孙 巍（华东建筑设计研究院有限公司，200041）
【摘 要】预应力混凝土桥长大化的必不可少的条件是梁的轻量化。随着体外预应力构造的发展，在梁体重量轻减的基础上，经济性、施工性以及维护性得到了很大的提高。通常的体外预应力梁桥是把钢束配置在梁高范围内，而二古第三桥是在墩顶上设置支柱，使钢束配置在梁高范围外的大偏心预应力梁桥。它具有良好的受力特性和景观效果。这种桥型己于1988 年被法国工程师J.Mathivat 命名为Extradosed Prestress Bridge（矮塔斜拉桥）。本文介绍的就是二古第三桥的设计。
【关键词】低塔斜拉桥；斜板桥；塔梁墩固结；斜钢束的竖向荷载的分担率；塔顶鞍座
1 前言1995 年3 月22 日世界上第一座矮塔斜拉桥—小田原港桥建成开通。正如小田原港桥在设计时所期望的那样，矮塔斜拉桥作为在构造的合理性、经济性、景观性兼具的新式桥型，受到世界各国的瞩目，尤其在日本这种桥梁被广泛地推广应用。目前在日本国内已有至少十余座完成或正在施工中的矮塔斜拉桥。今后这种形式的桥梁将越来越多被设计师所青睐。笔者也从事过两座矮塔斜拉桥的初步设计工作。本文根据小田原港桥、冲原桥等矮塔斜拉桥的设计资料，具体地介绍二古第三桥的设计概况：矮塔斜拉桥的构造特性、塔高、梁高等构造尺寸的适用范围、以及由构造尺寸差异引起的主梁弯矩、斜钢束应力的变化趋势。
由于缺乏统一的设计规范,本桥的设计是在已建成的矮塔斜拉桥的基础上进行数据分析，从而得到构造尺寸和计算控制数据。
已建成的矮塔斜拉桥的资料如表—1。
2 桥型选择二古第三桥是日本海沿岸东北机动车道横跨胜手河道的3 跨连续矮塔斜拉桥,桥长307m,最大跨径142m。工程概要如下。
路线 名：东北机动车道桥 种：预应力混凝土公路桥桥梁形式：3 跨连续矮塔斜拉桥桥 长：307m跨 径：82m+142m+82m桥 宽：车道10.5m 全宽13.4m平面线形：直线主梁形式：单室箱梁主塔形式：桥墩主塔一体式（2 立柱）支承条件：主梁与桥墩刚接
2.1 桥长与跨径桥长根据道路线形、河道护岸交差条件以及桥台的设置确定为307m。同时，根据基准跨径、护岸距离、设计低水路内可设置桥墩数等河道条件确定为3 跨。（82m+142m+82m）2.2 上部结构方案的选择考虑到高速行驶条件，基本确定为多跨连续梁。从维护管理出发，采取成本较为低廉的混凝土桥梁。
方案比较为以下4 种。
① 3 跨预应力混凝土刚构桥② 3 跨连续矮塔斜拉桥③ 3 跨连续矮塔斜板桥④ 3 跨连续斜拉桥本桥经方案比较，矮塔斜拉桥的综合评价最高。首先从经济性而言，对于大跨径的梁桥和小跨径的斜拉桥（100～200 米左右）而言，具有梁桥和斜拉桥中间特性的矮塔斜拉桥更具有一定的优势。其次，由于桥梁建在山谷中，两边的斜坡较大（最大处接近40度），搭支架施工非常困难，因此采用悬臂施工。矮塔斜拉桥比梁桥的重量要低许多,因此可避免大型的移动挂蓝等施工设备,而且梁具有相当的刚性,通常的悬臂施工及管理方法均可适用。同时，在桥台处与斜坡的接续规模比刚构桥（梁高较大）要小的多。还有一点很重要，就是从美观的角度考虑。他比梁桥更具有象征意义，由于主塔较底，不但没有压抑感，反而增加亲切感，同时给行人开阔的视觉感和安全感。第三方案—斜板桥是在矮塔斜拉桥的斜钢束外覆盖了混凝土，他的优点是混凝土板刚性较大，主梁变形与钢束应力变动小，防腐性能好因而钢束无须更换。抗风振性能好。但由于外覆混凝土裂缝控制较为困难，徐变和干燥收缩的影响较难估计，而且自重增加导致抗震不利，斜板裂缝形成后刚度降低对全桥的影响很大，抗震计算较为复杂。行走条件较差（视野不开阔）。因此没被采用。
2.3 复合构造的采用为了减轻主梁自重并增强美观性，本桥采用了如图—4 所示的复合结构，顶底板为钢筋混凝土，以承受弯矩和轴力。腹板为钢波纹板，主要承受剪力。
2.4 体外钢束的采用由于采用了复合截面构造，本桥除斜钢束外在主梁内全部采用体外钢束。
2.5 下部工形式A1A2 桥台为重力式桥台结构，河道内桥墩为壁式结构。
2.6 基础形式持力层为岩层，但倾斜度较大，根据其不同位置的分布深度，A1A2 为阶梯式浅基础，P2 为浅基础，P1 为大口径人工挖孔桩。
2.7 支承条件由于桥墩较高（P1—42m，P2—32m），主梁、桥墩、主塔全部刚接，因此整体刚度较大，梁体变形较小，行走条件较好。也可减小斜钢束的应力变动。
2.8 塔顶固定法及鞍座构造斜钢束在塔顶采用贯通固定式（鞍座构造）。根据防腐需要采用钢束可更换式结构。
这样在中间支点上可减小钢束间隔，提高斜钢束配置高度以增大钢束作用。
3 设计计算本桥的计算根据挂蓝施工的顺序逐级加载，分别验算施工时及运营时的混凝土应力和斜钢束的张力、应力变动。
计算参数见下表：
3.1 主梁的高跨比一般矮塔斜拉桥的高跨比在1/32～1/35之间（表—3）。本桥梁高定为3.5m， 主梁高跨比为1/40，这是因为梁腹板采用了波纹钢板，减轻了梁体自重,从而降低梁高。这也有利与解决在桥台处与斜坡的接续问题。
表—3 低塔斜拉桥的主梁高跨比
3.2 斜钢束的重要度（斜钢束的竖向荷载的分担率）矮塔斜拉桥主梁的刚度比斜拉桥大，相对于斜拉桥，斜钢束的外力分担比率较低，钢束的重要度较小。一般情况下，可控制在30%以内（表—4）。斜钢束的竖向荷载的分担率可根据主梁高度、斜钢束根数及主塔高度来调节。但需同斜钢束的应力变动同时协调考虑。本桥的比较如表—5。结果显示随着塔高的增加，斜钢束的竖向荷载的分担率也变大。但最大值小于30%（表—5）。以此可作为斜钢束的应力变动的参考。
表—4 斜钢束的竖向荷载的分担率
矮塔斜拉桥的斜钢束的应力变动受到主塔高度、钢束与主梁刚性比、支承条件的综合影响。因此应力变动的大小不能以定性的指标来判断。本桥控制在5kgf/mm2 以内。所以对于疲劳设计结果不存在破坏的问题，斜钢索安全率采用与预应力梁桥相同值(1.67)。
根据参考资料，斜钢索的应力变动均在5kgf/mm2 范围左右。例如小田原港桥、冲原桥最大应力变动分别为3.8kgf/ mm2 或3.7kgf/mm2。屋代南北桥的斜钢索应力变动为5.1kgf/mm2，相比小田原桥、冲原桥稍大一些，但考虑到是列车荷载，应当说应力变动还是较小的，而蟹泽大桥的应力变动为10.7kgf/mm2,这是因为主塔与主梁刚结，而与桥墩非刚结，采取支座连接形式，由于主梁的转动较大而造成应力变动趋大。与同跨径的冲原桥相比主塔高和斜钢束量较大，因而斜钢束采用与斜拉桥相等的安全率。
3.5 计算结果施工阶段： 最初的主塔设计高为15m，挂蓝施工时容许应力为-2.5MPa～17.5MPa，主梁的上缘最大拉应力（桥墩附近）出现在第一根斜钢束张拉前为-1.2MPa，主梁的上缘最大压应力（桥墩附近）出现在挂蓝施工时（主梁合拢前）为12.5MPa。
使用阶段： 容许应力为-1.5MPa～14MPa，控制应力均为压应力。主梁下缘的最大压应力出现在桥墩附近为13.85MPa，主梁上缘的最大压应力出现在第一根斜钢束附近为13.7MPa。主梁下缘的最大拉应力出现在跨中为-0.77MPa。变形量和转角均在容许范围内。斜钢束的应力变动（45MPa<50MPa）和竖向荷载的分担率（16%<30%）也均满足设计控制参数。斜钢束的张力小于0.6Pu。虽然计算结果均满足要求，但考虑到主梁上下缘的最大压应力均比较大，因此通过改变塔高进行了其他方案的设计比较。
有资料表明当斜钢索安全率为1.67，斜钢束的倾斜角在15 度～19 度时，斜钢束的应力最为敏感。而且竖向荷载的分担率16%〈30%，所以对塔高为24m 方案进行了再次计算。同时，为了准确的了解斜钢束的应力变动和竖向荷载的分担率的变化趋势，分别对塔高为18m、20m 方案进行斜钢束计算。
根据表—5 结果可知，塔高在15m～24m范围内斜钢束的应力变动和竖向荷载的分担率的变化均在控制参数范围内。随着塔高的增加，边跨和中跨内侧钢束的应力变动也增加，中跨外侧钢束的应力变动反而减小。竖向荷载的分担率随着塔高的增加而增加。
主塔设计高为24m 的计算结果为，施工时主梁的上缘最大拉应力有所增加为-1.4MPa，主梁的上缘最大压应力有所减小为8.6MPa。使用阶段主梁上缘的最大压应力减小为11MPa。跨中主梁下缘的最大拉应力增加为-1.3MPa。由于拉应力较大，塔高24m这一方案被否定。最终采用的是16m。计算结果见图—1～图—5。
抗剪计算： 由于腹板剪力由波纹钢板承受，在桥墩附近剪力较大，可在波纹钢板内浇注部分混凝土形成复合结构以共同承担剪力。具体结果见表—8、表—9。
4 结论矮塔斜拉桥是一种以梁体为主，钢束为辅的协同受力的构造形式。但是他的受力特性受到梁高、塔高、钢束与主梁刚性比、支承条件的综合影响，规律比较复杂。必须根据实际情况做出详细的方案比较，才能达到最佳的受力状态，真正发挥其经济性和施工性的特长。
论文作者:孙巍
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/12
标签：斜拉桥论文; 应力论文; 变动论文; 桥墩论文; 荷载论文; 上缘论文; 预应力论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;