预应力混凝土矮塔斜拉桥常用设计参数研究

胡世翔，罗 敏，聂 娜，林 敏

(1.南京工程学院，江苏 南京 211167；2.南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 211156）

0 引言

矮塔斜拉桥是一种介于连续梁桥和斜拉桥之间的新桥型，自1994年在日本建成世界上第一座现代矮塔斜拉桥——小田原港桥（Od a w a r a B l u e w a y B r id g e）开始，距今不过20多年，该桥型具有经济、美观、施工方便、跨径布置灵活等优点，近20年来在日本、中国大陆、中国台湾、韩国等世界各地得到广泛应用，发展前景广阔[1-3]。

和连续梁（连续刚构）桥相比，矮塔斜拉桥拉索的竖向分力可以平衡梁体的自重引起的竖向荷载，大大降低了结构弯矩，随着弯矩等内力的减小，主梁高度得以降低，结构自重大幅减轻。另外，拉索的水平分力会在墩顶负弯矩区产生压应力，对该区域主梁上缘拉应力起到一定抵消作用。

与传统斜拉桥相比，矮塔斜拉桥的拉索应力变幅较小，拉索的疲劳效应不明显，故可以采用较大的拉索应力限值，同时斜拉索索塔区的设计和施工也比斜拉桥简便[4-5]。斜拉桥主要靠斜拉索受拉来承受竖向荷载，主梁刚度较低，在应用于多跨结构时，多塔斜拉桥存在着结构总体刚度过低的问题[6-8]，而矮塔斜拉桥主梁是承受竖向荷载，主梁刚度相对较大，故可采用多塔多跨的桥型方案，跨径布置灵活，实际应用中广泛采用了两塔三跨、四塔五跨等多塔多跨设计，在通航（主跨跨度）要求不高时，多塔多跨矮塔斜拉桥可与传统斜拉桥竞争，且造价和施工难度大大降低。

1 矮塔斜拉桥国外发展现状

自建成小田原港桥后，矮塔斜拉桥在日本得到迅速发展，先后建成了屋代南桥（Y a shi ro S o u t h B r id g e）、木曾川桥（K is o B r id g e）、粟东桥（R i tt o B r id g e）等几十座矮塔斜拉桥，见图1。

图1 日本修建的矮塔斜拉桥（部分）

虽然最早由法国工程师提出了矮塔斜拉桥设计的概念，但该桥型在法国的应用并不多。1996年建成的S a in t-R e m y-d e-M a u r i e nn e B r id g e是法国的第一座矮塔斜拉桥，于2008年又建成了一座跨径布置为126 m+104.4 m+75.6 m的矮塔斜拉桥桥。瑞士应用矮塔斜拉桥的历史也比较早，著名的S u nni b er g桥始于1998年竣工。除此以外，韩国也是矮塔斜拉桥建造较多的国家（见图2），此外美国、加拿大等国也有修建[9]。

图2 韩国修建的矮塔斜拉桥（部分）

2 矮塔斜拉桥国内发展现状

我国开始修建矮塔斜拉桥的历史比日本稍晚，但起点很高。第一座是主跨达到312m的芜湖长江大桥[10]，在2000年建成，这是一座钢桁主梁的公铁两用桥，跨径布置为180 m+312 m+180m；我国第一座预应力混凝土矮塔斜拉桥是2001年建成的漳州战备桥[11]，跨径布置为80.8m+132m+80.8m，主跨也达到了132m，在同期、同类桥中名列前茅，见图3。

图3 中国首座钢结构和预应力混凝土矮塔斜拉桥

该桥型在中国得到迅速的应用，沿海地区、严寒地区、高原地区等均有采用，而且跨径布置灵活，以多塔多跨为主[12]。

我国台湾地区矮塔斜拉桥的应用也非常多，在台湾矮塔斜拉桥一般称为“脊背桥”，于2007年最先建成了爱兰交流道联络道桥（跨南港溪），该桥跨径布置为80m+140m+80m，主梁为单箱4室预应力混凝土结构，桥面宽24.85 m，梁高从3 m变化到5.1m，塔高20.25m，随后又建成了位于台19线的妈祖大桥（跨径布置125m+125m，塔高35.2m）、位于台28线的高雄新旗山桥（跨径布置100 m+100 m，塔高25.7m）、南投县竹山大桥（跨径布置70m+130m+70m，塔高10.5m）、新竹县头前溪竹林大桥（跨径布置80m+2×120m+80m，塔高23m）。

3 已建矮塔斜拉桥工程的技术分析

本文以P C主梁矮塔斜拉桥为研究对象，汇总了72座已建桥梁的主要设计参数，其中包括国内桥梁40座，国外桥梁32座，并详细汇总[12]。

经统计分析其高跨比（主梁高度与主跨之比）分布见图4和图5，矮塔斜拉桥主梁一般采用变高度梁，跨中高跨比一般分布在1/80～1/30之间，根部高跨比一般分布在1/50～1/17之间，国内和国外矮塔斜拉桥的高跨比分布没有明显的差异，取值类似。高跨比随着主跨跨径增加没有明显变化，不同跨径桥梁的高跨比类似。

图4 跨中梁高与主跨跨径比值的分布

图5 根部梁高与主跨跨径比值的分布

图6 和图7分别为跨中梁高和根部梁高随主跨跨径的变化规律，由图可见，主梁跨中和根部的高度随着主跨跨径的变化近似为线性，可以拟合为H中=0.009 7·L+1.64和H根=0.024 7·L+1.36（L表示主跨跨径，H中、H根分别表示主梁跨中和根部的高度）。

塔高和主跨跨径之比的分布情况见图8。塔高和跨径之比基本分布在1/5～1/15，可以看出塔高和跨径之比分布在一定范围内，这是由于矮塔斜拉桥设计时，拉索、主梁可以采用不同的竖向力分担比例。和斜拉桥相比，双塔、多塔斜拉桥桥面以上索塔的高度与主跨跨径之比宜为1/4～1/6，独塔斜拉桥桥面以上的塔高与跨度之比宜为1/2.7～1/3.7，矮塔斜拉桥的塔高要远小于斜拉桥，相应的拉索倾角较小，只承担部分竖向荷载。

图6 跨中梁高随主跨跨径变化规律

图7 根部梁高随主跨跨径变化规律

4 结论

经过对收集的72座已建P C主梁矮塔斜拉桥（国内40座，国外32座）的统计分析，可以得到主要设计参数的分布规律，可以为同类桥梁设计提供参考。

（1）P C主梁矮塔斜拉桥一般采用变高度主梁，跨中截面高跨比一般分布在1/80～1/30之间，根部高跨比一般分布在1/50～1/17之间，并且梁高和跨径近似呈线性关系。

（2）国内、外桥的高跨比分布没有明显的差异，并且高跨比随着主跨跨径增加没有明显变化，即不同跨径桥梁的高跨比类似。

（3）塔高和跨径之比基本分布在1/5～1/15，因拉索、主梁承担竖向力比例的不同，有一定的分布范围。但该比值远小于斜拉桥，表明与斜拉桥相比，拉索倾角较小，只承担部分竖向荷载。