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矮塔斜拉桥的结构设计问题探讨

论文作者:农村研究论文
发表时间:2017-2-20

【摘要】矮塔斜拉桥同时具有斜拉桥和梁桥力学行为,且结构受力明确合理、桥型结构美观、桥跨布置合理、施工方便等优点。本文通过对矮塔斜拉桥的桥型特点、受力原理及结构设计要点进行了分析和总结,为同类桥梁设计提供参考。
  【关键词】矮塔斜拉桥;结构设计;探讨
  一、引言
  桥梁设计向大跨、轻型、轻质、美观、环保方向发展,因此,设计师对降低结构自重、结构轻型化及经济指标的要求变得越来越高。1988年,法国工程师Jacgues Mathiv提出了新的桥梁结构形式――矮塔斜拉桥[1]。1994年,日本建成了世界上第一座矮塔斜拉桥――小田原港桥,其跨度为(74+122+74)m,桥面宽13.0m,双塔双索面的固结体系,拉索通过塔顶的鞍座后锚固在主梁上。其后在日本得到迅速发展。我国虽起步稍晚,但发展势头迅猛,并在全国各地广泛采用[1] [2]。
  矮塔斜拉桥的发展过程与混凝土结构的发展相似,混凝土结构从普通钢筋混凝土→预应力混凝土→部分预应力混凝土;桥梁是连续梁→斜拉桥→矮塔斜拉桥,部分预应力混凝土的出现,填补了普通钢筋混凝土与全预应力混凝土之间的空白,同理,矮塔斜拉桥的出现,也填补了刚性桥与柔性桥之间的空白,为桥型方案的选择提供了更广阔的空间。
  二、矮塔斜拉桥的结构设计要点
  2.1、矮塔斜拉桥的受力特性分析
  矮塔斜拉桥是介于具有柔性斜拉桥和刚性梁桥之间的一种过渡性桥梁结构形式,就是一种刚柔相济的新型桥梁,其受力特征及梁高介于两者之间,并在布索、结构尺寸及受力特点等方面与常规斜拉桥有着较大的差别,同时在总体抗力中梁与斜拉索共同作用,其抗力的比例与斜拉索刚度和梁的刚度的比值有关,且塔高较矮,如图1所示。 图1 桥型布置图
  根据以上桥型特点及受力分析可知:连续梁受弯、受剪为主,矮塔斜拉桥的受力特点接近一般预应力混凝土梁桥的体外索,梁受压、受剪,斜拉索受拉;斜拉桥的梁受压,斜拉索受拉,三种桥型方案的最大差别在于主梁的力学行为不同,同时连续梁→矮塔斜拉桥→斜拉桥的主梁承受弯矩逐渐减小,但轴力逐渐增加[1][2]。因此,矮塔斜拉桥既不是梁桥也不是传统的斜拉桥,它是一种斜拉桥和梁桥的协作体系,该体系解决了主梁体内预应力钢束配置效率不高和空间不足的问题,同时降低主梁结构刚度及自重,并充分发挥了斜拉桥不经济或梁桥刚度不够的跨度优势。
  2.2、矮塔斜拉桥的结构特点
  矮塔斜拉桥与斜拉桥的主要区别是斜拉索在塔上的锚固形式,斜拉桥的拉索在塔顶上锚固或张拉,但矮塔斜拉桥一般采用鞍座式,斜拉索在塔顶连续通过,由于摩擦力存在及固定装置,因此拉索在塔顶不能滑动[2][4]。由于主梁将承受较大弯矩,主梁需配置较多的预应力提供其抗弯承载能力,为了充分发挥斜拉索的作用,使斜拉索提供竖向力的同时,对主梁提供较大的轴向压力,因此斜拉索的倾角宜较小,塔高较矮,根据日本的经验,塔高一般为主跨的1/12~1/8。
  矮塔斜拉桥的梁受弯、受压和索受拉,共同承受竖向荷载的特点,主梁与拉索承担抗力的分配比例,若梁体刚大,承载力大,则斜拉索的作用小,反之,梁体较柔,承载力较小,则斜拉索的作用大。因此,矮塔斜拉桥可根据实际情况,合理选择各部尺寸使设计自由空间更大。根据国内外同类桥梁的工程实例及参考文献对矮塔斜拉桥的构造特点综述如下[2][3][4]:
  (1)边主跨比例与连续梁接近,在0.5~0.6左右,其比值与主梁刚度有关,主梁刚度小,则取小值;主梁刚度大则取大值。
  (2)主梁梁高的取值与荷载标准有关,铁路桥约在L/40,公路桥跨中梁高为L/69~L/45,根部梁高为L/39~L/32,同时梁高的高矮还与拉索的用量有关,拉索用越量大,则梁高越小,反之,越大。
  (3)梁上无索区比一般斜拉桥要长,同时,有明显的塔旁无索区段。
  (4)主梁的施工方法更接近于梁桥。
  (5)矮塔斜拉桥的拉索多成扇形布置,拉索集中在塔顶通过。
  (6)斜拉索在梁上宜布置在边跨中及1/3中跨处。
  (7)主梁承受较大的弯矩,截面多采用箱梁。
  (8)主梁材料:混凝土梁、结合梁、混合梁、波形钢腹板梁等。
  2.3、矮塔斜拉桥的应用
  根据塔、梁、墩的联结方式分析,矮塔斜拉桥主要分为三大类:分别为悬浮体系、支座体系(塔墩固结体系、塔梁固结体系)、固结体系[4]。
  悬浮体系是塔墩固结,塔梁分离,由于矮塔斜拉桥梁体自重较大,同时考虑主梁结构的动力和静力性能方面的因素,矮塔斜拉桥一般不采用该体系。
  支座体系:塔墩固结体系是塔墩固结,塔梁分离,主梁支承体系设置在塔墩上,形成多点弹性支承的连续梁;塔梁固结体系是塔、梁固结,且主梁支承塔墩上,同样形成多点弹性支承的连续梁。
  固结体系是梁、塔、墩三者固结,形成多点弹性支承的刚构体系,可免除大型支座及后期支座更换工作,且结构的整体刚度大,主梁挠度较小。因此,该桥型在铁路桥和多塔斜拉桥方面优势明显。
  矮塔斜拉桥由于梁体自重较大,同时考虑主梁结构的动力和静力性能方面的因素,桥跨的选择应在100m~200m之间,若采用组合梁或复合梁,则跨径可达300m。
  结 论
  本文通过对矮塔斜拉桥的发展过程、桥型特点、受力原理及结构设计进行了分析和总结,该桥型同时具有斜拉桥和梁桥力学行为,且结构受力明确合理、桥型美观、桥跨布置合理、施工方便、并有效的填补了梁桥与斜拉桥之间经济跨度空白等优点,同时矮塔斜拉桥在铁路和多塔斜拉桥方面优势明显。因此,矮塔斜拉桥将在我国的桥梁建设中发挥更大的作用。
  参考文献
  [1]王伯惠编著.斜拉桥结构发展和中国经验.[M].北京:人民交通出版社,2003.
  [2] 陈亨锦,王凯,李承根.浅谈部分斜拉桥.[J].桥梁建设2002,(01),44-47
  [3] 竺洁蓉,郭慧乾.部分斜拉桥的设计计算分析研究.[J].辽宁省交通高等专科学校学报,2011,13,3,1-4
  [4] 陈从春.矮塔斜拉桥设计理论核心问题研究. [博士论文].同济大,2005,12
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