双拼式矮塔斜拉桥结构设计与分析

张玉恒

（淮安市航道管理处，江苏 淮安 223001）

双拼式矮塔斜拉桥结构设计与分析

张玉恒

（淮安市航道管理处，江苏 淮安 223001）

双拼式矮塔斜拉桥由单索面矮塔斜拉桥双拼加宽而成的，采取整体设计，分期建设的方式，既可缓解建设投资压力，又能满足交通量增长需求，对于改（扩）建桥梁工程还能够减少施工期间对交通的影响。文章结合工程实例对其结构体系设计与施工进行探讨，供类似工程设计与施工参考。

双拼式矮塔斜拉桥；结构体系；结构设计；技术特点

1　概述

矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥，主要由桥梁的墩台、桥塔、主梁、拉索等组成的。作为一种新型的组合体系桥梁结构形式，矮塔斜拉桥兼有斜拉桥和连续梁桥两种桥型的结构优点，具有较大的刚度和较低的桥塔高度，桥型美观，跨越能力大，在100～300 m跨径范围内具有很强的竞争力，是一种很有发展潜力的桥型结构。近十年来，其发展速度尤为迅猛，在全世界范围内已有近百座矮塔斜拉桥建成，其中有50余座在我国境内［1］。

研究发现，具有单箱梁结构的单索面矮塔斜拉桥，其单索面位于单箱梁结构的中线上。如果将2座单箱梁结构的单索面矮塔斜拉桥进行横向拼接，即拼接合成后成为一座双索面矮塔斜拉桥，不仅可以增加桥梁的通行能力，而且可以进一步通过优化桥塔、主梁的结构设计来降低桥梁建设成本，适用于一次性整体规划设计而分期加宽建设实施的公路或城市桥梁，或为利用老桥位改（扩）建新桥时提供一种半幅施工半幅通车的建设方案［2］。

2　双拼式矮塔斜拉桥结构体系分析

双拼式矮塔斜拉桥的结构主要由塔、梁、索、横梁和墩组成，它的总体特点是塔矮、刚度大、索集中布置，属于高次超静定结构，其成桥状态（包括内力状态和线形状态）由结构荷载布置方式、边界支撑条件、梁体内预应力布置及体外斜拉索索力分布共同决定。该类结构桥梁具有斜拉桥和梁式桥的双重特性，其受力特性在很大程度上取决于四大承载构件的刚度，即斜拉索、主塔、主梁及横梁的刚度，或者更确切地说，其受力特性主要取决于四大承载构件的相对刚度。

双拼式矮塔斜拉桥以梁的受弯、受压和索的受拉来承受竖向荷载。斜拉索的竖向荷载承担率不超过30%或斜拉索在活载作用下的应力变化幅度不超过50 MPa。双拼式矮塔斜拉桥的拉索更象体外预应力，它的主要承重结构是主梁，拉索只起辅助作用。当采用单索面时，拉索对主梁抗扭不起作用，主梁应采用抗扭刚度较大的截面；当采用双索面时，作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗，主梁可采用较小抗扭刚度的截面。

3　双拼式矮塔斜拉桥结构设计与计算

3.1 结构设计

双拼式矮塔斜拉桥由并排设置的2座独立的单索面矮塔斜拉桥，通过横梁进行双拼而从结构上连接成整体。单索面矮塔斜拉桥的结构体系采用塔梁固结、塔墩分离体系，在塔与梁下面的墩顶设置盆式支座，选用预应力钢筋混凝土箱梁或钢箱梁。2座单索面矮塔斜拉桥之间采用钢筋混凝土横梁刚性连接（也可采取预应力混凝土箱梁作为横梁刚性连接），即在2个单索面矮塔斜拉桥的箱梁之间增设横梁，与斜拉索所拉箱梁内的横隔板（梁）、墩顶横梁、端横梁刚性连接。桥面宽度用两箱梁间增设的横梁的长短来调节，可以做成双索面宽幅矮塔斜拉桥。桥梁的桩基础、墩台及墩台顶的盆式支座均由双索面（宽幅）矮塔斜拉桥结构状态来总体控制设计或选型，分期（或分幅）建设实施。

（1）主梁

主梁采用双箱梁加横梁组合体系的整体式断面，采用预应力混凝土箱梁或钢箱梁。箱梁宜采用单箱双室或单箱三室结构，且斜拉索索面位于单箱梁的中心线上。主梁梁底线形宜选用2次抛物线，当跨径大于200 m时主梁底线形宜选用1.8次抛物线。

（2）横梁

根据双拼式矮塔斜拉桥的桥宽和主梁的结构材料，可以选用钢筋混凝土横梁、预应力混凝土横梁和钢横梁。

①采用预制安装钢筋混凝土横梁，吊模现浇其湿接头，并对湿接头混凝土采取早强措施或者吊模现浇钢筋混凝土横梁。钢筋混凝土横梁可以与预应力混凝土箱梁悬浇施工同步悬浇或悬拼，亦可待预应力混凝土箱梁悬浇合龙后进行悬浇或悬拼。

②采用预应力混凝土横梁，并与预应力混凝土箱梁悬浇施工同步悬浇，然后再对其施加横向预应力。

③采用钢横梁，并与钢箱梁悬拼施工同步拼装。（3）桥面板

可以根据工程项目的实际情况选择预制拼装桥面板或者整体现浇桥面板。

（4）墩台

双拼式矮塔斜拉桥的墩台宜在双箱梁下面对应地设置分离式墩台及其群桩基础。

3.2 结构计算

2座单索面矮塔斜拉桥之间采用刚性连接进行拼接后，单索面矮塔斜拉桥结构转换为双索面矮塔斜拉桥结构，双索面之间的主梁由空间双悬臂结构受力体系转变成了空间梁格结构受力体系。设计时根据受力体系转换前后的主梁受力状态及其受力大小，拟定主梁各部位尺寸并对其进行配筋设计和验算。

（1）斜拉索索力计算

根据双拼式矮塔斜拉桥主梁受力为主的特点，考虑计算简便，可按以下步骤确定斜拉索索力。①按构造布置索位；②通过初定总索力竖向承担力不超过恒载的30%，确定单根索的股数；③建模计算。根据最大索应力、应力幅、梁受力适当调整单根索股数，在充分发挥梁作用的前提下，体现索的帮扶作用。

（2）计算模型选择［3-4］

双拼式矮塔斜拉桥的桥面较宽，双索面宽幅矮塔斜拉桥空间受力效应明显，不宜按单梁法计算。而按空间有限元计算又过于繁琐，为了能够兼顾分析横隔梁受力，宜按梁格法建模进行总体受力计算，既简便又不失精度。

3.3 实施步骤

（1）按照双拼式矮塔斜拉桥方案，即双索面宽幅矮塔斜拉桥一次性整体规划并设计拟新（改）建公路（或城市）桥梁；

（2）对于新建桥梁工程，先实施双拼式矮塔斜拉桥的半幅桥梁中的单索面矮塔斜拉桥，采用单箱三室（或多室）箱梁、挂蓝悬浇法或预制悬拼法施工，双拼式矮塔斜拉桥的另外半幅桥梁根据交通量增长等需要分期建设实施；

（3）对于老桥改扩建工程，先在老桥一侧实施双拼式矮塔斜拉桥的半幅桥梁中的单索面矮塔斜拉桥，采用单箱三室（或多室）箱梁、挂蓝悬浇法或预制悬拼法施工，待其成桥开放交通后再拆除老桥；

（4）依据拓宽桥梁的需要，拓宽实施双拼式矮塔斜拉桥的另半幅桥梁中的单索面矮塔斜拉桥，同样采用单箱三室（或多室）箱梁、挂蓝悬浇法或预制悬拼法施工；

（5）在两箱梁之间实施连接横梁，采用吊架现浇法或预制安装法施工，完成由单索面矮塔斜拉桥结构向双索面（宽幅）矮塔斜拉桥结构的桥梁结构受力体系的转换；

（6）在已完成的连接横梁上采用承托模板现浇钢筋混凝土桥面板、调平层并铺筑桥面，将分期实施的2座单索面矮塔斜拉桥拼成一座双索面（宽幅）矮塔斜拉桥。

4　工程案例

4.1 江苏省丹阳市齐梁路京杭运河大桥［5］

江苏省丹阳市齐梁路京杭运河大桥，主桥为（70+120+70）m双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，总体采用塔梁固结、墩梁分离的形式，主梁采用双箱梁加横梁组合体系，桥面全宽43 m，采用整体式断面，主塔（即拉索区）设于侧分带，塔中间为双向6车道，塔外侧为非机动车道和人行道。其主桥横断面布置图如图1所示，于2014-12主体建成。

图1　江苏省丹阳市齐梁路京杭运河大桥主桥横断面图（单位：cm）

4.2 江苏省淮安市西绕城公路京杭运河特大桥拓宽工程［6］

205国道江苏省淮安市西绕城公路京杭运河特大桥横跨淮安市区里运河和京杭大运河，桥长1 207.53 m，桥宽26 m，按双向4车道标准建设，主桥结构为单索面矮塔斜拉桥，主跨175 m，主塔高32 m。

以205国道江苏省淮安市西绕城公路京杭运河特大桥进行双拼为例，双塔中间设双向8车道，双塔外侧设慢车道和人行道，则其双拼式宽幅矮塔斜拉桥的横断面组成为：栏杆0.50 m+人行道5.00 m+慢车道7.50 m+侧分带2.50 m+快车道12.50 m+快速公交道BRT8.00 m+快车道12.50 m+侧分带2.50 m+慢车道7.50 m+人行道5.00 m+栏杆0.50 m，桥面总宽达64.00 m。双拼加宽后的205国道江苏省淮安市西绕城公路京杭运河特大桥的横断面图如图2所示。

4.3 江苏省淮安市武黄线京杭运河大桥［7］

江苏省淮安市武黄线京杭运河黄码大桥，位于武黄线终点处，于1992年建成通车，桥梁跨越京杭运河。老桥主桥为预应力混凝土T形刚构桥，主孔跨径40 m，T形刚构挂梁及引桥均为20 m预应力混凝土T梁。桥梁全长320 m，全宽11.5 m。桥梁设计荷载等级为汽车-20级。主桥在汽车荷载作用下竖向变形较大，行车舒适度较差，且主孔跨径较小，过往船只经常碰撞桥墩，存在较大安全隐患。经检测，该桥被评定为四类桥，必须进行改建。

图2　双拼式矮塔斜拉桥横断面布置图

该桥改建方案设计时，建设单位曾经推荐的主桥比选方案之一是采用（85+145+85）m的双索面宽幅矮塔斜拉桥，可由2座单索面矮塔斜拉桥进行双拼加宽而成。将老桥改（扩）建成双拼式矮塔斜拉桥，其施工方法是先在老桥一侧建设一座单索面矮塔斜拉桥作为新桥的半幅，先行使用，再拆除老桥后建设另一座单索面矮塔斜拉桥作为新桥的另半幅，最后将2座单索面矮塔斜拉桥拼接成为双索面宽幅的双拼式矮塔斜拉桥。此比选方案的显著优点是采取整体设计，分期建设，对于改（扩）建老桥能够满足施工期间不中断交通的需求，同时节省施工期间便桥通行费用。

4.4 江苏省淮安市淮阴区承德北路改造工程盐河大桥［8］

江苏省淮安市淮阴区承德北路改造工程盐河大桥，主桥为（60+105+60）m双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，总体采用塔梁固结、墩梁分离的形式，主梁采用双箱梁加横梁组合体系，桥面全宽32.5 m，采用整体式断面，主塔（即拉索区）设于侧分带，塔中间为双向6车道，塔外侧为人行道。其主桥横断面布置图如图3所示，该桥已于2014-12完成施工图设计。

5　技术特点

（1）整体设计，分期（分幅）实施。适用于一次性整体规划设计而分期建设实施的公路（或城市）桥梁，可缓解一次性建设的投资压力，并满足交通量增长的需求；对于老桥改扩建工程，可节省搭设临时便桥的费用，并满足施工期间半幅施工半幅通行而不中断交通的需求。

（2）布跨灵活，结构合理。主跨可在100～200 m选择，甚至可以选择更大跨径；可布设单塔双跨、双塔三跨或多塔多跨连续结构的桥梁，该类结构具有桥塔矮、主梁矮、跨径大、桥面宽、分期（幅）建等显著特点，结构受力合理。

图3　江苏省淮安市盐河大桥主桥横断面布置图（单位：cm）

（3）以单（单索面矮塔斜拉桥）拼双（双索面矮塔斜拉桥），施工方便。主梁之箱梁和两箱梁之间的横梁可采用吊架现浇法或采用预制拼接法施工，工艺成熟，成桥便捷。

（4）桥型美观，经济性好。双拼式矮塔斜拉桥造型简洁流畅、桥面视野开阔、桥型轻巧美观，该类较大跨径桥梁的造价低于挂篮悬浇预应力混凝土变截面连续箱梁桥、斜拉桥和悬索桥。

6 结语

双拼式矮塔斜拉桥作为一种新型的桥梁结构形式，为大型宽幅桥梁建设提供了一种有效的技术途径。该桥型不仅可以一次性全幅整体建设，还可以分幅分期建设，适用于新建或改建的公路或城市桥梁工程。对于宽幅桥梁设计方案选型、缓解建设投资压力、满足交通量增长需求、保障改（扩）建老桥施工期的交通不被中断有着重要的现实意义，值得进一步推广应用。

［1］施文杰.矮塔斜拉桥在国内外的发展与实践［J］.现代交通技术，2012（3）：22-25.

［2］陈明宪.斜拉桥建造技术［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］赵俊伟.双索面宽幅矮塔斜拉桥的动力特性及地震反应研究［D］.南宁：广西大学2008.

［4］胡安林.拉索断落对某矮塔斜拉桥力学特性影响分析［J］.公路交通技术，2014（5）：91-95.

［5］杨曙岚.宽幅矮塔斜拉桥抗震分析与设计［J］.公路交通科技（应用技术版），2012（12）：257-261.

［6］江苏省淮安市公路管理处.205国道江苏省淮安市西绕城公路京杭运河特大桥施工图设计［R］. 2011.

［7］江苏省淮安市公路管理处.江苏省淮安市武黄线京杭运河大桥方案设计［R］. 2012.

［8］江苏省淮安市淮阴区住房和城乡建设局.淮阴区承德北路改造工程盐河大桥施工图设计［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

张玉恒（1961-），男，江苏徐州人，高级工程师，主要从事公路、航道工程管理及其施工研究工作。

（2014-11-25）