矮塔斜拉桥的概念及特点

1、EXTRADOSEDBRIDGE系列介绍JMId応矮塔斜拉桥的概念和特点简介矮塔斜拉桥的概念矮塔斜拉桥的特点4矮塔斜拉桥与一般斜拉桥的比较矮塔斜拉桥的概念和特点简介随着PSC桥梁的设计向着大跨发展，设计上越来越注重口重的减少、主梁的轻型化、施工性能和经济性能的提髙、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，长期以來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

2、普遍，在lOOmPOOm跨度的桥梁上钢筋混凝上桥梁相关实例较少，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増大等问题。考虑到经济性、施工性，对1001205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(EXTRADOSEDPSCBridge)形式。图1.矮塔斜拉桥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1何高度和结构口重会随之增加，而矮塔斜拉桥相当于将预应力钢筋布置在箱梁有效髙度以外，相对于一般预应力箱梁桥，其口重和预应力钢筋数量都较小。另一方血

3、与一般斜拉桥相比，各索之间应力变化较小，可显著降低索塔髙度。所以说从经济性和性能来说矮塔斜拉桥比较适合于100m200m跨度的桥梁中，是一种新型的桥梁形式。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JacquesMathivat提出的体外张拉的桥梁形式。从前的钢筋混凝上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

4、管受到了很大限制，而大偏心索桥可以较口由地设管偏心虽:。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。2.2矮塔斜拉桥的外形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

5、参见图2和图3。桥梁卜部嗾觉较沉啦格体块的感觉桥梁卜部嗾觉较沉啦格体块的感觉图2.矮塔斜拉桥的外形概念图图3矮塔斜拉桥的结构概念图2.3矮塔斜拉桥的分类矮塔斜拉桥根据体外索是否用钢筋混凝上包裹可分为斜板型（参见图4）和斜拉体外索型惨见图5）。世界最早的矮塔斜拉桥是瑞I: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。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I重的増加引起地丧时惯性力的增大，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

6、田原桥，日本）矮塔斜拉桥的特点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,般预应力箱梁桥的梁高为L/15L/17,而矮塔斜拉桥的梁高在支座位置为L/30L/35、跨中位管为L/50L/60,梁高慕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）。因此在施匸上部结构时，基本上可采用一般的悬臂法施匚方案。最丈跨度换算跨度图6.最大跨度与主梁混凝上平均厚度关系最丈跨度换算跨度图6.最大跨度与主梁混凝上平均厚度关系图

7、6.换算跨度与PS钢筋虽关系探换算跨度：三跨桥梁按最大跨度计算，两跨桥梁将跨度乘18倍，按二跨计算决定梁髙和桥形时，要考虑桥梁整体的轻巧口然，力传递的顺畅，突出矮塔斜拉桥的特点。3.2主塔矮塔斜拉桥主塔的髙跨比（主塔髙度/中间跨长）为1/81/12,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，而建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髙。与一般斜拉桥相比矮塔斜拉桥的主塔髙度的优点如下：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

8、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。设计主塔时注意赋予彖征性意义，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。虽然也可以彖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

9、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。3.3体外索的应力变化和安全度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（0.6fQ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、次应力的彩响以及应力的不均匀性等,需要提高设计安全度。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

10、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査，矮塔斜拉桥的体外索的竖向分配律p（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/mm:。该变化幅度小于CEB-FIP建议的8kg/mm:,也小于文献中建议的7kg/mm:,所以可以使用一般预应力钢筋的容许应力标准0.6仏。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0.4兔相比，矮塔斜拉桥体外索的应用效率较髙。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。0.6ypu0.4/

11、pu图7.体外索安全度0.6ypu0.4/pu图7.体外索安全度3.4体外索的布置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而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1九表1扇型和竖琴型的比较项目扇型竖琴型形状、1hin.niifJ|n1.景观效果好1.体外索平行，形式简洁盘观2.主塔较低时，不能充分体现视觉效果2.力的传递给人感觉较为安全评价3.一般斜拉桥较为有效的形式3.体外索形成而的感觉，比较新颖1.体外索的合力点较高，预应力效果好1.体外索合力点较低，预应力效果相对丁结构2.主梁上产生的轴力较小闹型较差评价3.

12、体外索较长2.主梁上产生的轴力较小4.对丁竖向荷载，刚度较大3.体外索在主塔上锚周较容易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。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，一般需要加髙主塔髙度或加宽宽度，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)

13、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。使用索鞍可以提髙主塔的施工性，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。表2体外索主塔顶部锚固方法项目贯通锚固方式锚固装置分离锚固方式分离装置连接锚固锚固方式特征1.2.3.贺通实体布置1.在出主塔处固2.定左右张力差町以减少索的锚固长度因为索的最小弯曲半径的限制.钢束的幅项目贯通锚固方式锚固装置分离锚固方式分离装置连接锚固锚固方式特征1.2.3.贺通实体布置1.在出主塔处固2.定左右张力差町以减少索的锚固长度因为索的最小弯曲半径的限制.

14、钢束的幅度受到限制贯通实体布置1.需要验舜索锚2.囲位置间隙引起的扭矩锚固于中空截面1.为了抵抗索张力2.引起的街面受拉.需要用钢材或预应力钢筋加M可以减少索的锚3.锚固于中空截面索张力引起的锚固位置截面张力由钢梁承担,预防主塔产生拉力。截面稍大固长度今后检直索锚固位置比较容易3.6体外索的防锈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

15、剂一般有水泥浆、树脂油脂、石蜡以及聚氨酯等。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管套管决定，但考虑到不会有永久的保护套管，尽虽:应采用可以更换索的保护装置。矮塔斜拉桥与混凝土斜拉桥的比较如前所述，将矮塔斜拉桥的特点以及与钢筋混凝上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上斜拉桥的比较项目浪凝土斜拉桥矮塔斜拉桥结构最大跨度Skarnsundet桥（挪威1991年），主跨530口木曾川桥（日本

16、,2000年）,主跨275m索索支承着加劲梁，产生竖向分力通过索的大偏心布置，给主梁施加预应力主梁承受索支承点间的荷载辅助作用梁高为20、25m与桥梁跨度无台大关系梁高较低.可以駅大限度保证梁下空间承受上部大部分荷我梁高为：L/30、L/35（支座）L/50、L/60（跨中）粱高与跨度有关,一般介于斜拉桥和梁桥的梁高之间，比一般梁桥的梁高要低主塔塔高与桥跨度比：L/3、L/5主要采用分离锚固塔高与桥跨度比:L/8、L/15主要采用索移贲通锚周设计索因为活荷裁引起的应力变化较大，需要考虑疲劳的彫响应力变化幅度为:5、13kg/m:容许应力：fr.=0.4务没有自身张拉应力损失因为活荷裁引起的应力变化较小.疲劳的影响较小应力变化幅度为:1.53.8kg/mm:容许应力:fu=0.6需验舜预应力损失中松弛引起的损失施工索为了控制主梁的应力.施工中要调索通过调索町改善主梁应力和位移施工时调索较闲难很难通过调索改善主梁应力和位移主梁主粱刚度较小,容易变形,需要严密的施工管理主梁离度相