矮塔斜拉桥结构及设计特点

矮塔斜拉桥结构及设计特点魏朝柱【摘要】矮塔斜拉桥是介于斜拉桥和连续梁（刚构）桥之间的组合桥型，兼具斜拉桥的纤细柔美和连续梁（刚构）桥的刚劲有力，是一种刚柔互补型的桥梁。

随着国家经济基础建设的发展，近几年来应用较多，文中结合国内已建或在建的几座典型的矮塔斜拉桥，阐述矮塔斜拉的结构及设计特点。

%Extradosed cable-stayed bridges are hybrid structures, whose mechanic characteristic lie between ca- ble-stayed bridges and continuous beam bridges. Extradosed cable-stayed bridges are complementary rigid-flexible, which have both cable-stayed bridges＇ soft and slender, and continuous beam bridges＇vigorous and effective. With the development of the national economic infrastructure, more application in recent years, Combied with built or un- der construction in several typical extradosed cable-stayed bridges, the paper described the structure and design fea- tures of extradosed cable-stayed bridges【期刊名称】《广东交通职业技术学院学报》【年(卷),期】2011(010)003【总页数】5页(P18-22)【关键词】矮塔斜拉桥;桥梁设计;结构【作者】魏朝柱【作者单位】广东省公路勘察规划设计院股份有限公司,广东广州510507【正文语种】中文【中图分类】U448.271 矮塔斜拉桥概述矮塔斜拉桥(英文称extradosed cable-stayed bridge)是介于斜拉桥和连续梁(刚构)桥之间的组合桥型，兼具斜拉桥的纤细柔美和连续梁(刚构)桥的刚劲有力，是一种刚柔互补的新桥型。

国外矮塔斜拉的发展根据其外型式可分为三个阶段：阶段一：板拉桥，普遍认同，由Christian Menn设计建于1980年的Ganter大桥(图1)是斜拉-连续(刚构)体系桥的先驱，其混凝土箱梁通过预应力混凝土斜拉板锚固在墩顶伸出的非常矮的塔上，这种板可以看成刚性的斜拉索。

Ganter桥及随后修建的Socorridos桥(图2)等一起为后来矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。

阶段二：引进斜拉索，1988年由法国工程师Jacgues Mathivat提出矮塔斜拉桥方案，斜拉索穿过矮塔上的鞍座锚固于主梁上。

法国人提出矮塔斜拉桥方案，但并没有得到推广应用，日本人研究后认识到矮塔斜拉桥在技术、经济和景观方面有较传统连续(刚构)桥的许多优点，先后修建了小田原港桥(图3)等[1]一批具有代表性的矮塔斜拉桥。

阶段三：创新阶段，Christian Menn设计的Sunniberg桥(图4)1998年建成通车，该桥是矮塔斜拉桥的完美之作，设计虽比最便宜的梁桥方案费用高出14%，但确在美学、力学、环境协调性及环境保护方面展示了矮塔斜拉桥的独特之处[2]。

Sunniberg桥打破了刚性梁的传统，其边梁高仅为0.8 m，矮塔斜拉桥也可以采用柔梁体系。

主梁的创新极大的丰富了矮塔斜拉桥的结构，随后修建了波形钢腹板组合梁矮塔斜拉桥[3]，预应力混凝土与钢结构的混合梁矮塔斜拉桥[4]以及钢桁梁矮塔斜拉桥[5]。

目前，矮塔斜拉桥在国内应用发展很快，本文将结合国内几座矮塔斜拉桥的建设，阐述矮塔斜拉的结构及设计特点。

图1 Ganter桥图2 Socorridos桥图3 小田原港桥(Odawara Blueway)图4 Sunniberg桥2 矮塔斜拉桥设计特点下面结合江门至珠海高速公路荷麻溪大桥、重庆嘉悦大桥、江肇高速公路西江特大桥主桥、南澳大桥主桥等7座典型的矮塔斜拉桥，介绍其主要结构设计参数，并与斜拉桥设计细则比较。

2.1 矮塔斜拉桥主梁设计矮塔斜拉桥与常规斜拉桥最大的不同是塔高比较矮，这个特性使得斜拉索与主梁的夹角较小，斜拉索提供的竖向分力仅能抵消梁体所受的部分竖向内力。

客观上主梁以梁的受弯、受压、受剪和斜拉索受拉来共同承担竖向荷载，主梁以压弯为主，此外，主梁还需抵抗活载偏心引起的扭矩。

因此，主梁采用变截面箱梁是非常好的选择，而根据矮塔斜拉桥斜拉索索面布置的不同，常采用单箱单室或单箱三室等截面形式。

近期建成或在建的7座矮塔斜拉桥的主梁设计参数列于表1，主梁截面主要有长悬臂单箱单室，短悬臂单箱单室和长悬臂单箱三室等形式，主梁截面形式如图5、图6、图7所示。

图5 长悬臂单箱单室箱梁6 短悬臂单箱单室箱梁图7 长悬臂单箱三室箱梁从表1主梁梁高看，与公路斜拉桥设计细则相比，以上7座实桥工程，根部梁高取值与“细则”较接近，跨中梁高比规范取值偏小。

从边中跨比值看，矮塔斜拉桥的边中跨比值选择与常规连续刚构桥接近。

2.2 矮塔斜拉桥主塔设计矮塔斜拉桥的主塔不仅要承受斜拉索竖向分力引起的轴向压力，而且还要承受由于两侧斜拉索不同拉力引起的弯矩，塔的刚度将直接影响全桥的受力特性，塔是矮塔斜拉桥的主要受力构件之一。

矮塔斜拉桥的受力性能取决于主梁、主塔、墩及斜拉索的相对刚度。

矮塔斜拉桥的拉索就像主梁的体外预应力筋，主塔的作用就是增大体外预应力筋的力臂，拉索主要作用是通过初拉力的预应力效应来改善主梁的受力性能；当主梁抗弯刚度较大时，可以通过降低主塔高度给主梁提供较大的轴向分力，从而解决主梁体内预应力的不足。

主塔除承受拉索的竖向轴力分力外，还可以通过优化斜拉索索力来改善其自身的受力性能。

塔高的选择首先与桥梁的主跨跨径有关，其次是斜拉索的索面布置形式、拉索的索距和水平倾角等有关。

在相同跨径的情形下：塔高降低，斜拉索的倾角减小，索力在水平方向的分力增大，主梁轴力增大，主梁最大正、负弯矩的绝对值增大，挠度变大。

本文结合实桥工程，列出7座矮塔斜拉桥的主塔设计参数于表2。

表1 桥梁设计参数一桥梁名称江珠荷麻溪大桥嘉悦大桥西江特大桥主桥陈村特大桥主桥南澳大桥主桥嘉陵江南屏大桥中堂水道主桥斜拉桥设计细则跨径组合/m 125+230+125 66+75+75+145+250+145 128+3x210+128 120+218+120 126+238+126 112+190+92 95+168+95≤300桥宽B/m 28.3 28 38.3 36 14.4 27.5 31.2主梁形式单箱三室单箱单室单箱三室单箱三室单箱单室单箱单室单箱三室箱形截面H中/H根/m 3/6.5 5.0/7.0 3.5/6.5 3.5/6.5 4.0/8.0 4.5/7.0 2.5/5.2梁高/主跨1/76.7～1/35.4 1/50～1/35.7 1/60～1/32.3 1/62.3～1/33.51/59.5～1/29.75 1/42.2～1/27.14 1/67.2～1/32.3 1/45～1/35边跨/中跨0.543 0.58 0.61 0.55 0.529 0.565 0.5～0.76建成时间2006 2010.2在建在建在建在建在建表2 桥梁设计参数二注：表中索面“1”表示双排单索面，“2”表示双索面。

索面桥梁名称江珠荷麻溪大桥嘉悦大桥西江特大桥主桥陈村特大桥主桥南澳大桥主桥嘉陵江南屏大桥中堂水道主桥斜拉桥设计细则塔数(跨)2(3)2(3)4(5)2(3)2(3)2(3)2(3)塔形独立单柱Y型独立单柱独立单柱H型Y型独立单柱塔高/m 39 32.53 30.5 31.8 30 27.4 26塔高/跨度1/5.9 1/7.69 1/6.89 1/6.86 1/7.93 1/6.93 1/6.46 1/8～1/12塔上锚固鞍座钢锚箱鞍座鞍座鞍座钢箱组合鞍座1211221索形扇形扇形扇形扇形扇形扇形扇形从表2主塔塔高看，与公路斜拉桥设计细则相比，以上7座实桥工程塔高取值超过或接近1/8。

索塔锚固方式：除个别矮塔斜拉桥拉索直接在塔上锚固外，普遍采用贯通式索鞍锚固(图8)和钢锚箱锚固(图9)。

钢锚箱从常规斜拉桥斜拉索锚固引用过来，虽然锚固效果好，但造价很高，已建矮塔斜拉桥中采用较多的是贯通式索鞍锚固形式。

鞍座区在设计上要设置抗滑装置，不允许斜拉索在使用过程中产生任何滑移，同时又要允许在换索时能够方便地进行更换。

常用鞍座结构有双套管结构和分丝管结构两种。

分丝管结构是一种新型索鞍，采用了分丝技术，结构由多根相互平行的导向钢管组成，拉索不是整束布置在同一管中，而是拉索中每一根钢绞线穿过对应的导向钢管，形成分离布置，互不干涉，并承受钢绞线由于单根张拉先后造成相互之间的挤压，断面成蜂窝状。

与双套管结构相比，在受力上具有明显的优点，但施工工艺要复杂一些。

图8 贯通式索鞍锚固图9 钢锚箱锚固2.3 矮塔斜拉桥斜拉索布置常规斜拉桥一般沿纵桥向全桥布索，而矮塔斜拉桥有明显的3处无索区段：中跨跨中、塔根部和边跨端部。

本文结合实桥工程，列出7座矮塔斜拉桥的斜拉索在梁和塔上的布置间距及有索区和无索区长度参数于表3。

矮塔斜拉桥无索区长度，即塔根部无索区长度、主跨跨中无索区长度和边跨无索区长度是影响矮塔斜拉桥的力学行为的重要设计参数。

从表3矮塔斜拉桥无索区长度看，与公路斜拉桥设计细则相比，以上7座实桥工程，塔根部无索区长度与跨径比值与“细则”接近，但跨中无索区长度与跨径比值则比“细则”小，实桥工程更充分利用了矮塔力臂作用发挥斜拉索预应力效应。

拉索布置根据索面不同分单索面和空间索面，按在桥梁纵向布置可选择扇形索和竖琴索，但国内外矮塔斜拉桥大都采用扇形索面，尽量利用矮塔的有效高度，提高拉索的竖向分力。

一般梁上索距4～6 m，塔上索距0.6～1 m，表3中嘉悦大桥等因为采用钢锚箱锚固，塔上拉索间距适当增大。

单索面一般采用双排，横向中距不宜小于5倍索直径。

表3 桥梁设计参数三注：表Lg表示塔根部单侧无索区长度；Lz表示主跨跨中无索区长度；Lb表示边跨无索区长度；L表示主跨跨径；Ls表示斜拉索在梁上分布范围；Δ梁表示斜拉索在梁上间距；Δ塔为斜拉索在塔上竖向锚固间距。

桥梁名称江珠荷麻溪大桥嘉悦大桥西江特大桥主桥陈村特大桥主桥南澳大桥主桥嘉陵江南屏大桥中堂水道主桥斜拉桥设计细则无索区Lg，Lz，Lb 44，22，21 79，41，40.5 32，18，32 32，18，19.8 43，32，23 37，26，30(10)19，26，24 Lg，Lz，Lb/主跨L 0.191，0.096，0.091 0.316，0.164，0.162 0.152，0.0857，0.152 0.147，0.0826，0.091 0.181，0.134，0.097 0.195，0.137，0.158(0.053)0.113，0.155，0.143 0.15～0.2，0.2～0.35，0.1～0.266有索区Ls 60 65 64 68 60 45 52 Ls/L 0.261 0.26 0.305 0.312 0.252 0.237 0.31 Δ梁4544554 Δ塔0.8 1.5 0.8 0.8 1 1.6 0.8矮塔斜拉桥斜拉索可按体外索设计，容许应力可采用0.6倍极限应力，在施工中可一次张拉，不作索力调整。