独塔无背索实训斜拉桥设计

研究I R esearch and D esign

与设计

独塔无背索实训斜拉桥设计

章博

(中铁建安工程设计院有限公司，河北石家庄050043)

摘要：无背索斜拉桥结构形式新颖，造型优美，近年来在国内外逐步兴起。以石家庄铁道大学铁道实训基地 内独塔无背索实训斜拉桥建设为工程背景，重点研究1-32 m独塔无背索实训斜拉桥的设计方法与设计过程。

由于桥梁荷载特殊，设计时并无可直接依据的规范，只能参考现行相关铁路、公路桥梁设计规范进行设计研究。拟定了桥梁的结构形式与结构尺寸，借助midas Civil有限元分析软件，采用先建立成桥模型再确定施工阶段索力的方法，对无背索斜拉桥成桥状态及施工过程进行仿真模拟，对计算结果进行分析，桥梁满足参考规 范要求，可以应用于教学与科研工作。

关键词：无背索斜拉桥;桥梁设计;静力平衡;有限元仿真

DOI：10. 13219/j. gjgyat. 2017. 06. 004

中图分类号：U448. 27 文献标识码：A文章编号=1672-3953(2017)06-0015-06

斜拉桥是一种高次超静定组合结构体系，由包 括索塔、主梁和斜拉索在内的三种基本承载构件所 组成。三种基本承载构件以不同的方式组合，可组 成不同结构形式的桥型[1]。20世纪70年代开始，斜拉桥开始被广泛应用并快速发展[2]，无背索斜拉 桥这种桥型正是在斜拉桥发展历程中衍生出的将美 学与力学较好结合的产物。1992年A la m illo桥作 为世界上首座无背索斜拉桥在西班牙塞维利亚建 成，桥梁主跨长200 m，塔高132 m(如图1所示）。优美的竖琴造型与巧妙的结构形式使这种桥型很快 被世界各国的桥梁设计师所接受，并进行效仿与改 进。2000年，我国首座无背索斜拉桥建成于哈尔滨 太阳岛，主跨长度达到140 (如图2所示）。

图1 西班牙Alamillo桥图2 哈尔滨太阳岛桥

1 工程背景

高等院校桥梁工程教学工作通常采取室内课堂 教学与现场实践教学相结合的方式。为了满足教学 与科研工作的实践需求，石家庄铁道大学在校园内

收稿日期：2017-10-17

作者简介：章博（1984—），男，工程师，主要从事道路与桥梁工 程设计研究工作。xanaduzb@ 铁道实训基地投资建设桥梁工程实训场。该项目桥

梁建设方案选择上需要考虑以下因素[4]:

(1) 桥梁结构形式应具有代表性，能够以其为目 标对象完成既定的教学与科研任务。

(2) 桥梁活荷载特殊，参考现行铁路桥梁规范中 的列车荷载，选取了自制轨道车荷载与提高标准的

人群荷载进行组合。

(3) 在有限的场地内因地制宜，在80 m总里程 内需要设置两座桥梁和一段铁路路基。

(4) 考虑桥梁的美观性，需与北侧已建成的无砟 轨道和周边建筑相协调。

考虑各项因素综合比选后确定两座桥梁的桥型

分别为1-32 m独塔无背索斜拉桥及1-24 m下承式

钢筋混凝土拱桥，本文以1-32 m独塔无背索斜拉桥

作为设计研究对象。

2无背索斜拉桥概念设计

2.1 结构体系

早期无背索斜拉桥大多采用刚塔刚梁的结构体

系，以西班牙A la m illo桥和哈尔滨太阳岛桥为代

表，通常桥梁跨度较大，索塔高大，主梁上恒载产生

的倾覆力矩与索塔自重产生的力矩完全平衡，主塔

根部固结点位置仅受轴力作用。

近些年随着桥梁对景观要求提高，中小跨径无背

索斜拉桥向着柔塔刚梁方向发展。主梁受恒载产生

的倾覆力矩并不能与索塔自重产生的力矩相平衡，主

梁需要靠自身的刚度与强度来抵抗荷载作用。这种

结构近似部分斜拉桥，结构受力有连续梁的特点[5]。

2.2 结构特性

2.2.1 索塔

索塔材料选择通常为混凝土或钢材，并与主梁 材料选择相关。为了能够利用索塔的自重来平衡斜 拉索所传递的主梁荷载，索塔通常倾斜设置，后倾角 0 (如图3所示）在20〜35°之间，设置合理的后倾角 可有效节省材料，既美观又有较好的经济性。

图3 索塔布置不意图

索塔高度与主梁主跨跨度、斜拉索的分布形式 有关。斜拉桥主梁跨度与索塔的高度比例系数大多 介于1.5〜2之间[6]。

2.2.2 主梁

为了使整个桥梁结构较为轻盈，主梁自重不宜 过大，与之保持平衡的索塔也可节约用料;主梁又是 承担外部荷载的主要构件，要求其具备较大的刚度 来抵抗变形。通常主梁选取预应力混凝土结构、钢 结构或钢一混凝土组合结构。

2.2.3 斜拉索

斜拉索顺桥向布置通常选择竖琴形或者扇形。竖琴形索造型美观，施工便利，更容易使结构局部达 到平衡;缺点是斜拉索会水平分力较大，倾覆力矩随 之增大，斜拉索用料有所增加，从经济上来说不是最 优。扇形索结合竖琴形索与辐射形索的优点，同样 结构易实现平衡，还能有效降低塔高，避免辐射形索 锚固区应力集中。

2.3 静力平衡分析

2.3. 1整体

无背索斜拉桥基本设计理念是对塔梁固结点实 现力矩平衡，即主梁自重力对塔梁固结点产生的倾覆力矩純与索塔自重力对塔梁固结点产生的力矩M T平衡结构静力整体平衡作用如图4 所7K。其中 M i =X L i，M x =G t X L x，整体平衡状态下要求=M r，L i与!^分别为作用力对 应的力臂。

2.3.2 局部

索塔

局部平衡状态就是成桥之后桥梁运营阶段，在

结构承受出现最大概率荷载状态下，索塔的各个截

面所承担的荷载仅为轴向压力。局部平衡要求索

塔、主梁对应的每个节段荷载能够达到平衡状态。

索塔上任意截面所受力矩为索塔自重荷载对这个截

面产生的力矩和斜拉索拉力对这个截面产生力矩之

差，即为零。

3工程设计方案

3.1 工程概述

石家庄铁道大学铁道实训基地桥梁工程实训场

由东向西依次布置14 m铁路路基、1-24 m下承式

钢筋混凝土拱桥和1-32 m无背索斜拉桥，路基及桥

面上铺筑无渣轨道板及轨道。其中1-32 m无背索

斜拉桥桥面全宽5.2 m，上部结构为梁高1. 0 m的

预应力混凝土主梁；索塔采用钢筋混凝土索塔，塔高

14 m，后倾角20°，索塔纵向为变截面柱型塔，横向

门形布置;斜拉索双索面扇形布置，共设置5对索，

索体采用高强度钢绞线；下部结构1号墩为重力式

墩，2号墩采用塔墩梁固结的形式，基础为钢筋混凝

土灌注桩;轨道板为CRTS n型板式无砟轨道板，钢

轨选用定尺长25 m、重量60 kg/m、材料U71M nG

新钢轨，扣件选用WJ-8C型钢轨扣件。桥型布置如

图5所示。

3.2 设计标准与参考规范

(1) 坐标系统、高程系统、里程系统均为局部自 拟系统。

(2) 设计使用年限：100 a。

(3) 正线数量:单线。

(4) 设计荷载：活荷载，8 k N/m2均布人群荷载 与20 k N轨道车移动荷载组合（依据教学与科研需

求设定）。恒荷载，桥梁主体结构与附属结构自重。

温度荷载，考虑结构整体升温与降温产生的温度荷

载。风荷载，根据桥址处风速及抗风规范中相关规