第４３卷第２期 湖 南 交 通 科 技 Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．２ ２０１＇７年６月 ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｊｕｎ．２０１７ 文章编号：１００８—８４４Ｘ（２０１７）０２—０１５１。０３ 矮塔斜拉桥斜拉索结构体系研究分析 黄春亮 （中交通力建设股份有限公司湖南分公司，湖南长沙４１０００９） 摘 要：以湖南省永州市在建的城南大桥为例，阐述矮塔斜拉桥在斜拉索体系设计上的 要点，并对其结构体系进行力学性能分析，研究矮塔斜拉桥斜拉索体系在施工阶段及运营阶 段的应力变化，为类４：３，－Ｔ－程项目提供借鉴及参考。 关键词：桥梁设计；斜拉桥；矮塔；斜拉索体系 中图分类号：Ｕ ４４３．３８ 文献标识码：Ａ ０ 引言 １．１索塔锚固结构 矮塔斜拉桥的斜拉索与桥塔最为常用的两种锚 矮塔斜拉桥以其结构自身“刚柔相济”的力 固方式为：交叉锚固、贯通式索鞍锚固。由于交叉 学性能，将整体刚度较大的预应力混凝土主梁用来 锚固方式是在桥塔两侧，将斜拉索交叉错开锚固于 承担大部分的竖向荷载，并用外部斜拉索改善梁体 其上，致使桥塔会产生扭矩，目前国内外的实例应 结构受力状态的一种桥型。斜拉索在这个结构受力 用相对较少，仅日本对少部分桥型进行了研究试验 体系中，只起到一定的帮辅作用，主梁与斜拉索承 设计。而采用贯通式索鞍锚固方式，可以增大斜拉 受竖向荷载之比约为７：３，致使其斜拉索的应力 索水平倾角、尽可能利用桥塔高度发挥斜拉索的作 幅往往不到常规斜拉桥的５０％。故按照《公路斜 用，此种锚固方式最为常见。 拉桥设计细则》的相关规定（４．３．３条），矮塔斜 常用的贯通式索鞍体系又分为两种结构：即双 拉桥的斜拉索一般只需按体外索进行考虑设计，并 套管（内外管）结构与分丝管结构（图２）。双套 将斜拉索设计容许应力上限值提高到了０． 。斜 管鞍座结构在桥塔内设置双层弧形钢管，由于内、 拉索体系总体设计计算仍是围绕静力强度及疲劳强 外管壁紧贴在一起，当斜拉索钢束从内管穿过时， 度两方面来研究分析。 容易出现相互挤压的现象，难以保证钢绞线相互平 １ 斜拉索体系 行。且内管注浆效果不佳，致使在内外管鞍下应力 过大且受力不均匀，给桥塔接触部位混凝土造成较 矮塔斜拉桥的斜拉索体系由索塔锚固结构、斜 大的负担，容易产生局部开裂的问题。分丝管鞍座 拉索索体结构以及索梁锚固结构三部分共同组成。 结构能很好地规避掉双套管鞍座的结构设计缺点， 见图１。 将钢绞线逐孔穿束、互不干涉，使得荷载平均分 散，大幅缩减鞍座下接触面的局部应力出现相对汇 集现象，改善混凝土桥塔锚固位置的受力状态。且 由于钢绞线在分丝管穿束的过程中，保留了外包 ＰＥ管，使得分丝管结构在斜拉索防腐和未来施工 换索都有明显的实用价值。 图１ 矮塔斜拉桥斜拉索体系构造图 分丝管一般采用２０号钢管作为主要材料，根 据斜拉索在塔内的曲率半径放样进行单根热弯成型 收稿日期：２０１６—１０—０８ 作者简介：黄春亮（１９８５・），男，工程师，主要从事桥梁勘察设计。 １５２ 湖南交通科技 ４３卷 冀通式索鞍 、、８’ ？ ｌ ｌ、 图４主桥布置图（・ 化：ｍ） 图２鞍座结构示意图 １，并对斜拉索采用四重防腐（环氧涂层、ＰＥ管、 管内油脂、ＨＤＰＥ外套管）。 城南大桥斜拉索仰角相对较小，在１７．４１６。～ ２４．４０６。之间。在桥塔上部设置分丝管锚固体系并 采用单根可换式抗滑锚固装置与之相配合，在主梁 顶板处设置锚具型号为１５—４３的可换式拉索群锚 锚固体系。 表１斜拉索材料参数表 制作。定位安装需按桥梁设计图上索鞍的标高及位 置参数来控制，保证索鞍两端出口处中心线与拉索 中心线重合，并且斜拉索在张拉施：［后和索鞍中心 线角度应小于１。。 １．２斜拉索 矮塔斜拉桥的斜拉索索体目前一般采用环氧喷 涂钢绞线作为主要材料。组成斜拉索索体的环氧树 脂全涂装预应力钢绞线各钢丝在使用时的悬链线摆 动条件下可相对滑动，制作环氧涂层无粘结钢绞线 的外层护套材料常采用高密度聚乙烯（俗称 ＨＤＰＥ）。见图３。 斜拉索梁上纵桥向布置间距为４ ｉｎ、横桥向布 置间距为１ ｍ，塔上纵、横向布置间距均为１ ｍ。 主梁根部（桥塔支点）两侧无索区、跨中无索区、 边跨无索区长度分别为：４４．０、１２．０、１５．８８ ｍ。 斜拉索预埋段钢管高出梁面０．５ ｍ，并采用不锈钢 图３斜拉累结构示恿图 管外包梁面斜拉索下端。斜拉索张拉施工后期均不 斜拉索整索索力张拉精度要求控制在不超过设 计索力的２％。斜拉索的轴向拉应力会随活载的变 化而改变，为保证斜拉索的安全系数，目前斜拉索 的应力幅疲劳强度应控制在２５０ ＭＰａ以内。 １．３ 索梁锚固 作索力调整，全部采用一次张拉的方法。斜拉索编 号均为从靠近塔根开始编号，即靠近塔根的斜拉索 编号为１号索、２号索……，以此类推直到尾索， 如图５所示（Ｗ为西侧、Ｅ为东侧）。 斜拉索通过桥塔上部的鞍座，采用两端张拉同 时锚固于主粱的顶板、横隔板或者梁底等位置上， 张拉位置的设置必须同时考虑斜拉索张拉施工的操 作空间。 图５斜拉索编号布置图 ２ 工程设计实例 城南大桥位于永州市冷水滩城区，上跨湘江， 主桥为三塔单索面矮塔斜拉桥，跨径布置见图 ４。主梁采Ｊ１ｊ预应力钢筋混凝土箱梁，箱梁顶板宽 ３４ ｎ，底板宽２６ ｒｎ，两侧悬臂宽４ ｎｌ。 主桥塔高２１ Ｉｎ（不包括避霄针及防空灯高 ３ 斜拉索结构计算分析 城南大桥主桥部分按实际施工工序划分为２２ 个施：ｌ二阶段，用桥梁结构通用分析软件Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ 将梁单元（桥塔、主梁、桥墩）和桁架单位（斜 拉索）组合起来，对主桥进行空问建模（如图６ 所示），进行结构有限元计算。主桥设计汽车荷载 度），斜拉索采用４３４） １５．２斜拉索。索体参数见表 ２期 黄春亮：矮塔斜拉桥斜拉索结构体系研究分析 ｌ５３ 等级采用城市一Ａ级，双向六车道标准。全桥５４ 对斜拉索初始张拉索力均取４ ３５０ ｋＮ。考虑到主桥 塔、梁与斜拉索索体采用不同的材料，需按±１０ ℃考虑不均匀温差在两种材料上的作用。大桥工期 ￣Ｈｘ，－Ｊ－较长，沉降在大桥合龙前基本完成，本次计算 、、９ Ｅｌ Ｗ９ Ｉ Ｗ９ Ｅ 考虑主墩不均匀沉降２ ＣｌＹＩ，边墩不均匀沉降１ ｃｍ。 斜托索编号 通过有限元软件模拟主桥正装施工，研究分析斜拉 图９ 中跨合拢前斜拉索应力图 索在施工阶段、成桥阶段、运营阶段的应力变化。 图６空间有限模型图 图１Ｏ 中跨合拢后斜拉索应力图 ３．１ 斜拉索在施工阶段的应力计算分析 规定），表明斜拉索结构在施工过程中是安全可靠 主要施工阶段的斜拉索应力值验算数据如下： 的。 在边跨合拢前（上合拢吊架），斜拉索应力值 ３．２斜拉索在成桥运营阶段应力计算分析 在６１６．３～７８３．８ ＭＰａ（图７所示），安全系数大于 按主桥施工工序正装施工至成桥运营阶段后， 在标准组合荷载作用下斜拉索的设计应力见图１ １。 ２．３７。 Ｗ９ 匕Ｉ ９ ｔ １ ９ Ｅｌ ：｝托索编 图ｌ１标准组合下斜拉索应力图 图７边跨合拢前斜拉索应力图 在边跨合拢后，斜拉索应力值在６１５．２～ 由图ｌ１显示的数据得出，斜拉索设 ‘应力从 ７５５．２ Ｍ１ ａ（图８所示），安全系数大于２．４６。 ｌ号索至９号索，均匀增大，最大设计应力出现在 ９号、１ １号桥塔边跨尾索（９号索），应力值为 ８２０．９ ＭＰａ，安全系数为２．２６，大于设计安全系数 １．６７，满足《公路斜拉桥设计细则》的要求。 ３．３斜拉索在成桥运营阶段活载应力幅 ９ Ｅｌ Ｗ９ ＥＩ ９ Ｅｌ 活载应力幅是桥梁在正常状态运营阶段下，由 斜 索编 活载实际（汽车荷载、人群荷载）随机产生的循 图８边跨合拢后斜拉索应力图 环应力，直接对斜拉索结构的影响。城南大桥活载 应力幅见图Ｉ２。 在中跨合拢前（上合拢吊架），斜拉索应力值 在６２５．７～７９５．８ ＭＰａ（图９所示），安全系数大于 ２．３４。 在ｆｆ１跨合拢后，斜拉索应力值在５９０．７～７４３ ＭＰａ（图ｌ０所示）。安全系数大于２．５０。 各个主要施 ［阶段下，斜拉索的最大应力值全 部小于设计容许应力值９３０ ＭＰａ（０．５ ， ），且安 图１２活载应力幅图 全系数均大于２（《公路斜拉桥设计细则》３．４．２条 （下转第１６０页） １６０ 湖南交通科技 ４３卷 梁中心线之间的夹角、宽跨比，前６阶振型形态都 生变化，频率随着宽跨比的增大而增大，但对频率 的影响较少。 参考文献： ［１］李生智，王玮瑶，邬妙年．异型拱桥［Ｍ］．北京：人民交通 出版社，１９９６． 没有发生变化，说明这些因素的变化对结构刚度的 改变不起决定性作用，在桥梁使用过程中，这些因 素的改变并不会明显改变桥梁的自振形态。见表 ４。 表４振型形态 阶次 振型形态 拱肋侧弯、桥面面内反对称 桥面面内对称 拱肋侧弯、桥面面外反对称 拱肋侧弯、桥面面外对称 ［２］李国豪．桥梁结构稳定与振动［Ｍ］．北京：中国铁道出版社， ２ｏｏ３． 【３］Ｒ．ｗ克拉夫，ｊ．彭津．结构动力学［Ｍ］．北京：高等教育 出版社，２００６． ［４］况永辉．钢筋混凝土系杆拱桥动力特性分析［Ｄ］．成都：西南 交通大学，２００７． ［５］张溪，杨曙，岚曲佳．构造形式对钢管混凝土拱桥动力性能的 影响［Ｊ］．现代交通技术，２００８，５（３）：３２—３５． ［６］劳文全．钢管混凝土拱桥动力特性分析［Ｄ］．长沙：湖南大 学，２００６． 拱肋侧弯、桥面面内反对称 拱肋扭转、桥面面内对称 ５ 结论 １）在桥梁使用过程中拱肋中心线与主梁中心 ［７］李乔，李丽．异型拱桥结构内力分析［Ｊ］．公路交通科技， ２０００，１（１８）：３１—３５． ［８］刘保东．工程振动与稳定基础［Ｍ］．北京：北方交通大学出 版社，２００２． 线之间的夹角、矢跨比、宽跨比的变化对于刚度的 影响并不会明显改变桥梁的自振形态。 ２）矢跨比发生变化，频率随着矢跨比的增大 而减少，对频率的影响相对较大；拱肋中心线与主 梁中心线之间的夹角发生变化，频率随和夹角的增 大而减少，对频率的影响因素相对较少；宽跨比发 （上接第１５３页） 由图１２可知，城南大桥的斜拉索活载应力幅 变化均匀，长索应力幅较大，短索应力幅较小。其 中应力幅最大值出现在９、１１号桥塔边跨尾索上， ［９］李刚．异型拱桥的结构分析与研究［Ｄ］．西安：长安大学， ２００９． ［１０］霍学晋．异型拱桥的非线性受力行为研究及动力特性分析 ［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１１． （１１］杜光．异形拱桥的结构稳定性和动力性能分析（Ｄ］．成都： 西南交通大学，２０１１． 能。 通过对城南大桥斜拉索体系的研究分析，可知 其桥型整体结构受力上对于斜拉索体系的依靠程度 远远小于常规斜拉桥，未来施工换索、维护相对较 容易，将连续梁桥和斜拉桥的结构优势相互取长补 应力幅值５７．９ ＭＰａ，最小值为１８．３ ＭＰａ，远远小 于２５０ ＭＰａ的设计应力幅值，满足规范对疲劳强度 设计的要求。 ４ 结１者 短。随着对矮塔斜拉桥斜拉索体系的研究和实例应 用不断增多，这种桥型将在梁桥和斜拉桥跨度范围 之间占有一席之地。 参考文献： ［１］张多平，李承根．部分斜拉桥斜拉索的设计［Ｊ］．桥梁建设， ２００２（２）． 斜拉索体系作为矮塔斜拉桥结构重要的组成部 分之一，常用的贯通式鞍座类似于设置斜拉索的转 向点，将斜拉索的水平分力和竖向分力传递到主梁 上来共同承担荷载作用。由于矮塔斜拉桥主梁的刚 度一般较大，斜拉索累积的疲劳问题和活载应力幅 ［２］郑一峰，黄侨，张宏伟．部分斜拉桥斜拉索设计方法研究［Ｊ］． 公路，２００５（２）． ［３］ＪＴＧ Ｄ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 的影响相对常规斜拉桥较小。因此可以采用提高斜 拉索的应力上限的设计理念，将斜拉索的疲劳强度 适当降低，可以更好地发挥斜拉索材料的力学性 范［Ｓ］． ［４］ＪＴＧ／Ｔ Ｄ６５—０１—２００７，公路斜拉桥设计细则［Ｓ］．
