预应力混凝土矮塔斜拉桥设计研究

文/重庆交建工程勘察设计有限公司 皇甫全显 敖建辉

矮塔斜拉桥通常也被称为部分斜拉桥, 其雏形是反拱形梁桥，由于这种桥型具有索塔高度比较低的特点，所以在国内有的文章又把这种桥称作是矮塔斜拉桥，这种桥型介于斜拉桥和连续梁（刚构）桥两者间，其在结构性能以及经济指标上都有着相当良好的表现，在近几年发展非常迅速。

矮塔斜拉桥最初起源于国外，由Christian Menn设计并在1981年建造的Ganter大桥，是矮塔斜拉桥最初出现的形式，甘特大桥为其后矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。继甘特大桥之后，美国、墨西哥、葡萄牙等国家也建造了此种形式的桥梁。世界上第一座矮塔斜拉桥是1994年在日本的建造小田原港桥，而后这种桥型在日本迅速发展。我国在矮塔斜拉桥领域之中的第一次应用是2000年8月竣工通车的芜湖长江公铁两用大桥，其主梁使用的是连续桁组合梁，这也是世界上首次采用这种主梁结构。

修建于2001年的福州漳州战备桥，是国内的第一座属于预应力混凝土矮塔斜拉桥。随后，矮塔斜拉桥在我国得到了快速地推广。随着矮塔斜拉桥不断地在国内修建，所积累的工程经验和教训都为这种桥型在我国的发展打下了较好的基础。

本桥为预应力混凝土梁矮塔斜拉桥公路桥，汽车荷载等级为公路一级，双向六车道，无人行道。只考虑系统升温和降温（±20℃），不考虑梯度温差。设计内容为桥式方案拟定、预应力筋估算、斜拉索索力确定及进行桥梁检算。

结构设计

结合设计要求、设计指标及同类已建桥梁的设计经验，本桥采用的设计方案为图1所示。

材料

图1 桥梁结构立面图 (单位 cm)

三种混凝土材料C60、C50和C40分别用于主梁、索塔和桥墩。纵向及横向预应力筋均使用的是高强度的低松弛钢绞线，其单根公称直径为Φs15.24，标准强度1860MPa，竖向预应力筋为Φ32精轧螺纹钢筋，标准强度为750Mpa。纵向预应力采用OVM15型锚具，竖向预应力采用YGM锚具，预应力管道均按塑料波纹管成孔设计。

桥面设计

公路桥面构造包括行车道铺装、排水防水系统、人行道（或安全带）、缘石、栏杆、护栏、照明灯具和伸缩缝等。桥面宽度为防撞栏（0.5m）+三车道（3.25m+3.5m+3.5m）+防撞栏（0.5m）+中央分隔带兼做拉索保护区（3.0m）+防撞栏（0.5m）+三车道（3.5m+3.5m+3.25m）+防撞栏（0.5m），总宽度为25.5m。桥面不设纵坡，横坡为1.5%～2%。拟定横坡为2%。

主梁设计

主梁横截面选用的是单箱三室截面，腹板设置为斜腹板，顶板厚度要考虑能够达到在横向的抗弯和纵向的抗压的要求；顶板大都是受到桥面板横向的抗弯控制，一般选为不变厚度；为了能够有效地满足纵向抗压的要求，底板使用的是变厚度，跨中主要是受到构造要求控制，支点主要受纵向压应力控制，需加厚；腹板主要承担剪应力和主拉应力，在中支点附近受主拉应力控制，而在跨中则主要由构造来控制。根据设计的要求在斜拉索的锚固处截面和有支撑点的截面要设置横隔板。具体尺寸如图2所示。

图2 主梁横截面图 (单位 cm)

图3 主塔侧立面图 (单位 cm)

桥塔设计

参考公路规范（高跨比一般为1/8至1/12）和国内外的公路矮塔斜拉桥梁的工程例子，索塔设计为15m高，索塔高和桥梁主跨跨度的比值大约为1/10。在本设计中，因为索面是单索面，并且桥塔是较矮的，所以选择单塔，主塔构造如图3所示。本设计要求不考虑桥梁的抗震问题，所以选用索塔、主梁和主墩固结的支撑体系。

斜拉索设计

本设计选用了扇形单索面的拉索形式，在箱梁内进行锚固并通过贯通锚固方式将拉索的局部集中力安全均匀地传递到塔柱上。

计算分析

计算模型

采用有限元分析软件Midas Civil建立全桥模型，斜拉索采用只受拉单元来模拟，主梁、桥塔、桥墩均采用梁单元来模拟。梁墩塔固结，主梁与主墩选择模型中的刚性连接，索塔和主梁选择模型之中的弹性连接之中的刚性连接；斜拉索与主梁选择弹性连接。

初索力施加

根据JTG D65-01-2007第4.3.3条，矮塔斜拉桥斜拉索可按体外索设计容许应力可采用0.6fpk，在施工中可不做索力调整。本设计不进行索力调整，只施加初索力。设计首先将各索的斜拉索初索力设为5000kN，进行模型分析计算，得到各施工阶段数据，然后代入公式，其中为斜拉索初应力；为后续施工阶段影响产生的拉索应力，由施工阶段数据导出；错误! 未找到引用源。为二期恒载影响产生的拉索应力，由施工阶段数据导出；错误! 未找到引用源。为活载影响产生的拉索应力，取活载条件下计算值。得到一组初索力的值，再将这组值按以上流程进行迭代，在成桥运营斜拉索索力接近设计索力后可以终止。

预应力筋估算

对梁进行纵向预应力配筋，配置的预应力钢束有三种类型包括顶板钢束、底板钢束和腹板钢束，根据主梁的受力特征，主梁内力包括M、N、Q三种类型，且主梁属于压弯构件。本设计采用1.0恒载+1.0活载的组合内力取最大弯矩对应的轴力和最小弯矩对应的轴力进行预应力钢束的估算。

结果分析

矮塔斜拉桥的主梁从受力来看属于压弯构件，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中规定，主梁应该根据承载能力极限状态及正常使用极限状态分别进行验算。

主梁刚度

根据规范，主梁位移要考虑荷载长期效应影响，荷载长期效应作用下的挠度为：式中，，fs为荷载短期效应作用产生的挠度；ηθ为挠度长期增长系数。C60混凝土，ηθ取1.4。中跨的荷载短期效应最大挠度如表1所示。按照规范的要求，在减去自重产生的长期挠度之后主梁的最大挠度不大于跨径的1/600，即∶

主梁抗弯承载力

主梁的控制截面（ 边跨跨中、边跨1/4、中跨跨中、和主墩和主梁固结处）在承载能力的极限状态下，主梁弯矩的最大值在中跨跨中即单元82 处，最大值为104145.27 kN错误! 未找到引用源。m，小于此处结构的抗力104497.67kN错误! 未找到引用源。m，故主梁正截面强度的检算通过。

表1 短期效应荷载组合下主梁的挠度(单位：mm)

主梁正截面的抗裂性检算

对于主梁正截面的抗裂性验算应该验算的是混凝土正截面的拉应力的值。本次设计中主梁属于分段浇筑的全预应力构件，在荷载的短期效应作用下应该满足：

计算得单元的最小应力为0.6MPa，容许拉应力为0，故正截面抗裂性的检算通过。

图4 钢绞线斜拉索的张拉

施工方案

主梁施工

在矮塔斜拉桥主梁施工的过程之中，主要可以使用的方法有顶推法、平转法、支架法以及悬臂施工法，而其中悬臂施工法是最为常用的一种方法，这种方法无论跨度如何都可以使用。本设计主梁施工方法选用的是挂篮悬臂施工。

索塔和墩施工

本次设计中由于塔高比较矮高度为15m，所以和墩一样均使用支架法进行施工。这种方法最大的优点就在于可以不使用大型吊装设备，但是其缺点也较为明显，那就是施工所需要的涨价模板消耗量比较大，同时工期也较长，在山区桥梁及高墩上都有着较大的局限性。

斜拉索施工

斜拉索的施工主要分为挂索以及张拉这两个过程—挂索：如果使用成品索进行挂索，那么就需要进行整索安装。如果使用的成品索不长，在进行挂索施工时就可以通过吊机直接进行起吊，然后通过卷扬机来利用钢绞线或者是钢丝绳作为引导，将斜拉索的两端分别引入到塔柱之上以及主梁上所事先预留的孔道之中。最后则是将斜拉索的两端固定到锁孔端面之上的锚板上。

张拉：对于成品索，通常情况下是采用千斤顶来进行整索的张拉。特别是对于现场制作出的成品索，可以利用小千斤顶来逐根的进行张拉，还可以通过小千斤顶来对初应力进行有效调整，然后再使用大千斤顶来整索张拉。张拉施工过程如图4所示。