部分斜拉桥方案设计
李 映 徐利平
(同济大学, 上海200092)
提 要 部分斜拉桥是界于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型, 其适用跨度也界于梁式桥和斜拉桥之间。本文论述了该桥型的特点及在国内外的发展情况, 并给出了一个设计实例。关键词 部分斜拉桥, 结构设计
Design of Partially C able 2statyed B ridge
L I Y ing XU Liping
(Tongji University , Shanghai 200092)
Abstract Partially Cable 2stayed Bridge is a type of the bridge between the cable 2stayed bridge and PC beam bridge. The concept and character of this type of the bridge is discussed in this paper , the development of this type of the bridge all over the world is introduced and a practical design is given in the paper.
K eyw ords partially cable 2stayed bridge , structural design
1结构特点
111定 义
部分斜拉桥(Partially Cable 2stayed Br 2ridge ) , 也有人称之为“超配量体外索PC 桥(Extrodosed PC Bridge ) 或“矮塔斜拉(Low 2pylon Cable 2stayed Bridge ) ”, 本文采用严国敏教授在多篇文章中用到的“部分斜拉桥”这一名称。
在具有非常柔性加劲梁的斜拉桥和梁高非常高的梁式桥之间有一种过渡性的桥梁, 梁高位于它们之间, 斜拉索较正规斜拉桥少, 且主塔较矮。该桥具有斜拉桥和梁式桥的双重特性, 因此称之为“部分斜拉桥”, 也就是说在结构总体抗力中斜拉索只起部分作用而不是全部作用, 其“部分”的程度与
斜拉索刚度和加劲梁刚度的比值有关。
部分斜拉桥具有斜拉桥的形式, 但在布索、结构尺寸比例以及受力特性等方面又与真正的斜拉桥有明显的差别, 是界于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型, 当跨度超过梁式桥适用跨度而采用斜拉桥又不经济或刚度不够时, 部分斜拉桥正好发挥它的跨度优势。112特点
11211外形特征
(1) 加劲梁的高度由于有斜拉索的帮
助而比一般梁桥低, 但又比常规斜拉桥的柔性梁高大;
(2) 塔高比常规斜拉桥塔高小, 因为斜拉索只起体外索作用,1/9～1/11的梁高已可使体外索具有相当大的偏心距;
(3) 由于加劲梁已具有一定刚度, 因此
作为体外索之间的斜拉索不需象常规斜拉桥那样有端锚索, 对塔顶水平位移进行约束, 布索区段也无需覆盖全部加劲梁;
(4) 由于其受力更接近梁式桥, 因此在边中跨比更接近于梁式桥的0. 5～0. 6, 而不是常规斜拉桥的014左右。11212 受力特征
部分斜拉桥中的拉索应力幅比常规斜拉桥中的拉索应力幅小, 因此其拉索的允许应力是采用体外预应力索的允许应力, 即极限应力的60～70%, 安全系数117, 而常规斜拉桥中的拉索允许应力仅40%, 安全系数215。也就是说, 部分斜拉桥中的拉索从受力特征上讲更接近于一般PC 梁桥的体外预应力索。11213 构造特征
部分斜拉桥中的拉索在构造上与常规斜拉桥中的拉索不同之处在于塔上的锚固形式, 常规斜拉桥中的拉索在塔顶上锚固或张拉, 而部分斜拉桥则基本采用鞍座式, 斜拉索在塔顶连续通过, 由于摩擦力存在及固定装置, 实际上拉索在塔顶是不能滑动的。一般采用圆弧形双套管形式, 斜拉索从内钢管穿过, 施工完成后在内钢管内压入高标号环氧水泥浆。双套管形式可以使换索工作易于进行。11214 适用场合
(1) 跨度超过梁式桥而建斜拉桥不经济时;
(2) 对刚度要求较大, 常规斜拉桥不能满足要求, 如多跨斜拉桥或铁路斜拉桥。
(3) 塔高受限制的地方, 如飞机场附近。
为首开始了部分斜拉桥的实践,1995年又在铁路上建造了部分斜拉桥———屋代北桥、屋代南桥,1996年以来, 又相继修建了蟹泽大桥、木曾川桥、揖斐川桥等, 把跨径增大到了多跨275m , 形成了一种新的桥型。由于其造型优美, 受到桥梁界的赞誉, 在日本已建成此类型的桥梁近20座。
法国西南的阿勒特・达雷(Arret Darre ) 高架桥采用了部分斜拉桥, 跨度100m , 塔梁固结, 主梁为等截面箱梁。德国跨越莱于塞(Lesusses ) 山谷的低塔斜拉桥采用了等截面的简支梁, 由于梁的刚度较低, 它更接近于一般的斜拉桥而不是这里提到的部分斜拉桥。
我国部分斜拉桥的实践较少, 芜湖长江大桥是我国第一座部分斜拉桥, 其公铁两用的荷载、312m 的主跨、钢桁架加混凝土板的主梁等都使其具有相当的独特性。2000年7月开工的漳州战备大桥为三跨连续预应力混凝土箱梁加矮塔斜拉索, 是一座典型的部分斜拉桥, 主跨132m 。
表1给出国内外已建和在建的部分斜拉桥主要设计参数。
3设计实例
311概 述
在某桥方案设计中, 考虑河道变迁及通航, 跨径布置要求多跨300m 。300m 基本上是梁式桥的跨度极限, 而多跨300m 斜拉桥则存在中间跨没有外锚索、梁刚度不够的问题, 连续多跨的斜拉桥造价也将会很高。采用梁式桥与斜拉桥结合的部分斜拉桥方案则可以解决以上问题。设计采用四跨一联(150m +300m +300m +150m ) , 单索面, 塔梁墩固结, 主梁为单箱三室砼箱梁和双箱单室钢箱梁, 塔为变断面砼梁, 墩为双薄壁墩, 下部基础采用 1. 5m 钢管打入桩, 施工方
2在国内外的应用
部分斜拉桥最早起缘于日本。从1992年、1993年开始, 以小田原港桥、冲原大桥
Structural Engineers 2002; (2) ・设计方法研究・・8・
法为砼箱梁部分悬臂浇筑, 钢箱梁部分整体吊装。312结构布置
900m 。横断面布置为(0. 5+0. 75+3. 0+2×3. 75+0. 75+0. 5) +3. 0+(0. 5+0. 75+3. 0+2×3. 75+0. 75+0. 5) =13+3+13=29m 。总体布置见图1。
跨径组合为150+300+300+150=
国内外部分斜拉桥主要设计参数
桥名
屋代北桥屋代南桥小田桥港桥冲原大桥蟹泽大桥木曾川桥揖斐川桥芜湖长江大桥漳州战备大桥西新唐柜大桥土狩大桥都田川桥东新唐柜大桥又喜纳大桥保津桥三谷川二桥雪泽大桥
跨度
(m ) 55+90+5562+2×100+6573+122+7365. 4+180+76. 4100+180+100160+3×275+160154+4×271. 5+157180+312+18080. 0+132+80. 874. 1+140+69. 194+3×140+94
133+13366. 1+120+72. 1109. 3+89. 376+100+7657. 9+92. 970. 3+71+34. 4
0. 480. 760. 60
表1
主梁高度(m ) 根部
2. 52. 53. 55. 5. 5. 67. 07. 0143. 83. 56. 06. 53. 56. 02. 86. 53. 5
边跨/中跨
0. 610. 590. 600. 420. 560. 580. 570. 580. 610. 530. 67
塔高
(m ) 101210. [1**********]16. [1**********]. 41012. 811. 5
塔高/跨度
1/9. 01/8. 81/11. 61/11. 251/7. 51/9. 11/9. 01/8. 91/8. 01/11. 71/14. 01/6. 71/10. 01/4. 11/10. 01/7. 31/6. 2
高跨比根部
1/361/421/351/331/321/391/391/221/351/401/231/201/341/181/361/141/21
跨中
2. 52. 52. 23. 03. 34. 04. 0142. 42. 53. 04. 02. 53. 52. 82. 52. 0
跨中
1/361/421/551/601/551/691/681/221/551/561/471/331/481/311/271/371/36
图1 总体布置图
・设计方法研究・ 结构工程师2002; (2) ・9・ 在300m 范围内, 桥墩根部无索区段63m , 拉索区段为45. 75m , 均为砼箱梁, 砼箱梁长217. 5m , 中间8215m 区段为钢箱梁。
砼箱梁为变截面斜腹板单箱三室断面, 顶宽29m , 底宽19m , 腹板斜度1∶4. 952, 悬臂31066m 。根部砼箱梁梁高1015m , 高跨比1/28. 6, 底板厚度1m , 顶板厚度0. 25m , 四道腹板厚度均为0155m 。跨中箱梁梁高5m , 高跨比1/60, 顶底板厚度均为0. 25m , 斜腹板厚度0145m , 中腹板厚度014m 。
钢箱梁为双箱单室断面, 顶底板厚12mm , 腹板板厚10m , 单箱底宽6145m , 顶宽13m , 外轮廓与砼箱梁一致。
主塔为砼箱形, 纵桥向从4～15m 变宽, 横桥向从2～3m 变宽, 桥面以上塔高51m , 与跨度之比为1/5. 88, 塔顶设鞍座, 斜拉索在鞍座上通过
。
根拉索由37 j 15. 24钢绞线组成, R yb =1770MPa 。防腐措施为每根镀锌钢绞线外裹PE , 钢绞线拉索外包彩色PE 。
桥墩为双薄壁墩, 中心距11m , 薄壁墩断面为19m ×4m 三箱空间矩形, 壁厚019m 。
下部结构采用 1. 5m 钢管打入桩。
横断面布置见图2。施工步骤:
(1) 下部结构桩基和墩身施工, 拼装托架, 浇筑箱梁#0段砼, 立模分段浇筑索塔砼。
(2) 悬臂浇筑1～8节段, 相应张拉每
节段纵向预应力钢束。
(3) 悬臂浇筑9～16箱梁节段, 每节段张拉斜拉索及纵向预应力钢束。
(4) 船运82. 5m 钢箱梁至架设位置, 起吊安装钢箱梁, 张拉钢梁与砼梁接头预应力束。
313结构计算31311计算图式
采用平面计算图式, 节点总数187, 单元总数234, 共采用九个施工阶段。31312计算工况及荷载
计算工况包括悬臂施工, 体系转换, 成桥初期及成桥后期(3年) 运营阶段。31313荷载
(1) 施工阶段:自重, 二期恒载, 预应
力, 砼不同龄期的收缩和徐变。
(2) 运营阶段:汽车、挂车、支点沉降、温度力。支点沉降按1cm 计算, 温度力为整体升降30℃计。31314计算结果
正常使用极限状态内力包络图, 见图3。根部砼箱梁, 最大压应力为15. 2MPa ,
图2 横断面布置图
斜拉索每跨8对, 箱梁上间距6m , 每道
拉索位置在横桥向设两根并列, 单根斜拉索设计索力约500t , 采用镀锌钢绞线拉索, 每
最小压压力为1MPa , 在最外拉索端出现0. 8MPa 拉应力, 进一步调索后可使其不出现拉应力。正常使用极限状态砼梁应力包络图见图4。
Structural Engineers 2002; (2) ・设计方法研究・・10・
图3 正常使用极限状态组合Ⅰ
内力包络图
上缘应力包络图
下缘应力包络图
图4 正常使用极限状态组合Ⅰ砼梁应力包络图
钢箱梁在恒载作用下弯矩138000kN ・m , 汽车引起的最大弯矩43200kN ・m , 恒载应力96. 7MPa , 活载应力30MPa , 最大应力126. 7MPa 。
间的一种桥型, 其适用跨径大约在100～300m 之间。该桥型造型优美, 在日本已建造多座。国内目前建造较少, 以后将得到进一步的发展。
墩底恒载弯矩-69300kN ・m , 轴力21700kN ; 温度引起的弯矩±448000kN ・m , 轴力±587000kN ; 汽车引起的弯矩-24800kN ・m , 轴力21900kN 。经验算, 018%的配筋率可以满足受力要求。
参考文献
[1] 刘 岚译1体外预加力量PC 桥的规划与设
计. 国外桥梁,1993(4)
[2] 严国敏1试谈“部分斜拉桥”———日本屋代南
活载下挠度为01102m , 挠跨比1/2921。
桥、屋代北桥和小田原港桥梁1国外桥梁,
1996(1)
[3] 王 凯1漳州战备大桥设计1桥梁建设,
2001(1)
4小 结
部分斜拉桥是界于梁式桥和斜拉桥之
部分斜拉桥方案设计
李 映 徐利平
(同济大学, 上海200092)
提 要 部分斜拉桥是界于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型, 其适用跨度也界于梁式桥和斜拉桥之间。本文论述了该桥型的特点及在国内外的发展情况, 并给出了一个设计实例。关键词 部分斜拉桥, 结构设计
Design of Partially C able 2statyed B ridge
L I Y ing XU Liping
(Tongji University , Shanghai 200092)
Abstract Partially Cable 2stayed Bridge is a type of the bridge between the cable 2stayed bridge and PC beam bridge. The concept and character of this type of the bridge is discussed in this paper , the development of this type of the bridge all over the world is introduced and a practical design is given in the paper.
K eyw ords partially cable 2stayed bridge , structural design
1结构特点
111定 义
部分斜拉桥(Partially Cable 2stayed Br 2ridge ) , 也有人称之为“超配量体外索PC 桥(Extrodosed PC Bridge ) 或“矮塔斜拉(Low 2pylon Cable 2stayed Bridge ) ”, 本文采用严国敏教授在多篇文章中用到的“部分斜拉桥”这一名称。
在具有非常柔性加劲梁的斜拉桥和梁高非常高的梁式桥之间有一种过渡性的桥梁, 梁高位于它们之间, 斜拉索较正规斜拉桥少, 且主塔较矮。该桥具有斜拉桥和梁式桥的双重特性, 因此称之为“部分斜拉桥”, 也就是说在结构总体抗力中斜拉索只起部分作用而不是全部作用, 其“部分”的程度与
斜拉索刚度和加劲梁刚度的比值有关。
部分斜拉桥具有斜拉桥的形式, 但在布索、结构尺寸比例以及受力特性等方面又与真正的斜拉桥有明显的差别, 是界于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型, 当跨度超过梁式桥适用跨度而采用斜拉桥又不经济或刚度不够时, 部分斜拉桥正好发挥它的跨度优势。112特点
11211外形特征
(1) 加劲梁的高度由于有斜拉索的帮
助而比一般梁桥低, 但又比常规斜拉桥的柔性梁高大;
(2) 塔高比常规斜拉桥塔高小, 因为斜拉索只起体外索作用,1/9～1/11的梁高已可使体外索具有相当大的偏心距;
(3) 由于加劲梁已具有一定刚度, 因此
作为体外索之间的斜拉索不需象常规斜拉桥那样有端锚索, 对塔顶水平位移进行约束, 布索区段也无需覆盖全部加劲梁;
(4) 由于其受力更接近梁式桥, 因此在边中跨比更接近于梁式桥的0. 5～0. 6, 而不是常规斜拉桥的014左右。11212 受力特征
部分斜拉桥中的拉索应力幅比常规斜拉桥中的拉索应力幅小, 因此其拉索的允许应力是采用体外预应力索的允许应力, 即极限应力的60～70%, 安全系数117, 而常规斜拉桥中的拉索允许应力仅40%, 安全系数215。也就是说, 部分斜拉桥中的拉索从受力特征上讲更接近于一般PC 梁桥的体外预应力索。11213 构造特征
部分斜拉桥中的拉索在构造上与常规斜拉桥中的拉索不同之处在于塔上的锚固形式, 常规斜拉桥中的拉索在塔顶上锚固或张拉, 而部分斜拉桥则基本采用鞍座式, 斜拉索在塔顶连续通过, 由于摩擦力存在及固定装置, 实际上拉索在塔顶是不能滑动的。一般采用圆弧形双套管形式, 斜拉索从内钢管穿过, 施工完成后在内钢管内压入高标号环氧水泥浆。双套管形式可以使换索工作易于进行。11214 适用场合
(1) 跨度超过梁式桥而建斜拉桥不经济时;
(2) 对刚度要求较大, 常规斜拉桥不能满足要求, 如多跨斜拉桥或铁路斜拉桥。
(3) 塔高受限制的地方, 如飞机场附近。
为首开始了部分斜拉桥的实践,1995年又在铁路上建造了部分斜拉桥———屋代北桥、屋代南桥,1996年以来, 又相继修建了蟹泽大桥、木曾川桥、揖斐川桥等, 把跨径增大到了多跨275m , 形成了一种新的桥型。由于其造型优美, 受到桥梁界的赞誉, 在日本已建成此类型的桥梁近20座。
法国西南的阿勒特・达雷(Arret Darre ) 高架桥采用了部分斜拉桥, 跨度100m , 塔梁固结, 主梁为等截面箱梁。德国跨越莱于塞(Lesusses ) 山谷的低塔斜拉桥采用了等截面的简支梁, 由于梁的刚度较低, 它更接近于一般的斜拉桥而不是这里提到的部分斜拉桥。
我国部分斜拉桥的实践较少, 芜湖长江大桥是我国第一座部分斜拉桥, 其公铁两用的荷载、312m 的主跨、钢桁架加混凝土板的主梁等都使其具有相当的独特性。2000年7月开工的漳州战备大桥为三跨连续预应力混凝土箱梁加矮塔斜拉索, 是一座典型的部分斜拉桥, 主跨132m 。
表1给出国内外已建和在建的部分斜拉桥主要设计参数。
3设计实例
311概 述
在某桥方案设计中, 考虑河道变迁及通航, 跨径布置要求多跨300m 。300m 基本上是梁式桥的跨度极限, 而多跨300m 斜拉桥则存在中间跨没有外锚索、梁刚度不够的问题, 连续多跨的斜拉桥造价也将会很高。采用梁式桥与斜拉桥结合的部分斜拉桥方案则可以解决以上问题。设计采用四跨一联(150m +300m +300m +150m ) , 单索面, 塔梁墩固结, 主梁为单箱三室砼箱梁和双箱单室钢箱梁, 塔为变断面砼梁, 墩为双薄壁墩, 下部基础采用 1. 5m 钢管打入桩, 施工方
2在国内外的应用
部分斜拉桥最早起缘于日本。从1992年、1993年开始, 以小田原港桥、冲原大桥
Structural Engineers 2002; (2) ・设计方法研究・・8・
法为砼箱梁部分悬臂浇筑, 钢箱梁部分整体吊装。312结构布置
900m 。横断面布置为(0. 5+0. 75+3. 0+2×3. 75+0. 75+0. 5) +3. 0+(0. 5+0. 75+3. 0+2×3. 75+0. 75+0. 5) =13+3+13=29m 。总体布置见图1。
跨径组合为150+300+300+150=
国内外部分斜拉桥主要设计参数
桥名
屋代北桥屋代南桥小田桥港桥冲原大桥蟹泽大桥木曾川桥揖斐川桥芜湖长江大桥漳州战备大桥西新唐柜大桥土狩大桥都田川桥东新唐柜大桥又喜纳大桥保津桥三谷川二桥雪泽大桥
跨度
(m ) 55+90+5562+2×100+6573+122+7365. 4+180+76. 4100+180+100160+3×275+160154+4×271. 5+157180+312+18080. 0+132+80. 874. 1+140+69. 194+3×140+94
133+13366. 1+120+72. 1109. 3+89. 376+100+7657. 9+92. 970. 3+71+34. 4
0. 480. 760. 60
表1
主梁高度(m ) 根部
2. 52. 53. 55. 5. 5. 67. 07. 0143. 83. 56. 06. 53. 56. 02. 86. 53. 5
边跨/中跨
0. 610. 590. 600. 420. 560. 580. 570. 580. 610. 530. 67
塔高
(m ) 101210. [1**********]16. [1**********]. 41012. 811. 5
塔高/跨度
1/9. 01/8. 81/11. 61/11. 251/7. 51/9. 11/9. 01/8. 91/8. 01/11. 71/14. 01/6. 71/10. 01/4. 11/10. 01/7. 31/6. 2
高跨比根部
1/361/421/351/331/321/391/391/221/351/401/231/201/341/181/361/141/21
跨中
2. 52. 52. 23. 03. 34. 04. 0142. 42. 53. 04. 02. 53. 52. 82. 52. 0
跨中
1/361/421/551/601/551/691/681/221/551/561/471/331/481/311/271/371/36
图1 总体布置图
・设计方法研究・ 结构工程师2002; (2) ・9・ 在300m 范围内, 桥墩根部无索区段63m , 拉索区段为45. 75m , 均为砼箱梁, 砼箱梁长217. 5m , 中间8215m 区段为钢箱梁。
砼箱梁为变截面斜腹板单箱三室断面, 顶宽29m , 底宽19m , 腹板斜度1∶4. 952, 悬臂31066m 。根部砼箱梁梁高1015m , 高跨比1/28. 6, 底板厚度1m , 顶板厚度0. 25m , 四道腹板厚度均为0155m 。跨中箱梁梁高5m , 高跨比1/60, 顶底板厚度均为0. 25m , 斜腹板厚度0145m , 中腹板厚度014m 。
钢箱梁为双箱单室断面, 顶底板厚12mm , 腹板板厚10m , 单箱底宽6145m , 顶宽13m , 外轮廓与砼箱梁一致。
主塔为砼箱形, 纵桥向从4～15m 变宽, 横桥向从2～3m 变宽, 桥面以上塔高51m , 与跨度之比为1/5. 88, 塔顶设鞍座, 斜拉索在鞍座上通过
。
根拉索由37 j 15. 24钢绞线组成, R yb =1770MPa 。防腐措施为每根镀锌钢绞线外裹PE , 钢绞线拉索外包彩色PE 。
桥墩为双薄壁墩, 中心距11m , 薄壁墩断面为19m ×4m 三箱空间矩形, 壁厚019m 。
下部结构采用 1. 5m 钢管打入桩。
横断面布置见图2。施工步骤:
(1) 下部结构桩基和墩身施工, 拼装托架, 浇筑箱梁#0段砼, 立模分段浇筑索塔砼。
(2) 悬臂浇筑1～8节段, 相应张拉每
节段纵向预应力钢束。
(3) 悬臂浇筑9～16箱梁节段, 每节段张拉斜拉索及纵向预应力钢束。
(4) 船运82. 5m 钢箱梁至架设位置, 起吊安装钢箱梁, 张拉钢梁与砼梁接头预应力束。
313结构计算31311计算图式
采用平面计算图式, 节点总数187, 单元总数234, 共采用九个施工阶段。31312计算工况及荷载
计算工况包括悬臂施工, 体系转换, 成桥初期及成桥后期(3年) 运营阶段。31313荷载
(1) 施工阶段:自重, 二期恒载, 预应
力, 砼不同龄期的收缩和徐变。
(2) 运营阶段:汽车、挂车、支点沉降、温度力。支点沉降按1cm 计算, 温度力为整体升降30℃计。31314计算结果
正常使用极限状态内力包络图, 见图3。根部砼箱梁, 最大压应力为15. 2MPa ,
图2 横断面布置图
斜拉索每跨8对, 箱梁上间距6m , 每道
拉索位置在横桥向设两根并列, 单根斜拉索设计索力约500t , 采用镀锌钢绞线拉索, 每
最小压压力为1MPa , 在最外拉索端出现0. 8MPa 拉应力, 进一步调索后可使其不出现拉应力。正常使用极限状态砼梁应力包络图见图4。
Structural Engineers 2002; (2) ・设计方法研究・・10・
图3 正常使用极限状态组合Ⅰ
内力包络图
上缘应力包络图
下缘应力包络图
图4 正常使用极限状态组合Ⅰ砼梁应力包络图
钢箱梁在恒载作用下弯矩138000kN ・m , 汽车引起的最大弯矩43200kN ・m , 恒载应力96. 7MPa , 活载应力30MPa , 最大应力126. 7MPa 。
间的一种桥型, 其适用跨径大约在100～300m 之间。该桥型造型优美, 在日本已建造多座。国内目前建造较少, 以后将得到进一步的发展。
墩底恒载弯矩-69300kN ・m , 轴力21700kN ; 温度引起的弯矩±448000kN ・m , 轴力±587000kN ; 汽车引起的弯矩-24800kN ・m , 轴力21900kN 。经验算, 018%的配筋率可以满足受力要求。
参考文献
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活载下挠度为01102m , 挠跨比1/2921。
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4小 结
部分斜拉桥是界于梁式桥和斜拉桥之