雙拼式矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張玉恒

（淮安市航道管理處，江蘇 淮安 223001）

雙拼式矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張玉恒

（淮安市航道管理處，江蘇 淮安 223001）

雙拼式矮塔斜拉橋由單索面矮塔斜拉橋雙拼加寬而成的，采取整體設(shè)計(jì)，分期建設(shè)的方式，既可緩解建設(shè)投資壓力，又能滿足交通量增長(zhǎng)需求，對(duì)于改（擴(kuò)）建橋梁工程還能夠減少施工期間對(duì)交通的影響。文章結(jié)合工程實(shí)例對(duì)其結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行探討，供類似工程設(shè)計(jì)與施工參考。

雙拼式矮塔斜拉橋；結(jié)構(gòu)體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；技術(shù)特點(diǎn)

1　概述

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，主要由橋梁的墩臺(tái)、橋塔、主梁、拉索等組成的。作為一種新型的組合體系橋梁結(jié)構(gòu)形式，矮塔斜拉橋兼有斜拉橋和連續(xù)梁橋兩種橋型的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，具有較大的剛度和較低的橋塔高度，橋型美觀，跨越能力大，在100～300 m跨徑范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ臉蛐徒Y(jié)構(gòu)。近十年來，其發(fā)展速度尤為迅猛，在全世界范圍內(nèi)已有近百座矮塔斜拉橋建成，其中有50余座在我國(guó)境內(nèi)［1］。

研究發(fā)現(xiàn)，具有單箱梁結(jié)構(gòu)的單索面矮塔斜拉橋，其單索面位于單箱梁結(jié)構(gòu)的中線上。如果將2座單箱梁結(jié)構(gòu)的單索面矮塔斜拉橋進(jìn)行橫向拼接，即拼接合成后成為一座雙索面矮塔斜拉橋，不僅可以增加橋梁的通行能力，而且可以進(jìn)一步通過優(yōu)化橋塔、主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來降低橋梁建設(shè)成本，適用于一次性整體規(guī)劃設(shè)計(jì)而分期加寬建設(shè)實(shí)施的公路或城市橋梁，或?yàn)槔美蠘蛭桓模〝U(kuò)）建新橋時(shí)提供一種半幅施工半幅通車的建設(shè)方案［2］。

2　雙拼式矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系分析

雙拼式矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)主要由塔、梁、索、橫梁和墩組成，它的總體特點(diǎn)是塔矮、剛度大、索集中布置，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，其成橋狀態(tài)（包括內(nèi)力狀態(tài)和線形狀態(tài)）由結(jié)構(gòu)荷載布置方式、邊界支撐條件、梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力布置及體外斜拉索索力分布共同決定。該類結(jié)構(gòu)橋梁具有斜拉橋和梁式橋的雙重特性，其受力特性在很大程度上取決于四大承載構(gòu)件的剛度，即斜拉索、主塔、主梁及橫梁的剛度，或者更確切地說，其受力特性主要取決于四大承載構(gòu)件的相對(duì)剛度。

雙拼式矮塔斜拉橋以梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載。斜拉索的豎向荷載承擔(dān)率不超過30%或斜拉索在活載作用下的應(yīng)力變化幅度不超過50 MPa。雙拼式矮塔斜拉橋的拉索更象體外預(yù)應(yīng)力，它的主要承重結(jié)構(gòu)是主梁，拉索只起輔助作用。當(dāng)采用單索面時(shí)，拉索對(duì)主梁抗扭不起作用，主梁應(yīng)采用抗扭剛度較大的截面；當(dāng)采用雙索面時(shí)，作用于橋梁上的扭矩可由拉索的軸力來抵抗，主梁可采用較小抗扭剛度的截面。

3　雙拼式矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙拼式矮塔斜拉橋由并排設(shè)置的2座獨(dú)立的單索面矮塔斜拉橋，通過橫梁進(jìn)行雙拼而從結(jié)構(gòu)上連接成整體。單索面矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)、塔墩分離體系，在塔與梁下面的墩頂設(shè)置盆式支座，選用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁或鋼箱梁。2座單索面矮塔斜拉橋之間采用鋼筋混凝土橫梁剛性連接（也可采取預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁作為橫梁剛性連接），即在2個(gè)單索面矮塔斜拉橋的箱梁之間增設(shè)橫梁，與斜拉索所拉箱梁內(nèi)的橫隔板（梁）、墩頂橫梁、端橫梁剛性連接。橋面寬度用兩箱梁間增設(shè)的橫梁的長(zhǎng)短來調(diào)節(jié)，可以做成雙索面寬幅矮塔斜拉橋。橋梁的樁基礎(chǔ)、墩臺(tái)及墩臺(tái)頂?shù)呐枋街ё呻p索面（寬幅）矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)來總體控制設(shè)計(jì)或選型，分期（或分幅）建設(shè)實(shí)施。

（1）主梁

主梁采用雙箱梁加橫梁組合體系的整體式斷面，采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁或鋼箱梁。箱梁宜采用單箱雙室或單箱三室結(jié)構(gòu)，且斜拉索索面位于單箱梁的中心線上。主梁梁底線形宜選用2次拋物線，當(dāng)跨徑大于200 m時(shí)主梁底線形宜選用1.8次拋物線。

（2）橫梁

根據(jù)雙拼式矮塔斜拉橋的橋?qū)捄椭髁旱慕Y(jié)構(gòu)材料，可以選用鋼筋混凝土橫梁、預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁和鋼橫梁。

①采用預(yù)制安裝鋼筋混凝土橫梁，吊?，F(xiàn)澆其濕接頭，并對(duì)濕接頭混凝土采取早強(qiáng)措施或者吊模現(xiàn)澆鋼筋混凝土橫梁。鋼筋混凝土橫梁可以與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸澆施工同步懸澆或懸拼，亦可待預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸澆合龍后進(jìn)行懸澆或懸拼。

②采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，并與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸澆施工同步懸澆，然后再對(duì)其施加橫向預(yù)應(yīng)力。

③采用鋼橫梁，并與鋼箱梁懸拼施工同步拼裝。（3）橋面板

可以根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況選擇預(yù)制拼裝橋面板或者整體現(xiàn)澆橋面板。

（4）墩臺(tái)

雙拼式矮塔斜拉橋的墩臺(tái)宜在雙箱梁下面對(duì)應(yīng)地設(shè)置分離式墩臺(tái)及其群樁基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2座單索面矮塔斜拉橋之間采用剛性連接進(jìn)行拼接后，單索面矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為雙索面矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，雙索面之間的主梁由空間雙懸臂結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)變成了空間梁格結(jié)構(gòu)受力體系。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)受力體系轉(zhuǎn)換前后的主梁受力狀態(tài)及其受力大小，擬定主梁各部位尺寸并對(duì)其進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

（1）斜拉索索力計(jì)算

根據(jù)雙拼式矮塔斜拉橋主梁受力為主的特點(diǎn)，考慮計(jì)算簡(jiǎn)便，可按以下步驟確定斜拉索索力。①按構(gòu)造布置索位；②通過初定總索力豎向承擔(dān)力不超過恒載的30%，確定單根索的股數(shù)；③建模計(jì)算。根據(jù)最大索應(yīng)力、應(yīng)力幅、梁受力適當(dāng)調(diào)整單根索股數(shù)，在充分發(fā)揮梁作用的前提下，體現(xiàn)索的幫扶作用。

（2）計(jì)算模型選擇［3-4］

雙拼式矮塔斜拉橋的橋面較寬，雙索面寬幅矮塔斜拉橋空間受力效應(yīng)明顯，不宜按單梁法計(jì)算。而按空間有限元計(jì)算又過于繁瑣，為了能夠兼顧分析橫隔梁受力，宜按梁格法建模進(jìn)行總體受力計(jì)算，既簡(jiǎn)便又不失精度。

3.3 實(shí)施步驟

（1）按照雙拼式矮塔斜拉橋方案，即雙索面寬幅矮塔斜拉橋一次性整體規(guī)劃并設(shè)計(jì)擬新（改）建公路（或城市）橋梁；

（2）對(duì)于新建橋梁工程，先實(shí)施雙拼式矮塔斜拉橋的半幅橋梁中的單索面矮塔斜拉橋，采用單箱三室（或多室）箱梁、掛藍(lán)懸澆法或預(yù)制懸拼法施工，雙拼式矮塔斜拉橋的另外半幅橋梁根據(jù)交通量增長(zhǎng)等需要分期建設(shè)實(shí)施；

（3）對(duì)于老橋改擴(kuò)建工程，先在老橋一側(cè)實(shí)施雙拼式矮塔斜拉橋的半幅橋梁中的單索面矮塔斜拉橋，采用單箱三室（或多室）箱梁、掛藍(lán)懸澆法或預(yù)制懸拼法施工，待其成橋開放交通后再拆除老橋；

（4）依據(jù)拓寬橋梁的需要，拓寬實(shí)施雙拼式矮塔斜拉橋的另半幅橋梁中的單索面矮塔斜拉橋，同樣采用單箱三室（或多室）箱梁、掛藍(lán)懸澆法或預(yù)制懸拼法施工；

（5）在兩箱梁之間實(shí)施連接橫梁，采用吊架現(xiàn)澆法或預(yù)制安裝法施工，完成由單索面矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)向雙索面（寬幅）矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的橋梁結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換；

（6）在已完成的連接橫梁上采用承托模板現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板、調(diào)平層并鋪筑橋面，將分期實(shí)施的2座單索面矮塔斜拉橋拼成一座雙索面（寬幅）矮塔斜拉橋。

4　工程案例

4.1 江蘇省丹陽市齊梁路京杭運(yùn)河大橋［5］

江蘇省丹陽市齊梁路京杭運(yùn)河大橋，主橋?yàn)椋?0+120+70）m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，總體采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的形式，主梁采用雙箱梁加橫梁組合體系，橋面全寬43 m，采用整體式斷面，主塔（即拉索區(qū)）設(shè)于側(cè)分帶，塔中間為雙向6車道，塔外側(cè)為非機(jī)動(dòng)車道和人行道。其主橋橫斷面布置圖如圖1所示，于2014-12主體建成。

圖1　江蘇省丹陽市齊梁路京杭運(yùn)河大橋主橋橫斷面圖（單位：cm）

4.2 江蘇省淮安市西繞城公路京杭運(yùn)河特大橋拓寬工程［6］

205國(guó)道江蘇省淮安市西繞城公路京杭運(yùn)河特大橋橫跨淮安市區(qū)里運(yùn)河和京杭大運(yùn)河，橋長(zhǎng)1 207.53 m，橋?qū)?6 m，按雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主橋結(jié)構(gòu)為單索面矮塔斜拉橋，主跨175 m，主塔高32 m。

以205國(guó)道江蘇省淮安市西繞城公路京杭運(yùn)河特大橋進(jìn)行雙拼為例，雙塔中間設(shè)雙向8車道，雙塔外側(cè)設(shè)慢車道和人行道，則其雙拼式寬幅矮塔斜拉橋的橫斷面組成為：欄桿0.50 m+人行道5.00 m+慢車道7.50 m+側(cè)分帶2.50 m+快車道12.50 m+快速公交道BRT8.00 m+快車道12.50 m+側(cè)分帶2.50 m+慢車道7.50 m+人行道5.00 m+欄桿0.50 m，橋面總寬達(dá)64.00 m。雙拼加寬后的205國(guó)道江蘇省淮安市西繞城公路京杭運(yùn)河特大橋的橫斷面圖如圖2所示。

4.3 江蘇省淮安市武黃線京杭運(yùn)河大橋［7］

江蘇省淮安市武黃線京杭運(yùn)河黃碼大橋，位于武黃線終點(diǎn)處，于1992年建成通車，橋梁跨越京杭運(yùn)河。老橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋，主孔跨徑40 m，T形剛構(gòu)掛梁及引橋均為20 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。橋梁全長(zhǎng)320 m，全寬11.5 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)。主橋在汽車荷載作用下豎向變形較大，行車舒適度較差，且主孔跨徑較小，過往船只經(jīng)常碰撞橋墩，存在較大安全隱患。經(jīng)檢測(cè)，該橋被評(píng)定為四類橋，必須進(jìn)行改建。

圖2　雙拼式矮塔斜拉橋橫斷面布置圖

該橋改建方案設(shè)計(jì)時(shí)，建設(shè)單位曾經(jīng)推薦的主橋比選方案之一是采用（85+145+85）m的雙索面寬幅矮塔斜拉橋，可由2座單索面矮塔斜拉橋進(jìn)行雙拼加寬而成。將老橋改（擴(kuò)）建成雙拼式矮塔斜拉橋，其施工方法是先在老橋一側(cè)建設(shè)一座單索面矮塔斜拉橋作為新橋的半幅，先行使用，再拆除老橋后建設(shè)另一座單索面矮塔斜拉橋作為新橋的另半幅，最后將2座單索面矮塔斜拉橋拼接成為雙索面寬幅的雙拼式矮塔斜拉橋。此比選方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是采取整體設(shè)計(jì)，分期建設(shè)，對(duì)于改（擴(kuò)）建老橋能夠滿足施工期間不中斷交通的需求，同時(shí)節(jié)省施工期間便橋通行費(fèi)用。

4.4 江蘇省淮安市淮陰區(qū)承德北路改造工程鹽河大橋［8］

江蘇省淮安市淮陰區(qū)承德北路改造工程鹽河大橋，主橋?yàn)椋?0+105+60）m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，總體采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的形式，主梁采用雙箱梁加橫梁組合體系，橋面全寬32.5 m，采用整體式斷面，主塔（即拉索區(qū)）設(shè)于側(cè)分帶，塔中間為雙向6車道，塔外側(cè)為人行道。其主橋橫斷面布置圖如圖3所示，該橋已于2014-12完成施工圖設(shè)計(jì)。

5　技術(shù)特點(diǎn)

（1）整體設(shè)計(jì)，分期（分幅）實(shí)施。適用于一次性整體規(guī)劃設(shè)計(jì)而分期建設(shè)實(shí)施的公路（或城市）橋梁，可緩解一次性建設(shè)的投資壓力，并滿足交通量增長(zhǎng)的需求；對(duì)于老橋改擴(kuò)建工程，可節(jié)省搭設(shè)臨時(shí)便橋的費(fèi)用，并滿足施工期間半幅施工半幅通行而不中斷交通的需求。

（2）布跨靈活，結(jié)構(gòu)合理。主跨可在100～200 m選擇，甚至可以選擇更大跨徑；可布設(shè)單塔雙跨、雙塔三跨或多塔多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋梁，該類結(jié)構(gòu)具有橋塔矮、主梁矮、跨徑大、橋面寬、分期（幅）建等顯著特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力合理。

圖3　江蘇省淮安市鹽河大橋主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

（3）以單（單索面矮塔斜拉橋）拼雙（雙索面矮塔斜拉橋），施工方便。主梁之箱梁和兩箱梁之間的橫梁可采用吊架現(xiàn)澆法或采用預(yù)制拼接法施工，工藝成熟，成橋便捷。

（4）橋型美觀，經(jīng)濟(jì)性好。雙拼式矮塔斜拉橋造型簡(jiǎn)潔流暢、橋面視野開闊、橋型輕巧美觀，該類較大跨徑橋梁的造價(jià)低于掛籃懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋、斜拉橋和懸索橋。

6 結(jié)語

雙拼式矮塔斜拉橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，為大型寬幅橋梁建設(shè)提供了一種有效的技術(shù)途徑。該橋型不僅可以一次性全幅整體建設(shè)，還可以分幅分期建設(shè)，適用于新建或改建的公路或城市橋梁工程。對(duì)于寬幅橋梁設(shè)計(jì)方案選型、緩解建設(shè)投資壓力、滿足交通量增長(zhǎng)需求、保障改（擴(kuò)）建老橋施工期的交通不被中斷有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

［1］施文杰.矮塔斜拉橋在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與實(shí)踐［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2012（3）：22-25.

［2］陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］趙俊偉.雙索面寬幅矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)研究［D］.南寧：廣西大學(xué)2008.

［4］胡安林.拉索斷落對(duì)某矮塔斜拉橋力學(xué)特性影響分析［J］.公路交通技術(shù)，2014（5）：91-95.

［5］楊曙嵐.寬幅矮塔斜拉橋抗震分析與設(shè)計(jì)［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2012（12）：257-261.

［6］江蘇省淮安市公路管理處.205國(guó)道江蘇省淮安市西繞城公路京杭運(yùn)河特大橋施工圖設(shè)計(jì)［R］. 2011.

［7］江蘇省淮安市公路管理處.江蘇省淮安市武黃線京杭運(yùn)河大橋方案設(shè)計(jì)［R］. 2012.

［8］江蘇省淮安市淮陰區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局.淮陰區(qū)承德北路改造工程鹽河大橋施工圖設(shè)計(jì)［R］. 2014.

Structure Design and Analysis for Double Low Tower Cable-stayed Bridge

Zhang Yuheng
（Huaian Channel Management Office， Huaian 223001，China）

Double Low tower cable-stayed bridge is composed by widening low tower cable-stayed bridge with single cable plane. By means of overall design and installment construction， the pressure of the construction investment is alleviated， the requirement of traffic growth is satified， and the influence of construction on traffic is reduced for reconstruction project. Combining with engineering examples， this paper introduces the structure design and constructure of double Low tower cable-stayed bridge， which could be taken as reference for constructure and design of similay projects.

double low tower cable-stayed bridge; structure system; structure design; technical characteristic

U448.27

B

1672–9889（2015）05–0058–04

張玉恒（1961-），男，江蘇徐州人，高級(jí)工程師，主要從事公路、航道工程管理及其施工研究工作。

（2014-11-25）