矮塔斜拉桥的概念及特点-典尚设计

1、EXTRADOSED BRIDGE系列介绍-1矮塔斜拉桥的概念和特点1. 简 介2.矮塔斜拉桥的概念3.矮塔斜拉桥的特点4.矮塔斜拉桥与一般斜拉桥的比较矮塔斜拉桥的概念和特点1.简 介随着PSC桥梁的设计向着大跨发展，设计上越来越注重自重的减少、主梁的轻型化、施工性能和经济性能的提高、管理水准的提高，桥梁形式与外观上注重与周边环境的谐调，注重建设具有城市标志性特征的桥梁。但是出于安全性方面的考虑，长期以来设计偏向择经验上安全可靠且经济性能较好的已有的桥梁形式，这样必然术在国内的应用和发展。了新型桥梁形式和新技一般在100m以下的中桥采用预应力箱梁结构形式的较多，200m以上采用一般斜拉桥形式的

2、较为普遍，在100m200m跨度的桥梁上钢筋混凝土桥梁相关实例较少，因为城市标志性或景观的要求，过去大多选用了一般斜拉桥的结构形式，而没有考虑到经济性及下部施工费用的增大等问题。考虑到经济性、施工性，对100m200m跨度的桥梁采用介于预应力箱和一般斜拉桥之间桥梁形式比较合适，从而导入了兼有式。和斜拉桥优点的矮塔斜拉桥(EXTRADOSED PSC Bridge)形图 1. 矮塔斜拉桥预应力箱梁的预应力钢筋的偏心量被局限在箱梁截面以内，所以当跨度较大时，截面高度和结构自重会随之增加，而矮塔斜拉桥相当于将预应力钢筋布置在箱梁有效高度以外，相对于一般预应力箱，其自重和预应力钢筋数量都较小。另一方面

3、与一般斜拉桥相比，各索之间应力变化较小，可显著降低索塔高度。 所以说从经济性和性能来说矮塔斜拉桥比较适合于100m200m 跨度的桥梁中，是一种新型的桥梁形式。2.矮塔斜拉桥的概念2.1体外EXTRADOSED的意思是“体外加强”，是1988年由法国的Jacques Mathivat体外的桥梁形式。从前的钢筋混凝土预应力梁和箱梁大部分采用体内束方式，随着技术的进步和材料的发展，设计开始寻找可以减轻上部结构重量、延长桥梁跨度的新的技术和桥梁形式，将钢束转移到体外的大偏心索桥就是其中一种。大偏心索桥的使用是为了改善跨中正弯矩和支座负弯矩，一般箱因为施工性、地形、景观等限制偏心梁的设置受到了很大限制

4、，而大偏心索桥可以较地设置偏心量。大偏心索桥根据主梁和的功能分为以下三种。1) 主梁依赖型恒荷载主要由加劲梁承担，体外索主要负担使用荷载。设计荷载引起的索力变化比较小的一般体外索桥和塔突出桥面较小的大偏心索桥属于这种类型。2)依赖型恒荷载和使用荷载主要由承担的斜拉桥属于这种类型。3) 主梁与协同型恒荷载和使用荷载由和主梁共同承担的索塔墩突出桥面一定程度的大偏心斜拉桥，即矮塔斜拉桥属于这种类型，又称为大偏心索桥。2.2 矮塔斜拉桥的外形矮塔斜拉桥依靠在索塔上设置的变向装置(Deviator)转换相邻跨体外索的方向，与一般斜拉桥和预应力箱的外形和结构特点对比参见图2和图3。标志性较低标志性一般标志

5、性较高主梁截面较高上积感主梁截面较小桥部感觉较沉重整体块的感觉桥面以上感觉复杂预应力钢筋混凝土箱矮塔斜拉桥一般斜拉桥图2.矮塔斜拉桥的外形概念图:L/16L/4:L/80L/100:L/35L/55图3.矮塔斜拉桥的结构概念图体内束体外索2.3 矮塔斜拉桥的分类矮塔斜拉桥根据体外索是否用钢筋混凝土可分为斜板型(参见图4)和斜拉体外索型(参见图5)。世界最早的矮塔斜拉桥是的Ganter桥，是斜板型矮塔斜拉桥,最早的矮塔斜拉桥原桥是斜拉体外索型。斜板桥有较多的工程实例，斜有更高的安全度，结构和防震性能均较好，但同时因为自重的增加引起时惯性力的增大，收缩和的反应也变得复杂，且无法更换预应力钢筋，所以

6、这种桥梁有逐渐减少的趋势。图 4. 斜板型(Ganter桥，)图 5. 斜拉体外索型(原桥，)3. 矮塔斜拉桥的特点3.1矮塔斜拉桥是由主梁承受主要外部荷载，体外索引起大偏心弯矩从而改善结构性能的桥梁形式，与主梁支承在上，主梁只需具有最小刚度即可的一般斜拉桥不同。一般斜拉桥的梁高与桥梁跨度无关，2.02.5m，一般预应力箱的为L/15L/17，而矮塔斜拉桥基本上介于一般预应力箱的在支座位置为L/30L/35、跨中位置为L/50L/60，与矮塔斜拉桥的之间(参见图65和图76)。因此在施工上部结构时，基本上可采用一般的悬臂法施工方案。图 6. 最大跨度与主梁混凝土平均厚度关系图 6. 换算跨度与

7、PS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，按三跨计算决定和桥形时，要考虑桥梁整体的轻巧自然，力传递的顺畅，突出矮塔斜拉桥的特点。3.2 主塔矮塔斜拉桥主塔的高跨比(主塔高度/中间跨长)为1/81/12，比一般斜拉桥的1/5要小。因为斜拉桥的是为了支承主梁，而矮塔斜拉桥的体外索是为了提高有效偏心置，所以矮塔斜拉桥的主塔高度要很高。与一般斜拉桥相比矮塔斜拉桥的主塔高度的点下1) 因为体外力的分力较小，荷载用外索的应力变化相对一般斜拉桥要小，所以受的较小。另外因为主塔的力相对较小，所以设置的梁。有梁，在的时在上部间。2)3)4)主塔化提高了施工性，可以减体外索的间

8、。体外时度较小，于。主塔轻型化提高了性能。设计主塔时意性意，意与和桥梁的性。主塔于斜拉桥，桥梁形式的新仆，减了力亪桥的。 另外，主塔高度到体外索布置的程度和桥梁上部间的开性，应将主塔高度制在体外化大的内。力变主塔形一般可设计V型。可以一般斜拉桥在主塔亦部设置梁，为了减桥梁上部间下的，一般可设置梁。形的主塔可以人、的，上部间的开性V形的开性较，较人的相对较低。3.3 体外索的应力变化和安全度虽然矮塔斜拉桥与一般斜拉桥均使用体外索，但体外索的安全度却分别为1.67(0.6fpu)和2.5(0.4fpu)，相差较大。矮塔斜拉桥的安全度与一般的预应力钢筋相同，但一般斜拉桥考虑到恒荷载与活荷载的比值、活

9、荷载作用下的应力变化、次应力的影响以及应力的不均匀性等,需要提高设计安全度。一般来说，矮塔斜拉桥与一般斜拉桥相比，活荷载引起的体外索的应力变化较小。体外索的应力变化受主梁的刚度、边界条件以及主塔高度的影响。矮塔斜拉桥因为主塔高度较低，体外索的竖向伸长量较小，主梁的刚度又较大，体外索负担的外部荷载相对较少，所以体外索的应力变化较小。根据对已建矮塔斜拉桥的，矮塔斜拉桥的体外索的竖向分配律 (体外索承担的荷载/所有竖向荷载)约为30%，应力变化幅度约为5kg/mm2 。该变化幅度小于CEB-FIP建议的8kg/mm2，也小于文献中建议的7kg/mm2，所以可以使用一般预应力钢筋的容许应力标准0.6f

10、pu。与疲劳应力变化幅度较大的一般斜拉桥的率较高。的容许应力为0.4fpu相比，矮塔斜拉桥体外索的应用效以次为依据，提出了判断体外索容许应力的公式(参见图7)，该公式满足目前已运行的一般斜拉桥的的安全度，同样也适合与矮塔斜拉桥。图 7. 体外索安全度3.4 体外索的布置体外索的布置由侧面形状可分为辐射型、扇型、竖琴型，根据体外索支承面分为单面和双面。矮塔斜拉桥一般使。面扇形或双面竖琴型形式的较为普遍。两种布置类型的比较参见 扇型和竖琴型的比较项 目扇 型竖 琴 型形状景观评价景观效果好主塔较低时，不能充分体现视觉效果一般斜拉桥较为有效的形式体外索平行，形式简洁力的传递给人感觉较为安全体外索形成

11、面的感觉，比较新颖结构评价体外索的合力点较高，预应力效果好主梁上产生的轴力较小体外长对于竖向荷载，刚度较大体外索合力点较低，预应力效果相对于扇型较差主梁上产生的轴力较小体外索在主塔上锚固较容易3.5 体外索在主塔上的锚固方法体外索在主塔上的锚固方法分为分离锚固方式和贯通锚固方式，按能否替换分为可替换和不可替换的方式。使用不可替换的方式时要使用抗损伤能力强和耐久性强的材料，并且需要细致的管理，因此使用可替换方式的体外为普遍。分离锚固方式当采用可替换体外索方式时，为了保证锚固区域、再、替换体外索等作业的空间，一般需要加高主塔高度或加宽宽度，但如果使用不可替换方式且在主梁处进行作业时，不需要太大的作

12、业空间，可以布置成与贯通锚固方式同样的形状。贯通锚固方式一般使用于使用(Saddle)的钢筋混凝土桥墩，因为可以根据混凝土承载能力调整的布置，所以可以充分发挥力的效果。使用可以提高主塔的施工性，有利于到保证大偏心，但因为左右张力的差异，需要考虑作业空间和特殊措施。可能会移动，当采用可替换的体外索时， 体外索主塔顶部锚固方法项 目贯通锚固方式分离锚固方式锚固装置分离装置连接锚固锚固方式特征贯通实体布置在出主塔处固定左右张力差可以减少索的锚固长度因为索的最小弯曲半径的限制，钢束的幅度受到限制贯通实体布置需要验算固位置间隙引起的扭矩锚固于中空截面为了抵抗 力引起的街面受 拉，需要用钢材或预应力钢筋加

13、强。可以减少索的锚固长度今后检查 固位置比较容易锚固于中空截面力引起的锚固位置截面张力由钢梁承担，预防主塔产生拉 力。截面稍大3.6 体外索的体外索方法采用的是用，在体外索和之间。为一置的有、以等。使用时，为了，要因为与会发化应，使索发性 ，所以使用，能用。为置的一般有、 以等。一般来说，到工程、施工性、经济性等，使用以的方法是较为的方法。在较重的下，一般会在前索的、为提高性用。使用种方式，索的性由一置定，到会有的，量应采用可以索的置。4. 矮塔斜拉桥与混凝土斜拉桥的比较前所，将矮塔斜拉桥的特点以与钢筋混凝土斜拉桥的比较结。矮塔斜拉桥与钢筋混凝土斜拉桥的比较 由SK设()土技术提料亩混凝土斜拉

14、桥矮塔斜拉桥结构大跨度Skarnsundet桥(，1991年)，主跨 530m(，2000年)，主跨 275m索索支承着加劲梁，分力索的大偏心布置，主梁施加预应力主梁承受索支承点间的荷载，用为2.02.5m，与桥梁跨度大低，可以大限度间承受上部大部分荷载为: L/30L/35(支座) L/50L/60(跨中)与跨度有，一般于斜拉桥和的之间，比一般的要低主塔塔高与桥跨度比: L/3L/5主要采用分塔高与桥跨度比: L/8L/15主要采用设计索因为荷载引起的应力变化较大，要的应力变化度为: 513 kg/mm2应力:= 0.4 fpu有自应力因为荷载引起的应力变化较小，的较小应力变化度为: 1.53.8 kg/mm2应力:= 0.6 fpu傼预应力中引起的施工索为了制主梁的应力，施工中要索索，可改善主梁应力和