又较大，体外索负担的外部荷载相对较少，所以体外索 的应力变化较小。
根据对已建矮塔斜拉桥的调查，矮塔斜拉桥的体外索的竖向分配律 β (体外索承担的荷载/所 有竖向荷载)约为30%，应力变化幅度约为5kg/mm2 。该变化幅度小于CEB-FIP建议的8kg/mm2， 也小于文献中建议的7kg/mm2 ，所以可以使用一般预应力钢筋的容许应力标准0.6fpu。与疲劳 应力变化幅度较大的一般斜拉桥的拉索的容许应力为0.4fpu相比，矮塔斜拉桥体外索的应用效 率较高。

3.3 体外索的应力变化和安全度
EXTRADOSED PSC的概念和特点
虽然矮塔斜拉桥与一般斜拉桥均使用体外索，但体外索的安全度却分别为1.67(0.6fpu)和2.5 (0.4fpu)，相差较大。矮塔斜拉桥的安全度与一般梁桥的预应力钢筋相同，但一般斜拉桥考虑 到恒荷载与活荷载的比值、活荷载作用下的应力变化、次应力的影响以及应力的不均匀性等, 需要提高设计安全度。
2. 矮塔斜拉桥的概念
2.1 体外张拉
EXTRADOSED的意思是“体外加强”，是1988年由法国的Jacques Mathivat提出的体外张拉的 桥梁形式。从前的钢筋混凝土预应力梁和箱梁大部分采用体内束张拉方式，随着技术的进步 和材料的发展，设计人员开始寻找可以减轻上部结构重量、延长桥梁跨度的新的技术和桥梁 形式，将钢束转移到体外的大偏心索桥就是其中一种。大偏心索桥的使用是为了改善跨中正 弯矩和支座负弯矩，一般箱梁桥因为施工性、地形、景观等限制偏心梁的设置受到了很大限 制，而大偏心索桥可以较自由地设置偏心量。
预应力钢筋混凝土箱梁桥
矮塔斜拉桥
图 2. 矮塔斜拉桥的外形概念图
一般斜拉桥
体内束
拉索
体外索
梁高:L/16_L/4
梁高:L/80_L/100
图 3. 矮塔斜拉桥的结构概念图
梁高:L/35_L/55

2.3 矮塔斜拉桥的分类
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矮塔斜拉桥根据体外索是否用钢筋混凝土包裹可分为斜板型(参见图4)和斜拉体外索型(参见 图5)。世界最早的矮塔斜拉桥是瑞士的Ganter桥，是斜板型矮塔斜拉桥, 日本最早的矮塔斜 拉桥小田原桥是斜拉体外索型。
引起的街面受
固位置截面张力
3. 可以减少索的
起的扭矩
拉，需要用钢材
由钢梁承担，预
锚固长度
或预应力钢筋加
防主塔产生拉
4. 因为索的最小
强。
力。
弯曲半径的限
3. 可以减少索的锚 3. 截面稍大
制，钢束的幅
固长度
度受到限制
4. 今后检查索锚固
位置比较容易

3.6 体外索的防锈
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大偏心索桥根据主梁和拉索的功能分为以下三种。
1) 主梁依赖型 恒荷载主要由加劲梁承担，体外索主要负担使用荷载。设计荷载引起的索力变化比较小的 一般体外索桥和塔突出桥面较小的大偏心索桥属于这种类型。
2) 拉索依赖型 恒荷载和使用荷载主要由拉索承担的斜拉桥属于这种类型。
3) 主梁与拉索协同型 恒荷载和使用荷载由拉索和主梁共同承担的索塔墩突出桥面一定程度的大偏心斜拉桥，即 矮塔斜拉桥属于这种类型，又称为大偏心索桥。
分离锚固方式当采用可替换体外索方式时，为了保证锚固区域、再张拉、替换体外索等作业 的空间，一般需要加高主塔高度或加宽宽度，但如果使用不可替换方式且在主梁处进行张拉 作业时，不需要太大的作业空间，可以布置成与贯通锚固方式同样的形状。
贯通锚固方式一般使用于使用索鞍(Saddle)的钢筋混凝土桥墩，因为可以根据混凝土承载能 力调整拉索的布置，所以可以充分发挥张拉力的效果。使用索鞍可以提高主塔的施工性，有 利于到保证大偏心，但因为左右张力的差异，索鞍可能会移动，当采用可替换的体外索时， 需要考虑作业空间和特殊措施。

2.2 矮塔斜拉桥的外形
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矮塔斜拉桥依靠在索塔上设置的变向装置(Deviator)转换相邻跨体外索的方向，与一般斜拉 桥和预应力箱梁桥的外形和结构特点对比参见图2和图3。
标志性较低 主梁截面较高 桥梁下部感觉较沉重
标志性一般 上下体积感 整体块的感觉
标志性较高 主梁截面较小 桥面以上感觉复杂
<表 2> 体外索主塔顶部锚固方法
项目
贯通锚固方式
索鞍锚固
锚固装置
分离锚固方式
分离装置
连接锚固
Baidu Nhomakorabea
锚固 方式
特征
1. 贯通实体布置 1. 贯通实体布置 1. 锚固于中空截面 1. 锚固于中空截面
2. 在出主塔处固 2. 需 要 验 算 索 锚 2. 为了抵抗索张力 2. 索张力引起的锚
定左右张力差
固位置间隙引
<表 1> 扇型和竖琴型的比较
项目
扇型
竖琴型
形状
景观 评价
1. 景观效果好 2. 主塔较低时，不能充分体现视觉效果 3. 一般斜拉桥较为有效的形式
1. 体外索平行，形式简洁 2. 力的传递给人感觉较为安全 3. 体外索形成面的感觉，比较新颖
结构 评价
1. 体外索的合力点较高，预应力效果好 2. 主梁上产生的轴力较小 3. 体外索较长 4. 对于竖向荷载，刚度较大
索
索支承着加劲梁，产生竖向分力
通过索的大偏心布置，给主梁施加预应力
承受索支承点间的荷载，辅助作用
承受上部大部分荷载
图 6. 最大跨度与主梁混凝土平均厚度关系
图 6. 换算跨度与PS钢筋量关系
※ 换算跨度: 三跨桥梁按最大跨度计算，两跨桥梁将跨度乘1.8倍，按三跨计算
决定梁高和桥形时，要考虑桥梁整体的轻巧自然，力传递的顺畅，突出矮塔斜拉桥的特点。

3.2 主塔
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矮塔斜拉桥主塔的高跨比(主塔高度/中间跨长)为1/8~1/12，比一般斜拉桥的1/5要小。因为 斜拉桥的拉索是为了支承主梁，而矮塔斜拉桥的体外索是为了提高有效偏心位置，所以矮塔 斜拉桥的主塔高度不需要很高。与一般斜拉桥相比矮塔斜拉桥的主塔高度的优点如下：

4. 矮塔斜拉桥与混凝土斜拉桥的比较
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如前所述，将矮塔斜拉桥的特点以及与钢筋混凝土斜拉桥的比较结果整理成<表3>。
<表 3> 矮塔斜拉桥与钢筋混凝土斜拉桥的比较
项目
混凝土斜拉桥
矮塔斜拉桥
最大跨度 Skarnsundet桥(挪威，1991年)，主跨 530m 木曾川桥(日本，2000年)，主跨 275m
以次为依据，提出了判断体外索容许应力的公式(参见图7)，该公式满足目前已运行的一般斜 拉桥的拉索的安全度，同样也适合与矮塔斜拉桥。
图 7. 体外索安全度

3.4 体外索的布置
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体外索的布置由侧面形状可分为辐射型、扇型、竖琴型，根据体外索支承面分为单面和双 面。矮塔斜拉桥一般使用双面扇形或双面竖琴型形式的较为普遍。两种布置类型的比较参见 <表1>。
1. 体外索合力点较低，预应力效果相对于 扇型较差
2. 主梁上产生的轴力较小 3. 体外索在主塔上锚固较容易

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3.5 体外索在主塔上的锚固方法
体外索在主塔上的锚固方法分为分离锚固方式和贯通锚固方式，按能否替换分为可替换和不 可替换的方式。使用不可替换的方式时要使用抗损伤能力强和耐久性强的材料，并且需要细 致的维护管理，因此使用可替换方式的体外索较为普遍。
斜板桥有较多的工程实例，斜拉索有更高的安全度，结构和防震性能均较好，但同时因为自 重的增加引起地震时惯性力的增大，收缩和徐变的反应也变得复杂，且无法更换预应力钢 筋，所以这种桥梁有逐渐减少的趋势。
图 4. 斜板型(Ganter桥，瑞士)
图 5. 斜拉体外索型(小田原桥，日本)

3. 矮塔斜拉桥的特点
1) 因为体外索张力的竖向分力较小，活荷载作用下体外索的应力变化相对一般斜拉桥拉索 要小，所以受疲劳的影响较小。另外因为主塔的轴力也相对较小，所以不必设置防止屈曲 失稳的横向联系梁。没有横向联系梁，在今后的维护管理时不必在车道上部空间作业。 2) 主塔简单化提高了施工性，并可以减少体外索的间距。 3) 体外索锚固时角度较小，便于注浆。 4) 主塔轻型化提高了耐震性能。
图 1. 矮塔斜拉桥

EXTRADOSED PSC的概念和特点
预应力箱梁的预应力钢筋的偏心量被局限在箱梁截面以内，所以当跨度较大时，截面高度和 结构自重会随之增加，而矮塔斜拉桥相当于将预应力钢筋布置在箱梁有效高度以外，相对于 一般预应力箱梁桥，其自重和预应力钢筋数量都较小。另一方面与一般斜拉桥相比，各索之 间应力变化较小，可显著降低索塔高度。 所以说从经济性和性能来说矮塔斜拉桥比较适合于 100m~200m 跨度的桥梁中，是一种新型的桥梁形式。
体外索防锈方法采用最多的是用套管包裹后，在体外索和套管之间灌注填充剂。作为第一层 防锈装置的套管有铜管、不锈钢管、铝管、聚乙烯管以及玻璃钢管等。使用不锈钢管时，为 了防止电锈蚀，需要做绝缘处理；因为铝与水泥会发生化学反应产生氧气，使索发生脆性破 坏，所以使用铝管市，不能用水泥做填充剂。作为第二层防锈装置的填充剂一般有水泥浆、 树脂油脂、 石蜡以及聚氨酯等。