15王胜-矮塔斜拉桥在桥梁建设中的应用分析.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 矮塔斜拉桥在桥梁建设中的应用分析 王胜 （铁道第一勘察设计院 西安 710043） 提 要矮塔斜拉桥是介于连续梁与斜拉桥之间的一种过渡桥梁，具有结构性能优越，经济指标良好，施工方便的优势。本文结合兰州小西湖黄河大桥三跨预应力混凝土矮塔斜拉桥的设计实践，对矮塔斜拉桥在中、长跨度桥梁中的应用前景进行了分析和探讨。 关键词矮塔斜拉桥 设计 实践 应用 1 前言 近年来，在PC箱梁桥和PC斜拉桥之间出现了一种新的桥梁结构形式，这种新的桥梁结构是法国工程师J.Matlivat 1988年提出并将之命名为超配量extradosed体外索PC桥，日本的桥梁界将其统称为斜拉桥，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”，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或低塔斜拉桥。由于该桥型结构性能优越，经济指标良好，在许多国家作为中、长桥梁的主流桥型之一被广泛应用。矮塔斜拉桥在我国起步虽然较晚，但发展速度较快，自2001年国内第一座矮塔斜拉桥漳州战备桥建成之后，兰州、太原、厦门等地也陆续兴建。由我院设计的山东惠青黄河公路大桥主跨220m，为国内已建或正建的最大跨度预应力混凝土矮塔斜拉桥。本文结合兰州小西湖黄河大桥三跨预应力混凝土矮塔斜拉桥的设计实践，参考国内外矮塔斜拉桥的经验总结，对矮塔斜拉桥在中、长跨度桥梁中的应用前景进行了分析和探讨。 2 工程背景 小西湖黄河大桥是兰州市小西湖黄河大桥工程的一部分，大桥北起黄河北岸与北滨河 王胜，男，1962.6出生，工程硕士，教授级高工 图1 全桥轮廓图 路立交相连，南迄黄河南岸与中滨河路立交相接。大桥结构形式采用一联（8213682）m预应力混凝土双塔单索面矮塔斜拉桥，桥长300m，采用塔梁固结、梁墩分离的结构形式。大桥按双向六车道、城-A级荷载设计。主梁采用单箱三室大悬臂、斜腹板、变截面、变高度预应力混凝土箱梁，支点梁高4.5mL/30，跨中梁高2.6mL/52，梁体下缘按二次抛物线变化。斜拉索布置在箱梁的中室，索梁锚固处均设有隔墙。主塔采用实心矩形截面，横桥向宽2.0m，顺桥向2.6～3.0m，塔高17m（L/8）。斜拉索为单面双排索，布置在中分带上，塔根附近无索区长46 m，有索区长36 m ，跨中无索区长18m，梁上索间距4.0 m，塔上索距0.7m。斜拉索在塔上部通过鞍座，两侧对称锚于梁体的隔墙上，最大索力4100 KN。斜拉索采用平行钢绞线索，每根索为31j15.24mm镀锌钢绞线，索间距4.0m，全桥共40对索。桥墩采用花瓶式板式墩，基础为￠2.0m钻孔灌注桩。主梁采用悬臂灌注法施工。全桥轮廓如图1。 3 箱梁结构分析 3.1 结构静力分析 箱梁按三向预应力混凝土结构设计，采用全预应力理论，按平面有限元法使用BSAS桥梁结构分析计算程序进行计算。 全桥静动力的分析计算不考虑结构的非线性影响，但通过斜拉索的名义弹性模量来消除斜拉索垂度的影响。 斜拉索一次张拉到位，不进行后期索力的调整，施工阶段斜拉索的最大应力比控制在0.525 Rby, 正常使用条件下斜拉索的最大应力比控制在0.50 Rby。 地震力荷载按反应谱理论进行计算，II类场地，动峰值加速度0.24g，地震影响系数的最大值αmax0.552，α00.24。由于结构塑性变形等引起的地震力折减0.35，同时考虑到结构的重要性，参考有关文献，经综合分析比较，其重要性系数取1.5。地震力控制下部墩身及基础的设计。 索梁锚固区设贯通各室的横隔墙，横隔墙配置预应力钢束和普通钢筋，对有横隔墙和无横隔墙区段分别进行横向环框计算。 箱梁在使用荷载作用下，最大压应力为12.8MPa,最小压应力为0MPa,桥塔最大压应力为9.4Mpa,最小压应力为0.63Mpa。 斜拉索的应力幅较小，考虑各种荷载组合后的斜拉索最大应力幅为95.2Mpa，其疲劳强度不控制设计。斜拉索的最大应力881 Mpa，满足≤930Mpa。为控制斜拉索由于涡流激振而产生的不利影响，在拉索与主梁、拉索与桥塔的锚固端设置高阻尼减震器。 正常使用极限状态主梁纵向弯矩包络图见图2.1，正常使用极限状态主梁混凝土弯曲应力包络图见图2.2。 图2.1 正常使用极限状态主梁纵向弯矩包络图（KN-m） （a）主梁上缘弯曲应力（Mpa） （b）主梁下缘弯曲应力（Mpa） 图2.2 正常使用极限状态主梁混凝土弯曲应力包络图 3.2 结构体系转换 主梁共设有3个合拢段，分别为边跨合拢段和中跨合拢段，采用先边跨再中跨合拢的合拢顺序。在合拢段设有劲性骨架，混凝土浇注前，锁定劲性骨架并将一部分合拢束张拉到一定吨位，作为临时合拢束，待混凝土达到设计强度后，解除劲性骨架约束，张拉合拢束。 梁体在合拢过程中共进行了3次结构体系转换，首先为边跨合龙拢，由双悬臂体系转换为带临时支撑的伸臂梁体系，其次是临时支撑拆除后，由带约束的伸臂梁体系转换为简支伸臂粱体系，最后是中跨合拢，转换为三跨连续结构体系。 3.3剪力滞影响 主梁采用单箱三室大悬臂变高度箱形梁，中支点梁高4.5m，跨中梁高2.6m，箱梁顶板宽27.5m，底板宽15.428～16.948m，悬臂长为4.5m。主梁梁高与跨度比为1/30～l/52，梁宽与跨度比为1/4.89，悬臂长与箱宽之比为1/3，因此主梁为大悬臂低高度宽体箱梁，横向受力具有较大的剪力滞效应，另外，主桥采用单面索布置在中室，横向索为0.8m，也对主梁的剪力滞有一定影响。根据140的模型试验揭示，主梁存在一定的剪力滞效应，支点和跨中截面处剪力滞效应相对较小，一般介于10～15以下，1/4跨～1/3跨范围剪力滞效应相对较大，高达20～30，对主梁设计影响较大。 设计中除对纵向预应力横向位置作较合理布置外，对主梁上下缘压、拉应力值采用预留足够的富余量来抵消剪力滞效应带来的影响。 4 全桥动力分析 4.1 结构的自振特性 采用子空间迭代法计算结构的自振特性，部分结果如表1。 自振特性 表1 振型序号 自振频率（赫） 自振周期（秒） 振型特征 1 0.682 1.467 一阶对称竖弯 2 0.734 1.362 纵向 3 1.375 0.727 一阶反对称竖弯 4 1.568 0.638 二阶对称竖弯 5 1.764 0.567 二阶反对称竖弯 6 2.593 0.386 侧案 7 2.783 0.359 侧弯扭转 4.2 反应谱分析 桥址所在场地的地震烈度为8 度，反应谱分析中采用公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）第4.2.3条规定的II类场地上的反应谱曲线，水平地震系数按8度考虑（Kh0.2），在纵横两个方向施加，竖向反应谱取水平向的1/2。 反应谱分析由桥梁的前40阶振型迭加法计算得到。整个计算采用SAP90程序进行。计算表明主梁的横桥向弯矩较大，制动墩墩底的纵横向弯矩可能成为设计的控制因素。应合理设计墩的尺寸、选用桩的数量和布置方式，当设计有困难时，可考虑减振措施。 图3 振型图 4 材料、经济指标及桥型效果 兰州小西湖黄河大桥目前已矗立在兰州黄河段。由于采用了矮塔斜拉桥桥式，具有良好的视觉环境，平面、纵断面和横断面组成了充裕的空间，具有足够的视野与视距，线形流畅，安全舒适。斜拉索采用单面索，布置在中央分隔带内，外形上更加令人赏心悦目，有令人耳目一新的感觉。主塔顶端饰以雕塑造型，并充分利用桥中央分隔带绿化和岸堤边坡的方格网绿化，与自然景观和人文景观融为一体。为展现大桥宏伟壮观、气势磅礴的雄姿，夜间配以灯光照明，为市区增加了一处新亮点。 兰州小西湖黄河大桥采用矮塔斜拉桥方案其材料指标、经济指标较低，经济效益显著。材料、经济指标见表2。 材料、经济指标见表2 C50混凝土 （m3/m2） 预应力筋 （Kg/m2） 普通钢筋 （Kg/m2） 斜拉索 （t） 纵向 横向 竖向 0.896 17.44 13.1 12.2 149.8 121.9 全桥建筑安装费4274万元，折合每平方米5181元 5 结语 结合兰州小西湖黄河大桥成功的设计实践，参考国、内外部分斜拉桥的经验总结，可以得出如下结论 ● 桥跨布置上，主、边跨的比例更接近于连续梁。 ● 主梁的高跨比值介于斜拉桥与连续梁之间。 ● 塔高较矮。其塔高一般为跨度的1/12～1/8间。 ● 斜拉索较为集中，通常布置在边跨中及1/3中跨附近，边跨梁端无锚固索。 ● 斜拉索集中在塔顶鞍座上通过。 ● 斜拉索应力变化幅度小，可采用较高的应力。一般情况下，斜拉索的应力可用至0.5～0.6倍标准强度，从而减少钢材用量。 ● 主梁的施工更接近于梁式桥。 ● 适用跨径宜在100～300m之间。若主梁采用混凝土钢复合结构型式，可有效地减轻桥梁的重量，使跨度进一步加大。 由于塔矮斜拉桥具有塔矮、梁刚等突出特点，本文认为，把这种桥型似称为“强梁斜拉桥”cable-stayed bridge with strong girder、或“矮塔刚性梁斜拉桥”cable-stayed bridge with lower tower and strong girder更为准确。 参考文献 [1] 严国敏.试谈“部分斜拉桥”.国外桥梁.1996.1 [2] 严国敏.现代斜拉桥.成都.西南交通大学出版社.1996.7