矮塔斜拉桥索塔设计概述

蒋丽萍

(柳州市市政设计科学研究院,广西柳州 545006)

矮塔斜拉桥亦称部分斜拉桥,是介于传统或常规斜拉桥和连续梁桥之间的一种过渡性桥梁结构。矮塔斜拉桥的主塔较矮,斜拉索较短,为尽可能提高斜拉索的倾角和偏心矩,往往在索塔内设置索鞍,让斜拉索连续通过索塔,将索塔视为斜拉索的转向点。

索塔结构形式、结构高度、索鞍构造、索塔配筋四个方面是索塔设计的重点,本文将从这四个方面进行阐述。

1 索塔的结构形式

斜拉桥索塔设计时应注意赋予象征性意义,并且注意与周边环境和周边桥梁的协调性。

矮塔斜拉桥的索塔形式在横桥向有单柱形、双柱形、三柱形、H形、门形等。在纵桥向,主要是柱形,但也可采用其他形式,如倒 V形等(图 1)。

图1 倒V形

单柱型索塔适用于单索面矮塔斜拉桥,这类矮塔斜拉桥可采用塔梁固结和刚构体系,见图 2。塔梁固结、塔墩分离时,作用在主梁和索塔上的荷载通过塔梁连接处设置在塔梁下的支座传递给下部结构。索塔为单柱型的矮塔斜拉桥抗扭性能由主梁提供,主梁为抗扭刚度大的箱型截面梁,特别是斜置腹板的箱梁。单柱型索塔一般设置在桥面中央分隔带上。我国漳洲战备桥、小西湖大桥、离石高架桥,日本的木曾川桥、楫斐川桥、士狩大桥等均采用单柱型索塔、塔梁固结体系。塔梁墩刚性固结时,塔梁上的荷载通过桥墩直接传到基础中去。我国的同安银湖大桥、日本的新名西桥采用的是单柱型索塔、刚构体系。

图2 单柱型

双柱型、H型、门型索塔适用于双索面矮塔斜拉桥,见图3。双柱型索塔的两个塔柱间无连接构件,在双柱型塔柱之间设置横梁即型成 H型、门型索塔。双柱型、H型、门型索塔既可采用直塔柱、斜塔柱,也可采用折线型塔柱。双柱型、H型、门型索塔的矮塔斜拉桥可采用塔梁固结体系、支承体系、刚构体系。日本的蟹泽桥采用的是双柱型索塔、塔梁固结体系。日本的屋代南桥、屋代北桥、小田原塔港桥、冲原桥、又喜纳大桥、保津桥、三门江大桥等均采用双柱型索塔、刚构体系。日本的友好桥采用的是门型索塔、支承体系。

三柱型索塔适用于双幅四索面矮塔斜拉桥,见图 4。日本的都田川桥采用三柱型索塔、刚构体系。

2 索塔的结构高度

矮塔斜拉桥与传统斜拉桥最直观的区别之一就是前者索塔矮小。也正是由于这种矮小的索塔,使得矮塔斜拉桥具备很多特点。

图3 双柱型

图4 三柱型

矮塔斜拉桥的拉索具有主梁体外索的特征。索对梁提供竖向分力的同时,也对梁提供较大的轴压力,以使梁能承受弯矩,因此索的倾角较小,塔高不需太大。经过对国内外已建矮塔斜拉桥结构的统计分析,矮塔斜拉桥的索塔高度(桥面以上)一般为主跨的 1/12～1/8。

从桥面算起的塔高,矮塔斜拉桥要比斜拉桥低得多,双塔三跨公路斜拉桥的桥塔高跨比一般为 1/5～1/4,铁路斜拉桥为 1/3。作为公路斜拉桥的小田原港桥、冲原桥以及蟹泽大桥的桥塔高跨比为 1/11.5、1/11.2以及 1/7.5,铁路矮塔斜拉桥的屋代南北桥为 1/8.7以及 1/9.0。因此,矮塔斜拉桥的桥塔高跨比一般为 1/12～1/8之间,与悬索桥主缆的垂跨比相当。

主塔高度的增加,主梁的竖向位移和弯矩都减小,塔根弯矩也减小,主塔显得更安全,但拉索应力变幅有一定程度的增长。因此在拉索疲劳不受影响的情况下,可以适当地增大主塔的高度,以改善结构受力。

当主梁刚度较大时,塔的刚度对矮塔斜拉桥特性的影响不大;但当主梁刚度小时,塔的刚度却非常重要。

3 索鞍设计

对矮塔斜拉桥索鞍而言,不仅要具有对斜拉索的抗滑移功能,而且还应具有构造简单、换索施工方便、内外管适应性好、对塔截面产生的劈裂力小等特点。

关于索鞍的设计,在日本多采用类似于冲原大桥的处理方式,即鞍座外管采用 PE管,内管为钢管,出气管从内外管之间引出,并通过U形垫板和楔块卡住内钢管,从而实现斜拉索的抗滑移性能。目前我国较为实用的两种索鞍结构是双套管索鞍结构和分丝管索鞍结构。

3.1 双套管索鞍结构

双套管索鞍结构分为内套管和外套管,见图 5。外套管作预留孔道,拉索整体或单根穿过内套管后灌注高强环氧砂浆,同时在索鞍出口处(塔两侧)用高强环氧砂浆做成抗滑移装置(见图 6),然后对称锚固于主梁上。预埋管和内套管采用铸钢制造,以保证其线形和加工精度。预埋管和内套管采用受力情况最好的圆弧形。

图5 双套管结构示意

图6 索鞍锚固示意

现有双套管索鞍结构无论在设计上还是在施工上都存在着许多不足,主要包括:

(1)索鞍的内套管和外套管、外套管与混凝土之间形成线接触,产生应力集中,有可能因过大的局部应力造成混凝土开裂;

(2)内套管灌浆情况、钢绞线的防腐情况无法检查;

(3)由于组成拉索的各根钢绞线相互叠压在一起,各根钢绞线受力不均匀,可能会导致钢绞线过早疲劳失效,并且难以实现单根调索及更换;

(4)钢绞线通过内套管时容易打绞,施工相当困难;(5)换索工艺复杂,工作量大。

3.2 分丝管索鞍结构

分丝管索鞍结构是由多根平行的导向钢管组焊而成,导向钢管根据梁端锚具孔位来排布,拉索不是整束布置在同一管中,而是拉索中的每一根钢绞线穿过对应的导向钢管,形成分离布置,互不干涉,并承受钢绞线由于单根张拉先后造成相互之间的挤压,见图 7。

图7 分丝管索鞍结构实物

图8 分丝管结构的抗滑锚固示意

分丝管索鞍结构在抗滑锚固设计上的典型做法是在桥塔鞍座出口的两端设置抗滑锚筒,然后灌注特殊配方的高强环氧砂浆。利用环氧砂浆的粘结力以克服两侧拉索索力差形成抗滑力,见图 8。

与双套管索鞍结构相比,分丝管索鞍结构有许多优点,主要包括:

(1)该索鞍下部与混凝土的接触面很宽,不是局部的线接触,不会形成不利的应力集中,很好地解决了索鞍下部应力过大的问题,见表1;

(2)针对内套管灌浆后不易检测的问题,在结构设计上采用分丝管技术,单根无粘结钢绞线在索鞍段采取不剥外包PE的方法,使得防腐效果更好,它的防腐原理等同于拉索自由段;

(3)采用分丝管技术后,单根钢绞线张拉产生的压应力直接传到小钢管上,再分散传递到索鞍的混凝土上,可以实现单根调索和换索;

(4)施工时每根无粘结筋只穿过对应的钢管,不会存在打绞问题,施工非常便利。

4 索塔配筋探讨

索塔索鞍处由于存在拉索作用下的拉应力及局部压应力,其受力较为复杂,容易产生应力集中,造成混凝土破坏。所以索塔应根据受力情况合理配筋。

(1)在拉索端面下缘拐角处采用倒圆角施工,沿拐角处配置凹角隅钢筋,防止此处出现压应力集中而将混凝土压碎,参见图 9。

(2)拉索截面下部 1/4～1/3面积下混凝土具有较大压应力,可在拉索外设置预埋管或配置螺旋箍筋,分散拉索下混凝土应力[2]。

(3)斜拉索圆弧段半径大小将直接影响到拉索表面下混凝土应力的分布。拉索半径越大,拉索表面下混凝土应力分布越均匀,但斜拉索与梁体的夹角越小,斜拉索对竖向荷载的分担率变小。设计合理的斜拉索圆弧段半径,对控制索塔混凝土应力分布与大小及全桥受力性能有重要意义。在施工过程中应对索鞍加工精度以及施工安装定位严格控制。

图9 索塔混凝土拐角处配筋

5 结束语

矮塔斜拉桥是介于连续梁和斜拉桥之间的半柔性桥梁。索塔结构形式、结构高度以及索鞍构造均将影响到主梁、桥梁下部结构形式,本文对索塔设计应涉及到的重点内容进行了分析研究,以便为该桥型的进一步应用提供参考。

[1]周立平.斜拉桥索塔锚固区应力分析[D].长安大学,2005

[2]杨鸿波.E-D桥桥梁结构概念设计 [D].上海:同济大学,2005