矮塔斜拉橋的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及前景展望

吳玲正

(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院有限公司)

1 引言

1.1 矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的提出及首次運用于工程實踐

矮塔斜拉橋這一結(jié)構(gòu)形式最早是由法國的Mathivat教授在1988年提出來的，當時的正式提法為超配量體外索PC橋(Extradosed prestressing concrete bridge)。這一概念的提出直接與法國西南部的Alert Darre高架橋的方案設(shè)計有關(guān)，Mathivat教授采用這一首創(chuàng)的橋梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的橋型成為備選方案，但最終未被采納實施。此后，德國的Antonie Naama教授于1990年提出了組合體外預應(yīng)力索橋的概念，即在主墩墩頂加設(shè)立柱，將永久性體外預應(yīng)力鋼束兩端分別錨固在立柱和主梁上，以分擔主梁受力。從上述描述來看，Antonie Naama教授的提法與Mathivat教授設(shè)計的橋型方案十分接近。隨著這一結(jié)構(gòu)體系不斷被各國學者提出，實橋的出現(xiàn)也日趨進入歷史日程，1994年日本建成了世界上第一座超配量體外索PC橋——小田原港橋。

1.2 矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系早期在我國工程理論界的傳播

小田原港橋的建成立刻引起了全球橋梁工程界的廣泛關(guān)注，我國工程師和學者也對這一新穎橋型產(chǎn)生了極大興趣。鑒于其初始名稱較為拗口，且給人感覺較為模糊，為了便于在國內(nèi)交流和推廣，1995年我國著名橋梁專家嚴國敏先生首次將這一結(jié)構(gòu)類型橋梁稱為“部分斜拉橋”。采用這一名稱是基于橋梁的外觀和拉索的使用效能，首先，此種橋梁有著與斜拉橋相似的外觀，墩、塔、梁、拉索一應(yīng)俱全，但在結(jié)構(gòu)性能上，與斜拉橋相比，其斜拉索僅僅承擔部分荷載，還有部分荷載由主梁承擔，其拉索僅起著部分的作用，因此稱其為“部分斜拉橋”。再后來，國內(nèi)工程界人士根據(jù)此種橋梁外觀的一個顯著特點——塔高較小(與同等跨徑的斜拉橋相比)將其稱為“矮塔斜拉橋”。兩種名稱相比，前者更側(cè)重于結(jié)構(gòu)的受力特點，意義明確;后者盡管欠嚴謹，意義也不甚明確，但直觀性較強，易于為大家所接受，因此流傳得更為廣泛，稱成為主流叫法，前者逐漸成為對后者的一個注解，兩者并行稱謂這一新穎的橋型。

2 矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點

同任何事物一樣，有了上、下限的極端狀態(tài)，中間態(tài)的出現(xiàn)就會成為必然，使上、下限之間有連續(xù)的區(qū)間。將梁橋與斜拉橋相比較，前者的受力主體就是梁體，而后者則是斜拉索，相對前者，在同等跨度條件下，后者的梁體高度顯著減小，剛度亦然?？紤]到斜拉索也是柔性構(gòu)件，因此可以說斜拉橋是柔性結(jié)構(gòu)，梁橋則屬于剛性結(jié)構(gòu)。上世紀90年代，梁橋和斜拉橋無論是在理論上還是在工程實踐上均已發(fā)展成熟，此時，出現(xiàn)一種介于梁橋和斜拉橋之間的半剛半柔橋梁結(jié)構(gòu)成為歷史的必然，以填補兩者優(yōu)勢跨徑之間的區(qū)域，具體地說，主要是200～300m跨徑。從圖可以看出，在同等跨徑條件下，連續(xù)剛構(gòu)(即墩梁固結(jié)的梁式結(jié)構(gòu))的梁高最大，斜拉橋的梁高最小，矮塔斜拉橋則居于二者其間。較之斜拉橋，矮塔斜拉橋的塔柱更矮，截面也更小;斜拉索傾角更緩，沿塔身豎向布置更密。三種橋型幾何外形的不同是由其受力特性不同決定的，在受外部豎向荷載時，梁式結(jié)構(gòu)依單純靠梁體受彎、受剪;矮塔斜拉橋的梁體承受壓、彎、剪的作用，斜拉索受拉;斜拉橋的梁體僅受壓，斜拉索受拉。從連續(xù)梁、部分斜拉橋到斜拉橋，是主梁受力逐步弱化、斜拉索受力逐步強化的轉(zhuǎn)變。正是由于斜拉橋拉索起的作用較之矮塔斜拉橋更強，因此用于錨固拉索的主塔受力也更大，塔柱需要設(shè)置更大的體量。

圖1 三種橋型結(jié)構(gòu)對比圖

(1)從既有工程經(jīng)驗總結(jié)出矮塔斜拉橋特點

①塔高較矮，一般為主跨1/8～1/12。拉索傾角較小，拉索為主梁提供較大的軸向力。并且拉索盡可能密集地通過塔柱的上部區(qū)域，塔上僅設(shè)抗滑錨。

②受力上以梁主，索為輔，梁體高度大約是同等跨徑梁式橋的1/2倍或斜拉橋的2倍。

③梁上無索區(qū)較之一般斜拉橋要長，還有較明顯的塔旁無索區(qū)段。

④邊孔與主孔的跨度比值在0.5～0.6左右，與連續(xù)梁較為接近。

⑤拉索多成扇形布置，且集中在塔頂通過，索鞍鞍座目前普遍采用分絲管結(jié)構(gòu)。

⑥斜拉索在梁上宜布置在邊跨中及1/3中跨處，邊跨沒有斜拉橋的特征構(gòu)件——背索。

(2)矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的分類

矮塔斜拉橋就其結(jié)構(gòu)形式可以分為四大類型:塔梁墩固結(jié)體系;塔梁固結(jié)、簡支于墩頂;塔墩一體、主梁簡支于墩上;塔墩一體、墩梁分離。四種結(jié)構(gòu)體系的示意簡圖見圖2，小田原港橋即為塔梁墩固結(jié)體系橋型，日本蟹澤大橋采用的是塔梁固結(jié)、簡支于墩頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，著名的瑞士太陽山橋則采用了塔墩一體、主梁簡支于墩上的結(jié)構(gòu)形式，塔墩一體、墩梁分離的漂浮結(jié)構(gòu)形式筆者目前還未見到相關(guān)報道。

圖2 矮塔斜拉橋主要4種結(jié)構(gòu)體系簡圖

2.2 矮塔斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀

矮塔斜拉橋發(fā)端于日本，從1994年第一座矮塔斜拉橋——小田原港橋建成至2000年，該種橋型在日本得到了快速的發(fā)展，陸續(xù)建成了幾十座橋，結(jié)構(gòu)類型全面，使設(shè)計和施工技術(shù)趨于成熟。2000年至2005年，日本建造矮塔斜拉橋的速度趨緩，建成橋梁座數(shù)急劇減少，05年以后基本停滯，建設(shè)高潮的轉(zhuǎn)向我國。從2000年我國建成第一座矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋(公鐵兩用橋)及2001年建成第一座純公路矮塔斜拉橋——漳州備戰(zhàn)大橋開始至今，我國已建成上百座該種橋型。在橋型的選擇上，起初以單索面為主，現(xiàn)在雙索面的部分斜拉橋呈逐步增長態(tài)勢，使斜拉索和主塔的景觀效應(yīng)更加顯著。在技術(shù)層面上，由起步階段從國外引進消化吸收到現(xiàn)階段自主創(chuàng)新逐步推進，其中，最主要的創(chuàng)新體現(xiàn)在索塔的錨固體系上，將雙套管索鞍改進為分絲管索鞍，使拉索在主塔上的應(yīng)力集中現(xiàn)象大大減小，提高了索股的耐久性，且后期換索方便很多?？梢哉f，目前我國的矮塔斜拉橋設(shè)計和施工技術(shù)是走在世界前列的，也一直在引領(lǐng)這一發(fā)展趨勢的。

3 矮塔斜拉橋的前景展望

矮塔斜拉橋雖然出現(xiàn)較晚，但由于其剛?cè)嵯酀慕Y(jié)構(gòu)特點，且兼具經(jīng)濟、美觀和施工方便，使其成為200～300m跨徑的優(yōu)勢橋型。鑒于上世紀末至本世紀初我國修建的大量大跨度梁式橋很多都有后期跨中下?lián)蠂乐氐牟『?，而矮塔斜拉橋由于具有斜拉?也即體外預應(yīng)力)，使得其先天具備抵抗這一病害的能力，較之前者耐久性更好，因此在100～200m這一傳統(tǒng)梁式橋的優(yōu)勢跨徑區(qū)具備也較強的競爭力。相對于斜拉橋，其整體剛度更大，因此更適合用于對剛度要求較高的鐵路橋，我國第一座矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋正是公鐵兩用橋。目前，我國高速鐵路呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢，矮塔斜拉橋在高速鐵路橋上的運用還有很大的發(fā)在潛力。較之斜拉橋，矮塔斜拉橋主塔剛度更大，因此更適合設(shè)計成多塔橋梁，在水域較寬但深洪區(qū)較窄的位置，其比斜拉橋更經(jīng)濟、更適合。將波形鋼腹板疊合梁運用到矮塔斜拉橋上，使得其跨越能力大大增加，運用范圍也更加廣闊。

4 結(jié)語

矮塔斜拉橋是一種新穎的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其剛?cè)嵯酀慕Y(jié)構(gòu)特性和索梁配合的受力模式使設(shè)計者有很大的發(fā)揮空間，較之梁橋和斜拉橋，其運用也更加靈活。隨著新技術(shù)和新材料的不斷出現(xiàn)，矮塔斜拉橋也將向著更高的技術(shù)層面發(fā)展，為我國交通事業(yè)發(fā)揮更大的作用。

[1] 嚴國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都:西南交通大學出版社，1995.

[2] 嚴國敏.試談“部分斜拉橋”——日本屋代南橋、屋代北橋、小田原港橋[J].國外橋梁，1996，(1).

[3] 嚴國敏.再論部分斜拉橋，兼論多塔斜拉橋//第十三屆全國橋梁學術(shù)會議論文集[M].上海:同濟大學出版社，1998.

[4] 陳寶春，彭桂翰.部分斜拉橋發(fā)展綜述[J].華東公路，2004，(3).

[5] 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計[J].華東公路，2006.