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主席： 委员： 乓臻l 站a 工业乎9 疡酪 泣f 午 肥工业大 零才曼 胭工以长g 书摇、 独创性声明 本人声明所廿交的! 学位论文是本人在导师指导卜进行的研究一 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标忠和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金日墨! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或证1 5 而使用过的材料。与我一同丁作 的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 今晶 ， 签字日期： “年够月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒a 曼上些- 人堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部fj 或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金g 墨：些厶 ：i l 可以将学何论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二传) 学位论文者签名： 噙蔽 签字日期：了盯f 年妒月) f 日 学位论文作者毕业斤去向： i ：作单 _ c 7 ：孑己 通讯地址： 翩虢徼嗯 签字日期： 切7 年缈月衫日 电话；| 弓c 。譬r l j 引 邮编： 3 矮塔斜拉桥设计参数及施工方案优化研究 摘要 随着我国桥梁事业的发展，修建了许多大跨度的桥梁，而斜拉桥具有力学性 能好和经济美观的一些优点，已经成为大跨度桥梁的主要桥型之一。矮塔斜拉桥 是近几年来新出现的一种桥型，它是介于连续梁桥和斜拉桥之间的一种桥型。矮 塔斜拉桥受力复杂，施工技术要求高，属于多次超静定结构。 本文首先阐述了矮塔斜拉桥的发展历程和研究现状，结合国内外矮塔斜拉桥 的设计和施工资料，较为系统地分析了矮塔斜拉桥的总体布置、结构特点、受力 特性及其在桥梁工程中的应用前景。 简介矮塔斜拉桥几何非线性分析的基本理论以及影响矮塔斜拉桥几何非线 性的三个主要因素，分别是大位移、斜拉索垂度效应和弯矩与轴力的组合作用， 并且介绍了这三种非线性影响因素的有限元分析方法。 其次，矮塔斜拉桥合拢段的施工是整座桥施工的关键，本文通过对南淝河矮 塔斜拉桥的有限元模拟分析，得出在不同的合拢顺序下全桥的应力及挠度的变化 情况并对施工时的体系转换进行控制，优化明确对结构有利的施工工艺，为同类 型桥梁的设计与施工提供参考。 矮塔斜拉桥初始索力的确定是一个重要但是又比较困难的问题，它会影响到 整个桥的设计。本文介绍了选取合适的目标函数的方法来计算初始索力的方法。 最后介绍了施工控制的方法以及监测的目的和内容。结合矮塔斜拉桥的特 点，阐述了矮塔斜拉桥施工控制以“严格控制主梁线形”为控制原则，以“索力 一次张拉到位 为索力控制方法的合理性。 关键词：矮塔斜拉桥；设计参数；合拢顺序；索力优化；施工控制 s t u d y o nt h ed e s i g np a r a m e t e r sa n dt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do f t h el o wt o w e r c a b l e - s t a y e db r i d g e a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to f0 1 1 1 c o u n t r y st r a n s p o r t a t i o n ，m a n yl a r g e s p a n b r i d g e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e d ，t h ec a b l e s t a y e db r i d g eh a sb e e nu s e da so n eo ft h e m o s tp o p u l a rt y p e sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e si ns t r u c t u r a lb e h a v i o re c o n o m ya n d b e a u t i f u lf a c a d ee t c p a r t i a l l yl o wt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g eh a sb e e nc o n s i d e r e da sa n e wt y p eo fs t r u c t u r ei nr e c e n ty e a r s ，a n di t sb e t w e e nc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e sa n d c a b l e - s t a y e db r i d g e s l o wt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g ei ss t r e s sc o m p l e xa n dr e q u i r e s h i g hc o n s t r u c t i o ns k i l l s a n di t sas t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t es t r u c t u r e i nt h ef i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo ft h es t y l eb r i d g ei sp r e s e n t e d c o m b i n e d w i t ht h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nd a t e so ft h i sk i n do fb r i d g ea l lo v e rt h ew o r l d 1 0 w t o w e rc a b l e s t a y e db r i d g e sm a i nc o n t e n t si n c l u d eo fg l o b a la r r a n g e ，s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c ，s t r e s s e dp r o p e r t ya n di t sa p p l yf o r e g r o u n di nb r i d g ee n g i n e e r i n ga r e d i s c u s s e dr o u n d l y t h eb a s i ct h e o r yo fg e o m e t r i cn o n l i n e a ra n a l y s i sf o rl o wt o w e rc a b l e s t a y e d b r i d g ei si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e nt h r e ep r i n c i p l ef a c t o r st h a ta f f e c tg e o m e t r i c n o n l i n e a r i t yo fl o wt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g e sa r ed e s c r i b e d ，w h i c ha r el a r g e d i s p l a c e m e n t ，c a b l es a ge f f e c t sa n dc o m b i n e de f f e c t so fb e n d i n gm o m e n ta n da x i a l f o r c e ，t h e nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e ds e p a r a t e l y s e c o n d l y ，t h ec o n s t r u c t i o no fc l o s u r eo ft h em a i ng i r d e ri st h ek e yp a r to ft h e m a i nc o n s t r u c t i o nf o rt h ew h o l eb r i d g e u g ht h es i m u l a t i o nt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s so fal o wt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g eb yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tt h ec h a n g eo ft h es t r e s sa n dt h ed e f l e c t i o ni nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o no f t h ec l o s u r eo r d e r , a n dc o n t r o l t h es t r u c t u r es y s t e mt r a n s f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lb e i n s t r u c t i v et ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fb r i d g e so ft h es a m ek i n d t h ed e t e r m i n a t i o no fi n i t i a lc a b l ef o r c e si nal o wt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g ei sa n i m p o r t a n tb u td i f f i c u l tt a s kt h a ta f f e c t st h eo v e r a l ld e s i g no ft h eb r i d g e am e t h o d u t i l i z i n gt h ei d e ao fc h o o s i n ga l lo b j e c t i v ef u n c t i o ni sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sf o rt h e i r d e t e r m i n a t i o n f i n a l l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h e f e a t u r eo fm o d e l i n gt h ep a r t i a l l yl o w t o w e r c a b l e s t a v e db r i d g ec o n s t r u c t i o na n dt h em e t h o do ft h ec o n t r o lo ft h ec o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i s t i n c t i v ef e a t u r eo ft h eb r i d g e ，e l a b o r a t et h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f t h eb r i d g ea c c o r d i n gt ot h eb e a ml i n e a r i t ya n dt h er e a s o n a b i l i t yo ft h ec a b l ef o r c e c o n t r o lm e t h o do f t h ec a b l ef o r c ew a ss t r a i n e do n et i m et og e tt h ei d e a lf o r c e k e y w o r d s ：l o wt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g e ；d e s i g np a r a m e t e r s ；c l o s u r eo r d e r ； o p t i m i z a t i o no f c a b l ef o r c e ；c o n s t r u c tc o n t r o l 致谢 在此论文完成之际，我要感谢在合肥工业大学读研期间所有在生活和学习上 关心和帮助我的老师、同学和朋友。 我要深深感谢悉心指导我的导师王建国教授，从论文开始之前收集资料、完 成开题报告到小论文的改稿和定稿，以及最后大论文的完成，无不凝聚着导师的 心血，他严谨的治学态度，丰富的理论知识和特有的人格魅力在读研的期间都深 深地影响着我，在这两年半的时间内，我不仅学到了知识也学到了许多做人的道 理。在论文完成之际，我要向王老师表示最真诚的谢意，同时也祝王老师一家身 体健康，事事顺利。 感谢父母辛辛苦苦把我抚养长大，在我求学的道路上给予我无微不至的关怀 和坚定不移鼓励，他们是我不断向前的动力。 感谢同届李雪玲、张飞、於亚辉、徐斌、杨军剑、马玉荣，能和你们共同在 王老师的门下读研是我的荣幸。感谢张鸣祥师兄，在开始学习软件的初期，能给 我悉心的指导和帮助，感谢3 0 1 实验室的所有兄弟姐妹，和你们在一起学习科研， 很开心也很轻松，希望这份友谊可以长存。 感谢同班好友刘元璐、和蕊、朱洁，在我需要帮助的时候无条件伸出援助之 手，你们的关怀我永生不忘。 感谢所有在我读研期间帮助过和关心过我的同学、朋友、老师，这里我就不 一一列出了。 感谢合肥工业大学，让我渡过了难忘的研究生生活。 感激之情，溢于言表，只能言尽于此。 目录 第一章绪论1 1 1 矮塔斜拉桥的发展1 1 1 1 矮塔斜拉桥的起源l 1 1 2 矮塔斜拉桥的命名2 1 2 矮塔斜拉桥概述3 1 2 1 矮塔斜拉桥的外形3 1 2 2 矮塔斜拉桥的梁高。3 1 2 3 矮塔斜拉桥的主塔5 1 2 4 矮塔斜拉桥体外索在主塔上的锚固方法6 1 3 矮塔斜拉桥与别的桥型的比较7 1 3 1 矮塔斜拉桥与连续梁桥的比较7 1 3 2 矮塔斜拉桥与一般混凝土斜拉桥的比较8 1 4 矮塔斜拉桥的发展现状9 1 5 本文主要研究的内容：1 3 第二章矮塔斜拉桥结构非线性分析1 4 2 1 斜拉桥几何非线性概况1 4 2 2 斜拉桥静力分析步骤1 4 2 3 有限元分析1 5 2 3 1 索的垂度影响1 5 2 3 2 梁柱效应1 8 2 3 3 大位移效应1 9 2 3 4 几何非线性方法对比1 9 2 4 本章小结。2 0 第三章矮塔斜拉桥全过程索力计算方法2 l 3 1 斜拉索调索概念2 1 3 2 合理成桥索力状态确定2 1 3 3 合理成桥索力常用的方法2 2 3 3 1 刚性支撑连续梁法2 2 3 3 2 弯矩能量最小法2 2 3 3 3 力的平衡法一2 4 3 3 4 拉索用量最小法2 5 3 3 5 影响矩阵法2 5 3 4 合理成桥索力综合方法的比较2 7 3 5 施工阶段初始索力确定方法2 7 3 5 1 倒拆法。2 8 3 5 2 正装倒拆迭代法3 0 3 5 3 正装迭代法3 0 3 5 4 无应力状态法3l 3 6 本章小结3 2 第四章合拢顺序及优化理论在索力计算中的应用3 3 4 1 有限单元法简介3 3 4 1 1 基本思想3 3 4 1 2 总结有限元素法计算步骤：3 3 4 1 3 有限元素法优点：3 3 4 2 模型建立过程3 4 4 2 1 有限元模型的介绍3 6 4 2 2 研究概况j 3 7 4 2 3 计算工况3 7 4 3 合拢工艺控制3 7 4 3 1 边跨合拢3 8 4 3 2 中跨合拢3 8 4 4 模型分析。3 9 4 4 1 理论分析3 9 4 4 2 合拢顺序分析3 9 4 4 3 合拢顺序对应力产生的影响分析4 0 4 5 最优化理论的概述4 l 4 5 1 最优化理论的基本思想4 1 4 5 2 索力优化的基本概念4 1 4 5 3 索力优化的发展状况一4 3 4 5 4 索力分析理论基础4 4 4 6 模型索力优化分析4 4 4 6 1 参数变化。4 4 4 6 2 最大悬臂阶段结果分析4 5 4 6 3 成桥阶段结果分析。4 6 4 6 4 结论4 7 4 7 本章小结4 8 第五章矮塔斜拉桥施工控制4 9 5 1 矮塔斜拉桥施工控制的重要性4 9 5 2 矮塔斜拉桥施工监测的内容4 9 5 2 1 几何变形测量4 9 5 2 2 混凝土应力测量5l 5 2 3 斜拉索索力测量5 l 5 2 4 温度测量5 2 5 2 5 测量应注意的内容5 2 5 3 矮塔斜拉桥施工控制的主要方法5 3 5 3 1 开环控制法5 3 5 3 2 反馈控制法5 3 5 3 3 自适应控制法5 3 5 4 施工控制中应注意的问题5 4 5 4 1 立模标高。5 4 5 4 2 索力测试5 5 5 4 3j 直力测试5 5 5 4 4 应变计的布置5 5 5 4 5 温度影响5 5 5 5 本章小结5 5 第六章结论与展望5 6 6 1 结j 沧5 6 6 2 展望5 7 插图清单 图1 1 斜板型( g a n t e r 桥，瑞士) 1 图1 2 独塔板拉桥1 图1 3 斜拉体外索型( 小田原桥，日本) 2 图1 4 矮塔斜拉桥3 图1 5 矮塔斜拉桥的外形概念图4 图1 6 矮塔斜拉桥的结构概念图一4 图1 7 最大跨度与主梁混凝土平均厚度关系和换算跨度与p s 钢筋量关系4 图1 8 s u n n i b e r gb r i d g e 9 图1 - 9 芜湖长江大桥9 图1 1 0 漳州战备大桥1 0 图1 1 1 厦门同安银湖大桥。1 0 图2 1 静力计算步骤图。1 5 图2 2 拉索受力模拟图16 图2 3占t 一他比值变化图1 8 图2 4 梁单元局部坐标18 图3 1 初张力分析2 1 图3 2 索力模型图2 3 图3 3 求解索力的计算模型2 4 图3 4 倒拆顺序示意图1 2 8 图3 5 倒拆顺序示意图2 2 9 图3 - 6 倒拆顺序示意图3 2 9 图3 7 倒拆顺序示意图4 2 9 图3 8 倒拆顺序示意图5 。2 9 图3 - 9 正装迭代法计算流程图3 1 图4 1m i d a s 操作界面3 4 图4 2 主桥立面图( c m ) 3 4 图4 3 截面布置图( c m ) 3 4 图4 4 矮塔斜拉桥塔梁固结体系3 5 图4 5 有限元计算模型3 6 图4 6 边跨体系转换3 8 图4 7 中跨第一次转换3 8 图4 8中跨第二次转换3 9 图4 9 施工阶段成桥挠度变化图4 0 l 图4 1 0 施工阶段十年后挠度变化图4 0 图4 1 1 一次超静定结构4 2 图4 1 2 等效荷载图4 2 图4 1 3 梁在不同荷载作用下的弯矩图4 2 图4 1 4 梁优化前的弯矩图4 3 图4 1 5 优化后的弯矩图4 3 图4 1 6 南淝河大桥立面图4 5 图4 1 7 主梁最大悬臂阶段竖向位移4 6 图4 1 8 主塔最大悬臂阶段水平位移4 6 图4 1 9 主梁成桥阶段竖向位移4 7 图4 2 0 主塔成桥阶段水平位移4 7 图5 1 控制流程图5 4 表格清单 表1 1 扇型和竖琴型的比较一5 表1 2 体外索主塔顶部锚固方法6 表1 3 连续梁桥与矮塔斜拉桥的比较一7 表1 4 混凝土斜拉桥与矮塔斜拉桥的比较8 表1 5 矮塔斜拉桥概况统计一1 1 表2 1 斜拉桥几何非线性分析方法对比2 0 表3 1 合理成桥索力方法比较2 7 表4 1 施工阶段的划分3 6 表4 2 成桥应力状态4 1 表4 3 索力值4 5 1 1 矮塔斜拉桥的发展 第一章绪论 1 1 1 矮塔斜拉桥的起源 随着现在科技的不断进步以及人们审美观的发展，现在多数国家建造桥梁一 般都要满足以下三个要求：第一，要能在满足受力的情况下，使得梁体越来越轻 薄；第二，就是要在梁式，拱式，索式桥梁之间进行组合，形成一些兼具各种桥 梁优点的组合式桥梁；第三，要和环境相协调，结构要求比例匀称，没有画蛇添 足的多余装饰，有动感和韵律美。其中最常见的就是拱式组合体系桥梁，它是将 梁和拱两种基本的结构组合起来，然后分别发挥梁和拱的优势，让梁受弯，拱受 压，这样还可以节省材料，降低造价。其次斜拉连续( 钢构) 体系也是比较 新颖有特色的，近年来使用的比较多。人们普遍认为由工程师c m e n n 设计，于 1 9 8 0 年竣工的瑞士甘特桥( 英文名：t h eg a n t e r b r i d g e ) 是斜拉连续( 钢构) 体系的先驱( 图1 1 ) 。该桥由具有斜拉索外形的预应力混凝土板悬吊着主梁，其 外形非常特殊，梁高显著降低到2 5 米5 米，主梁为宽1 0 米没有横撑的箱形， 而这种板可以看成是一种斜拉索。 。 图1 - 1 斜板型( g a n t e r 桥，瑞士) 甘特桥的出现，渐渐形成了一种新的体系板拉桥( 图1 2 ) 。板拉桥是在 斜拉桥的基础上演化成的一种新桥型，它用刚性拉板代替柔性拉索，解决了拉索 疲劳问题，提高拉索使用应力，从而节省了材料，也大幅度提高了主梁的刚度。 同时甘特桥也为以后矮塔斜拉桥的出现奠定了一个基础。 图1 2 独塔板拉桥 l 矮塔斜拉桥的概念最早是由法国工程i ) 币j a c g u e sm a t h i v a t 在1 9 8 8 年设计法国 西南的阿勒特达雷高架桥的替代方案时提出的。当时这座桥设计时所用的跨度 有1 0 0 米，采用的体系主要是塔梁固结，截面采用的是箱梁，为预应力等截面形 式，在这座桥的索塔上设置了一定数量的鞍座，斜拉索就是通过这个鞍座再和主 梁连接，这样保证了整个桥梁的安全性。尽管设计得比较好，可是最终该方案还 是没有付诸于行动。有了这样一个设计理念作为基础，德国的桥梁设计师安东 尼诺曼在1 9 9 0 又在该理念的基础上提出了体外预应力索桥的概念，顾名思义， 就是将体外索伸出主梁的部分固定到桥墩上，这样的设计有他独特的优点( 图 l - 3 ) 。这种结构预应力筋的偏心距将随着结构的受力变形而改变，使得偏心距 加大，改善跨中正弯矩和支座负弯矩，从而提高体外预应力筋的使用效率，降低 桥梁的造价。这两种桥的设计方案是十分类似的【1 1 。 图1 - 3 斜拉体外索型( 小田原桥，日本) 1 1 2 矮塔斜拉桥的命名 对于这种既不属于斜拉桥又不属于悬索桥的独特结构，设计界还没有对它进 行统一的命名，国外对它的叫法也各有不同，在法国，这种结构被称为e x t r a d o s e d p cb r i d g e ，翻译成中文就是“超量的预应力混凝土梁桥”；而在美国，它又有另 外一个名字q e x t r a - d o s e dc a b l e s t a y e db r i d g e ，它相对应的中文意思就是“超剂量 斜拉桥 ；在我国最早给这种结构命名的是台湾的设计师，最初根据它结构的受 力叫“外置预应力桥”，然后根据其外形又有了“脊背桥”、“拱背桥”的说法。 在中国大陆，对于这种特殊结构的桥梁命名也比较有争议，严国敏教授给起了“部 分斜拉桥”的名字，主要是根据该种桥型的受力，而徐君兰等学者却认为应该叫 “矮塔斜拉桥”，因为“部分斜拉桥 对它的概括还不够全面，没有考虑到这种 桥型外在的形状。 到现在为止，该种结构的桥梁又在其最初的基础上发展了很多，最主要的就 是主梁的结构，有比较常见的预应力混凝土结构，还有芜湖长江大桥采用的钢结 构，钢和混凝土的混合结构，在这种新桥型的基础上，刚性梁和柔性梁都可以使 用，鉴于这么多主梁都可以运用，如果仅仅是采用美国、法国命名的“超剂量梁 2 桥”或者是中国命名的“部分斜拉桥 、“脊背桥”等等似乎都不那么合适了。 考虑到种种这些情况，“矮塔斜拉桥”名字的出现似乎既可以表现出外形上的特 点又可以弥补结构上命名不准确的缺陷，而相对应的英文名字就为“l o w t o w e r c a b l e s t a y e db r i d g e 【l 】o 图1 4 矮塔斜拉桥 1 2 矮塔斜拉桥概述 1 2 1 矮塔斜拉桥的外形 矮塔斜拉桥在外形上与一般斜拉桥是不同的，主要表现在塔高方面，矮塔斜 拉桥与一般斜拉桥和预应力箱梁桥的外形和结构特点对比参见图1 5 。 1 2 2 矮塔斜拉桥的梁高 矮塔斜拉桥的外部荷载主要是由主梁来承担，而体外索主要靠提供大的偏心 距来改善跨中的正弯矩与支座的负弯矩。一般斜拉桥是一种桥面体系受压，支承 体系受拉的桥梁，而矮塔斜拉桥是以梁的受弯、受压和索的受拉来承受竖向荷载， 其整体刚度主要由梁体提供的桥梁。对于斜拉桥的梁高设计方面，不同类型的斜 拉桥其梁高设计也不相同。一般来说，斜拉桥的梁高设计都要考虑到斜拉桥跨径 的大小，比如预应力箱型梁桥，它的梁高我们一般在设计时采用跨径的1 1 5 1 1 7 之间，而对于矮塔斜拉桥来说，根据梁高在不同的位置所取值的范围也不相 同，一般来说在支座位置取值为跨径的1 3 0 1 3 5 ，而在跨中位置取值为跨径的 1 5 0 - 一1 6 0 。并不是所有的斜拉桥梁高都与跨径有关，一般斜拉桥就是其中的特 例，它的梁高有特定的取值，为2 0 米2 5 米之间，不用考虑跨径的大小。对 于斜拉桥上结构的施工，基本上都采用悬臂浇筑的施工方法。具体可见图卜6 和图1 - 7 。 彩弱 汰 冬要蕊 _ ，_ p _ 一 兹瓤 预应力钢筋混凝土箱梁桥矮塔斜拉桥 一般斜拉桥 扣0 口p r f 一 标志性较低 标志性一般标志性较高 主梁截面较高上下体积感主梁截面较小 桥梁下部感觉较沉重整体块的感觉桥面以上感觉复杂 图1 5 矮塔斜拉桥的外形概念图 体内束 塔高： l s l 4 图1 - 6 矮塔斜拉桥的结构概念图 体外索 塔高： l 1 2 t 8 最大跨度 援算跨度 图1 7 最大跨度与主梁混凝土平均厚度关系和换算跨度与p s 钢筋量关系 ( 换算跨度：三跨桥梁按最大跨度计算，两跨桥梁将跨度乘1 8 倍，按三跨计算) 4 掭 士日肿：竺竺兰至堂警警主要是为了支承主梁的重量，而矮塔斜拉桥的拉索一方面 誓供三水三窒皇竺分力形成偏心弯矩，从而帮助梁体受力，三；谋环荔主力磊茬 用孕_ _ 之面拉索又可以提供竖向分力来抵抗梁体的重力作用。 “。一“ * 拉篓兰矮妻鬈蟹篓弩高的时候，要注意到塔高与周围环境的窃调性，主塔过高 譬彗篓三：警竺苎篓，警样就缺乏了其本身所具有的一些优势：妄并毒磊；晨 竺霎! 到体外索的受力的复杂程度，应尽量将塔高控制在体外索丢另妄瓦某吴翥 范围内。 。”。“。八叫 衄铡圭篓竺篓竺：竺可以选择直立和倒v 字形两种，矮塔斜拉桥通常不会像一 篓嫠挚霎挈鬟苎妻翌设量些横向的联系，因为塔高没有那美；：。夏；岳三最系 耋竺全! 压黧的感耋：导立型的主塔给人的感觉比较简洁明了，但王磊薹蔷弄 擎芸蚕錾：曼丫麓璧塔就避免了这个缺点的存在，但是受另柔磊箱荔； 立型的要复杂，给人的安全感也较低。 “”q “且 古竺竺雪烹雪! 宴堂亭置应根据设计总体构思、受力情况及美学要求等因素确 妻二妻耋星竺! 三鍪基銮形式：辐射型、竖琴型和扇形。由于菇1 ：藁：委芝蒿荔 彗霎苎至要室兰要同，桥熏宽度不同，索塔和主梁的型式不高，”拉；妄孟羞兰篙 ：要苎璧兰煮至和双索要口1 。矮塔斜拉桥一般多采用双面扇菇和聂蔷至；壶妄? 其对比型式见表1 - 1 扇型和竖琴型的比较。 “一7 一曲。 5 1 2 4 矮塔斜拉桥体外索在主塔上的锚固方法 矮塔斜拉桥的特点就在于它的体外索，根据体外索能不能拆卸又可以分为分 离式和贯通式，顾名思义，贯通式就是将索固定在主梁上，由于不能拆卸，这种 方式所使用的索就一定要具有高强的耐损伤能力，以及定时要对索进行维护，这 样才能使桥梁的使用寿命延长。而分离式由于可以拆卸，使用起来也大大方便了 很多，但造价也相对来说较高。 分离式在更换索的过程中，还需要对索进行再次的张拉和锚固，这样才能充 分发挥索的使用价值，所以该种方式下，斜拉桥的主塔的高度和宽度都要较锚固 式的要更高和更宽一些。而贯通式由于只有一次张拉，就不需要加大高度和宽度， 根据一般的设计值进行布索就可以。 贯通式一般在使用时需要在桥墩上安装一定数量的索鞍，这样便于以后对拉 索的位置进行调整，充分发挥索的张力。当然这也有缺点，由于塔两边索鞍的不 对称性，可能会导致左右索力值不相同，所以在实际的施工过程中，要特别注意。 表1 2 体外索主塔顶部锚同方法 贯通锚固式分离锚固式 项目 索鞍锚固锚固装置分离装置连接锚固 锚固 筌| 昼爨忿 方式 需斗垂卜 1 贯通实体1 锚固于中空 布置。截面。 2 在出主塔2 为了抵抗索 1 锚固于中空 处固定左张力引起的 截面。 右张力差。 1 贯通实体布桥面受拉， 2 索张力引起 3 可以减少置。需要用钢材 的锚固位置 索的锚固2 需要验算索或预应力钢 特征截面张力由 长度。锚固位置间 筋加强。 钢梁承担，预 4 因为索的隙引起的扭3 可以减少索 防主塔产生 最小弯曲 矩。 的锚固长 拉力。 半径的限 度。 3 截面稍大。 制，钢束的4 今后检查索 幅度受到锚固位置比 限制。较容易 6 1 , 3 矮塔斜拉桥与别的桥型的比较 1 3 1 矮塔斜拉桥与连续梁桥的比较 矮塔斜拉桥是介于连续梁桥和一般斜拉桥之间的一种桥型，它在受力上更接 近于连续梁桥，而在外型上更接近于一般斜拉桥。 矮塔斜拉桥主要是以梁的受弯、受压还有体外索的受拉来共同作用的，而连 续梁桥的主梁主要是受弯和受剪共同作用的。连续梁桥的轴力为零，但是它在主 墩处的弯矩较大，如要要减少主墩处的弯矩，我们就可以增加连续梁桥的支点从 而主梁的跨径也相对来说减小很多。而矮塔斜拉桥体外索的每个锚固点就相当是 一个弹性支撑，依靠这个弹性支撑来降低整座桥的弯矩，每对体外索又会产生水 平分力，使得桥体处在一个受压的状态下。 矮塔斜拉桥相比于同等条件下的连续梁桥，其主梁承受的弯矩将大大的减 小，但是轴力却相对来说增加了很多。连续梁桥与矮塔斜拉桥主梁均需配置一定 量的预应力钢筋，由于矮塔斜拉桥的体外索除了提供竖向力外还要提供较大的水 平力，为了使得水平力不至于太小，所以矮塔斜拉桥的塔高相对于一般斜拉桥来 说要低很多p j 。 表1 3 连续梁桥与矮塔斜拉桥的比较 ： v ： 项目连续梁桥矮塔斜拉桥 ( 1 ) 连续梁桥构造比较简单，受力 ( 1 ) 可以比连续梁桥的梁高小许多，塔 原理清晰，容易掌握设计；矮塔斜墩处的梁高一般为同等跨径连续梁桥 拉桥尽管受力特性接近于连续梁式的梁高的一半，在跨中及拉索区其梁高 桥，但其构造比较复杂，特别是塔可以比连续梁更小，因此，在一些有通 柱及拉索的锚同设计均较为复杂，行限制的地方如果采用矮塔斜拉桥，选 相比之下，连续梁桥的设计要简单用适当梁高则可以压缩桥梁的建筑高 得多。度，从而减少桥梁全长，一定程度上可 ( 2 ) 连续梁桥的施工技术非常成以降低桥梁的总体投资，从而降低造 熟，施工周期容易控制；矮塔斜拉价。 优点 桥施工相近于斜拉桥的施工，因此( 2 ) 从矮塔斜拉桥梁高设置情况看，如 其施工难度相对较高，施工周期也果塔墩处梁高与连续梁桥的支点梁高 相对较长。相同时，矮塔斜拉桥的跨越能力就要比 ( 3 ) 从国内已建矮塔斜拉桥的情况连续梁桥大一倍以上。 看，虽然其材料要比同跨径的连续( 3 ) 由于桥面上桥塔的装饰作用，矮塔 梁桥要少，但其施工费用均较高，斜拉桥外形要比连续梁桥协调、美观， 因此在一定程度上连续梁桥相对要 可以美化环境，成为地方的标志性建 经济些。筑。 7 l - 3 2 矮塔斜拉桥与一般混凝土斜拉桥的比较 表l - g 混凝十斜拉桥与矮塔斜拉桥的比较 项目 混凝土斜拉桥矮塔斜拉桥 s k a m s u n d e t 桥( 挪威，1 9 9 1 年) ，木曾川桥( 日本，2 0 0 0 年) ，主跨 跨度 主跨5 3 0 m 2 7 5 m 通过索的大偏心布置，给主梁施加 索索支承着加劲梁，产生竖向分力 预应力 承受索支承点间的荷载，辅助作用 承受上部大部分荷载 结构 梁高为2 0 2 5 m ，与桥梁跨度无 梁高为：l 3 0 l 3 5 ( 支座) 主梁太大关系 l 5 0 - l 6 0 ( 跨中) 梁高较低，可以最大限度保证梁下 梁高与跨度有关，一般介于斜拉桥 和梁桥的梁高之间，比一般梁桥的 空间 梁高要低 塔高与桥跨度比：l 3 - - , l 5塔高与桥跨度比：l 8 l 1 5 主塔 主要采用分离锚固主要采用索鞍贯通锚固 因为活荷载引起的应力变化较 因为活荷载引起的应力变化较 大，需要考虑疲劳的影响 小，疲劳的影响较小 设计索应力变化幅度为：5 - - 13k g m m 2 应力变化幅度为：1 5 - 3 8k g m m 2 容许应力：屯= 0 4 容许应力：f f = 0 6 需验算预应力损失中松弛引起的 没有自身张拉应力损失 损失 为了控制主梁的应力，施工中要 施工时调索较困难 调索 索很难通过调索改善主梁应力和位 通过调索，可改善主梁应力和位 移 移 施工 主梁刚度较小，容易变形，需要 主梁刚度较大，不容易变形，施 主梁严密的施工管理 工管理较为容易 支座处为变截面时，施工较为复 主梁高度相同，施工较为方便 杂 主塔主塔较高，费用相对较高 主塔较低，费用相对较低 主梁主梁较小，费用相对较低主梁相对较大，费用相对较高 拉索较多，使用抗疲劳的索，费体外索较少，使用一般预应力钢 费用 索用较高筋，费用较低 主塔较高，施工架设费用较高主塔较低高，施工架设费用较低 主塔较高，使结构重心偏上，考上部结构重心相对较低，基础施 基础 虑耐震，基础施工量较大工量较小，较为经济 8 1 4 矮塔斜拉桥的发展现状 最早提出矮塔斜拉桥这个概念是在法国，但是该种桥型在法国并没有得到很 好的发展，而日本却将这种桥型广泛的推广，并建成了世界上第一座矮塔斜拉桥 小田原港桥( o d a w a r ab l u e w a y ) ，它的跨径是( 7 4 + 1 2 2 + 7 4 ) 米。在接下来的 十年时间里，这种桥型在日本迅速发展，相继建成了屋代南桥，屋代北桥，冲原 桥，蟹浞大桥等矮塔斜拉桥，主跨布置也从最先的1 2 2 m 发展到2 7 5 m ，主梁的 类型也从预应力混凝土梁发展到钢梁与预应力混凝土的组合结构梁。 该种桥型在日本发展之后，很多国家也开始效仿日本，其中瑞士于1 9 9 8 年 在位于阿尔卑斯山下的小镇k l o s t e r s 建立了一座堪称完美的矮塔斜拉桥 s u n n i b e r g 桥( 图1 8 ) ，它的结构型式为五跨连续双索面曲线梁矮塔斜拉桥，总 长为5 2 6 m ，为高墩矮塔搭配组成墩塔，塔高与跨径长之比约在o 1 0 至o 1 5 ，一 般常见的斜拉桥塔高与跨径比约在o 2 5 左右。s u n n i b e r g 桥梁于2 0 0 1 年在马耳他 队b s e 年会上获得该年度卓著结构奖。 图1 8 s u n