独塔无背索斜拉桥.pdf

本发明公开了一种独塔无背索斜拉桥包括桥墩和设置在桥塔与主梁之间的斜索；桥塔由牵索塔臂和配重塔臂构成，牵索塔臂为竖向设置，其迎索面斜度为3.1∶5，背索面斜度为2∶5，牵索塔臂下部的宽度大于其上部的宽度；配重塔臂为水平方向设置；牵索塔臂与配重塔臂通过桥梁主塔大横梁及连续配重仓连接为一体；牵索塔臂与配重塔臂汇集于桥梁主墩；主梁采用预应力钢筋混凝土拉杆大悬臂脊骨梁结构，主梁为单箱单室截面，主梁每索间距设两道撑梁，撑梁为倒T形截面，在设置撑梁相应位置处主梁箱室内设置有横隔板，横隔板顶面与主梁顶板之间设置有空隙；悬臂—主梁—悬臂按二次抛物线变化；撑梁内设置有横向预应力钢束；主墩基础采用沉井，其余墩位采用钻孔灌注桩。

1.  一种独塔无背索斜拉桥，包括桥墩和设置在桥塔与主梁之间的斜索；其特征在于：
所述桥塔由牵索塔臂和配重塔臂构成，所述牵索塔臂为竖向设置，其迎索面斜度为3.1∶5，背索面斜度为2∶5，所述牵索塔臂下部的宽度大于其上部的宽度；所述配重塔臂为水平方向设置；所述牵索塔臂与所述配重塔臂通过桥梁主塔大横梁及连续配重仓连接为一体；所述牵索塔臂与所述配重塔臂汇集于桥梁主墩；
所述主梁采用预应力钢筋混凝土拉杆大悬臂脊骨梁结构，所述主梁为单箱单室截面，所述主梁每索间距设两道撑梁，所述撑梁为倒T形截面，在设置撑梁相应位置处主梁箱室内设置有横隔板，所述横隔板顶面与所述主梁顶板之间设置有空隙，以免所述主梁行车局部应力与桥梁总体荷载响应耦合；所述主梁由一端悬臂过渡到箱高，再由箱室过渡到另一端悬臂按二次抛物线变化；所述撑梁内设置有横向预应力钢束；
所述桥墩中的主墩基础采用沉井，其余墩位采用钻孔灌注桩。

2.  根据权利要求1所述独塔无背索斜拉桥，其特征在于，所述牵索塔臂全高65米，轨顶以上部分的高度小于跨径的1/2，所述牵索塔臂由两片塔壁组成，壁厚为1.5米，位于主梁的两侧分布；所述牵索塔臂通过四道翼形横撑连接，在轨顶以上8米开始，牵索塔臂过渡到配重塔臂；所述桥塔采用的44孔大吨位钢绞线群锚；所述配重塔臂依靠满堂支架支撑。

3.  根据权利要求1所述独塔无背索斜拉桥，其特征在于：所述主梁全宽11.6米，依次由一端悬臂、箱室和另一端悬臂组成，其各段宽度依次为3.8米、4.0米和3.8米；梁高正常段为2.325米，在距塔根部大横梁30米范围内梁高由2.325米按照二次抛物线轨迹渐变到4.325米；所述撑梁全高为50cm，翼缘宽40cm，腹板宽20cm；所述主梁箱室截面的顶、底板厚度为25cm，腹板厚度为40cm；所述主梁箱室内的横隔板厚度为20cm。

4.  根据权利要求1所述独塔无背索斜拉桥，其特征在于：所述斜索有18对，相邻两索之间的索距为6.5米。

独塔无背索斜拉桥
技术领域
本发明涉及一种桥梁，尤其是涉及一种斜拉桥。
背景技术
目前，斜拉桥本身是比较成熟的桥型，主要包括对称布索斜拉桥、不对称布索斜拉桥和无背索斜拉桥。其中，对称拉索的桥塔为主梁提供一定的预顶力和弹性支撑，是大跨度桥梁经常采用的结构形式；不对称布索斜拉桥的桥塔不一定是正直的，但桥塔两侧的索力仍然是基本平衡的，其工作状态与标准斜拉桥是没有区别的；而无背索斜拉桥则完全不同，桥塔仅一侧承受斜索力，上述几种不同结构桥梁的共同特点是：主梁采用钢结构，轻盈的钢结构主梁降低桥塔的构造难度；桥塔倾斜一定角度，依靠塔身的自重平衡斜索力；塔身的重量需求决定了塔身的尺寸较大。
无背索斜拉桥的桥塔需要平衡牵索力产生的强大倾覆力矩。即，塔身必须具有足够的抗倾覆能力，在活载空载状态下略大于梁体产生的的倾覆力矩，在活载满载时略小于全部荷载的倾覆力矩。常规的无背索斜拉桥桥塔是依靠桥塔牵索段的自重来实现的，为此桥塔的各段截面必须与斜索水平力相对应，桥塔越倾斜，塔身自重的工作效率越高。同时，为尽量降低桥塔承受的水平力，常规无背索斜拉桥会尽量加大斜索的仰角，这样对主梁同等支撑效果时塔身承受的水平力更小。这就意味着，为加大斜索的仰角，必须提高塔高和限制塔身斜度，而限制塔身斜度意味着配重效率的降低。基于这样的矛盾，常规无背索斜拉桥会选择一个体态比较臃肿的桥塔，高度上也无法顾及塔高与跨径的比例是否协调，丧失了结构先天的力度美。另外，无背索斜拉桥不同于常规斜拉桥可采用的漂浮或半漂浮体系，其主梁必须与塔身固结或为主梁提供其他的止推措施。因此，如何使桥梁不但具有新颖的桥型，全新的体系，而且能达到苛刻的目标状态，已成为桥梁设计研究方面的重大技术问题。
现有技术中双索面独斜塔无背索斜拉桥的主梁主要是采用混凝土结构设计，其设计难度很大，需要更精确的控制结构的成型状态；另外，不同于钢材的线弹性，混凝土具有收缩和徐变的特点，又加大了设计难度。而钢结构主梁虽然比混凝土结构主梁更轻盈，但会在极大程度上降低主塔的承载力要求。
迄今为止，还没有一种结构合理，桥型协调、美观，并能降低工程造价的混凝土结构的独塔无背索斜拉桥。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构合理，桥型协调、美观，并能降低工程造价的混凝土结构的独塔无背索斜拉桥。以此保证无背索斜拉桥的桥型在塔高与跨径的比例协调的前提下具有结构先天的力度美，本发明独塔无背索斜拉桥突破了斜拉桥桥主塔构造方式常规处理的瓶颈，将主塔由水平方向的配重塔臂和倾斜的牵索塔臂两部分组成。配重塔臂将常规无背索斜拉桥中浪费到牵索区的工程材料转移到配重效率更高的配重塔臂上，不但加大了与主墩的矢矩，同时兼具了行车系，最重要的是，解除了牵索塔臂对自重的依赖，为设计更协调、更美观的桥梁提供了基本前提。在确定桥梁主梁结构时，混凝土主梁造价远远低于钢结构，当结构自重在全部荷载中不处于主导地位时，工程造价是桥梁设计的首要因素。
为了解决上述技术问题，本发明独塔无背索斜拉桥予以实现的技术方案是：包括桥墩和设置在桥塔与主梁之间的斜索；所述桥塔由牵索塔臂和配重塔臂构成，所述牵索塔臂为竖向设置，其迎索面斜度为3.1∶5，背索面斜度为2∶5，所述牵索塔臂下部的宽度大于其上部的宽度；所述配重塔臂为水平方向设置；所述牵索塔臂与所述配重塔臂通过桥梁主塔大横梁及连续配重仓连接为一体；所述牵索塔臂与所述配重塔臂汇集于桥梁主墩；所述主梁采用预应力钢筋混凝土拉杆大悬臂脊骨梁结构，所述主梁为单箱单室截面，所述主梁每索间距设两道撑梁，所述撑梁为倒T形截面，在设置撑梁相应位置处主梁箱室内设置有横隔板，所述横隔板顶面与所述主梁顶板之间设置有空隙，以免所述主梁行车局部应力与桥梁总体荷载响应耦合；所述主梁由一端悬臂过渡到箱高，再由箱室过渡到另一端悬臂按二次抛物线变化；所述撑梁内设置有横向预应力钢束；所述桥墩中的主墩基础采用沉井，其余墩位采用钻孔灌注桩。
本发明独塔无背索斜拉桥，其中，所述牵索塔臂全高65米，轨顶以上部分的高度小于跨径的1/2，所述牵索塔臂由两片塔壁组成，壁厚为1.5米，位于主梁的两侧分布；所述牵索塔臂通过四道翼形横撑连接，在轨顶以上8米开始，牵索塔臂过渡到配重塔臂；所述桥塔采用的44孔大吨位钢绞线群锚；所述配重塔臂依靠满堂支架支撑。所述主梁全宽11.6米，依次由一端悬臂、箱室和另一端悬臂组成，其各段宽度依次为3.8米、4.0米和3.8米；梁高正常段为2.325米，在距塔根部大横梁30米范围内梁高由2.325米按照二次抛物线轨迹渐变到4.325米；所述撑梁全高为50cm，翼缘宽40cm，腹板宽20cm；所述主梁箱室截面的顶、底板厚度为25cm，腹板厚度为40cm；所述主梁箱室内的横隔板厚度为20cm。所述独塔无背索斜拉桥中的斜索有18对，相邻两索之间的索距为6.5米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是；
(1)由于本发明独塔无背索斜拉桥中的桥塔是由水平方向的配重塔臂和倾斜的牵索塔臂两部分组成，因此，配重塔臂将常规无背索斜拉桥中浪费到牵索区的工程材料转移到配重效率更高的配重塔臂上，不但加大了与主墩的矢矩，同时兼具了行车系，最重要的是，解除了牵索塔臂对自重的依赖，为设计更协调、更美观的桥梁提供了基本前提。从而保证了无背索斜拉桥的桥型在塔高与跨径的比例协调的前提下具有结构先天的力度美。
(2)本发明结构的独塔无背索斜拉桥得以使用混凝土这一使用条件苛刻的材料完成桥体的建设，从而避免了造价高昂的钢结构主体结构，仅用钢结构主桥预算的40％完成桥体的建设，为建设单位节约了大量资金，创造了良好的经济效益。
附图说明
图1-1是本发明独塔无背索斜拉桥的结构示意图；
图1-2是图1-1所述斜拉桥的侧视图；
图2-1是本发明独塔无背索斜拉桥中桥塔的结构立体图；
图2-2是图2-1所示桥塔的侧视图；
图2-3是图2-1所示桥塔的主视图；
图3是本发明独塔无背索斜拉桥中桥塔的受载历程示意图；
图4-1至图4-10是本发明独塔无背索斜拉桥中桥塔的施工流程；
图5是本发明独塔无背索斜拉桥中主梁结构示意图；
图6是图5中所示主梁撑梁外形图。
下面是说明书附图中主要部位附图标记的说明：
下面是说明书附图中主要部位附图标记的说明：
100——桥塔          10——牵索塔臂               11——迎索面
12——背索面         13——牵索塔臂下部           14——牵索塔臂上部
15——翼形横撑       16——轨顶                   20——配重塔臂
110#——主墩         108#、109#——支撑配重塔臂墩
51——1#主动支墩     52——2#主动支墩             53——3#主动支墩
54——4#主动支墩     60——被动支墩               200——主梁
300——斜索          201——撑梁腹板              202——预应力钢束
203——横隔板        204——撑梁腹板与横隔板连接点
205——撑梁
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1-1和图1-2所示，本发明独塔无背索斜拉桥包括桥墩和设置在桥塔100与主梁200之间的斜索300；所述斜索有18对，相邻两索之间的索距为6.5米；所述桥墩中的主墩基础采用沉井，其余墩位采用钻孔灌注桩。下面分别对本发明中涉及到的桥塔100和主梁200的特点进行详细描述。
本发明独塔无背索斜拉桥中桥塔的结构特点、受载历程及施工方案和施工流程。
如图2-1、图2-2和图2-3所示，所述桥塔100由竖向的牵索塔臂10和水平的配重塔臂20构成，所述配重塔臂20将常规无背索斜拉桥中浪费到牵索区的工程材料转移到配重效率更高的配重塔臂上，这样不但加大了与主墩的矢矩，同时兼具了行车系，最重要的是，解除了牵索塔臂10对自重的依赖，为设计更协调、更美观的桥梁提供了基本前提。设：配重塔臂20的支撑墩为108#和109#墩，主墩为110#墩。所述牵索塔臂10全高为65米，其迎索面11斜度为3.1∶5，背索面12斜度为2∶5，轨顶16以上部分的高度为60米，该值是按照小于跨径的1/2来确定的，所述牵索塔臂10由两片塔壁组成，壁厚为1.5米，且位于主梁200的两侧；所述牵索塔臂10通过四道翼形横撑连接，所述牵索塔臂下部13的宽度大于其上部14的宽度，在轨顶16以上8米开始，所述牵索塔臂10过渡到配重塔臂20，两片塔壁通过主塔大横梁及连续配重舱(兼具行车系)连接为整体，所述牵索塔臂10与配重塔臂20汇集于110#主墩，通过两个塔壁内的预应力钢束202紧密连接为锐利和充满力量感的强大整体；所述配重塔臂20依靠满堂支架支撑，所述桥塔100采用的44孔大吨位钢绞线群锚，由此开创了我国预应力应用水平的先河。
本发明独塔无背索斜拉桥桥塔的受载历程是：由于本发明中涉及到的桥塔100是由刚性连接的两大部分组成，一部分是竖向的牵索塔臂10，另一部分是水平的配重塔臂20。当未牵索时，竖向的牵索塔臂10依靠配置与迎索面11的普通钢筋和劲性骨架来承担整个斜塔臂的自重弯矩；配重塔臂20依靠满堂支架支撑，原则上不受力。当开始牵索时，随着索力和塔内预应力的逐步施加，牵索塔臂10的迎索面10逐渐受压，并依靠背索面12的竖向预应力钢束抵抗斜索水平力产生的弯矩。同时，施加于配重塔臂20满堂支架的压力逐渐下降，塔臂重量通过水平预应力钢束逐渐转移到110#主墩110。最终当全桥竣工时，牵索塔臂10和配重塔臂20完成体系转换，达到设计工作状态。此时，桥塔的重量基本由110#主墩承担，支撑配重塔臂墩108#墩和109#墩仍提供一部分支撑反力，这部分反力是抵抗斜索产生的倾覆力矩的安全储备，(该反力为配重塔臂墩108、109#横梁的设计条件)，使得主墩110#墩在活载作用下永远处于轴心受压状态。假设，原则上依靠满堂支架支撑的配重塔臂20在体系转换前不受力，其基本的前提是满堂支架的支撑刚度达到与三个永久墩位相同的水平。根据桥塔100的结构和受载特点，在具体实施过程中要进一步考虑桥塔劲性骨架的配置方式、桥塔混凝土浇筑阶段与普通钢筋构造的相互配合、桥塔施工工艺对桥塔刚度变化的适应性等。
最终制定的施工方案如图3所示，即在109#和110#墩之间按特定的间距布置4个临时支墩。其中：3个主动支墩(包括1#主动支墩51、2#主动支墩52和3#主动支墩53)，可以通过千斤顶调整各主动支墩的支承力。一个被动支墩60，在特定的时间参与工作。
由于本发明独塔无背索斜拉桥中的桥塔为大体积混凝土结构，不可能一次浇筑完成，满堂支架也不可能完全支撑全部桥塔混凝土的重量。分步浇筑的混凝土桥塔必然不同于整体成型，随各个浇筑阶段的逐步实施和最终斜拉索的张拉完成，桥塔各墩位的支撑反力、各层桥塔混凝土的受载水平等都在不断变化。桥塔混凝土在完全成形后内部封存的应力会直接影响其在长期使用过程中的工作状态，因此，需要根据桥塔的受载历程设计出一套合理的施工工艺，最大限度的消除桥塔的施工应力。下面结合图4-1至图4-10描述本发明中根据桥塔的受载历程所确定的桥塔施工流程：
阶段1：如图4-1所示，满堂支架上浇筑109～110#墩主塔2米高范围。
阶段2：如图4-2所示，浇筑塔臂至3.5米高，局部拆除部分支架；同步浇筑各个主动支墩，即1#主动支墩51、2#主动支墩52和3#主动支墩53。
阶段3：如图4-3所示，分别在1#主动支墩51、2#主动支墩52和3#主动支墩53的墩顶安放垫块、与塔臂密贴；同时浇筑被动支墩60除墩帽之外的部分。
阶段4：如图4-4所示，按顺序施加顶升力：施加2#主动支墩52顶升力至650吨，施加1#主动支墩51顶升力至800吨，施加3#主动支墩53顶升力至600吨，补充2#主动支墩52顶升力至600吨；最后浇筑被动支墩60的其余部分。
该阶段中，顶升2#主动支墩52后主塔将局部向上脱离支架，为安全起见，不再考虑满堂支架的作用，此时，主塔各部位最大主拉应力为1.745MPa。顶升1#主动支墩51后，主塔顶缘最大主拉应力2.813MPa，对该主塔节段的顶缘配置足够的普通钢筋以抵抗支墩主动力产生的负弯矩。顶升3#主动支墩53后，主塔顶缘最大主拉应力2.24MPa，由于增加了支点，降低了1#主动支墩51处的负弯矩。补充顶升2#主动支墩52后，主塔顶缘最大主拉应力2.427MPa，在主塔下缘储备了一定的压应力。该阶段结束后，全部临时支撑进入被动受力模式。
阶段5：如图4-5所示，浇筑塔臂至6.0米高度，等待混凝土强度提高至35MPa。
阶段6：如图4-6所示，浇筑塔臂至9.0米高度，等待混凝土强度提高至35MPa；然后可不受控制的浇筑塔臂至36米高；主塔下缘主拉应力均在规范允许范围内，局部加载的应力集中点周围的最大主应力在2.28MPa。
阶段7：如图4-7所示，浇筑108#～109#墩合龙段，并将其浇筑3.5米高，在保证地基承载力的基础上，浇筑4#主动支墩54；
随着该阶段108#～109#墩塔臂浇筑的开始，109#墩附近的塔臂最不利处的截面刚度迅速增加，且随着主塔的浇筑完成，主塔下缘的应力基本变化很小。
阶段8：如图4-8所示，待混凝土达到设计强度后，在4#主动支墩54的墩顶安放垫块，与塔臂密贴；对4#主动支墩54缓慢均匀施加顶力至800吨，并加垫铁逐步垫高垫块，待支墩沉降完全中止后垫紧垫铁，保证支墩反力大于800吨；根据主塔钢束安装的需要，可拆除3#主动支墩53，被动支墩60保留。
阶段9：如图4-9所示，浇筑塔臂至6.0米高，等待混凝土强度提高至35MPa。
阶段10：如图4-10所示，完成主塔配重段的浇筑；按阶段浇筑主塔，待主塔浇筑完毕，张拉完斜索初索力后方可拆除支墩。其间应加强对各支墩的反力及沉降观测。
按照上述施工流程，全部浇筑完成后，各层封存的应力较小，符合永久工作状态的要求，达到了设计预期的效果。由于本发明中的桥塔塔身受力体系合理，在施加全部桥塔预应力和斜索力后，配重塔臂的工作状态十分理想。
本发明独塔无背索斜拉桥的桥塔采用高标号大体积混凝土结构，配重塔臂的刚度随浇筑阶段不断改变，若用常规的施工方式是难以完成桥塔的建设。
下面结合图5和图6描述本发明独塔无背索斜拉桥中主梁的结构特点：
如图5所示，本发明桥梁中的主梁200采用预应力钢筋混凝土拉杆(撑梁205)大悬臂脊骨梁结构，主梁全宽11.6米，3.8米(悬臂)+4.0米(箱室)+3.8米(悬臂)，梁高正常段2.325米，在距塔根部大横梁30米范围内梁高由2.325米渐变到4.325米，按二次抛物线变化。主梁200为单箱单室截面，顶、底板标准厚度为25cm，腹板标准厚度为40cm。主梁200每索间距设两道拉杆(撑梁205)，即每3.25米设一道。拉杆(撑梁205)表示了同一构件在不同受载工况下的受力状态，未施加索力前为撑梁，施加索力后为拉杆。撑梁205为倒T形截面，全高为50cm，翼缘宽40cm，撑梁腹板201的宽度20cm。在设置撑梁205相应位置处，主梁箱室内设置横隔板203，横隔板203的厚度为20cm，高度并非满箱室设置，横隔板203的顶面与主梁200的顶板不接触，以避免主梁200行车局部应力与总体荷载响应耦合。撑梁205内设置横向预应力钢索202(也可称为预应力拉杆)，预应力钢索202(拉杆)在斜索安装前张拉完毕，在使用阶段将索力传递到主梁箱室的腹板。钢筋混凝土撑梁205保证翼板在斜索力加载前的安全，当张拉钢束202完毕时，钢束202对结构的压力由撑梁205及贯穿箱室的横隔板203承担，此时对钢束202的孔道灌浆。当施加斜索力时，储存在撑梁205内的压力释放，形成预应力拉杆将斜索力传递到主箱室腹板的受力模式。
本发明独塔无背索斜拉桥的混凝土主梁200相比现有技术中的钢结构主梁，其区别是：首先，C50混凝土的容许正应力为0～-17.5MPa，而Q345钢材为210～-210MPa，可以看出，当主梁200采用混凝土结构时，要更精确的控制结构的成型状态；同时，不同于钢材的线弹性，混凝土具有收缩和徐变的特点。本发明独塔无背索斜拉桥采用碎石道床的双线轻轨桥梁，二期恒载和活载集度远远大于一般公路桥梁，梁体自重在全部荷载中所占的比重远远小于一般公路桥梁。与现有技术中钢结构主梁降低的自重占全部荷载的比重很小优势并不明显。而混凝土结构的优势在于造价远远低于钢结构，当结构自重在全部荷载中不处于主导地位时，工程造价成为了首要的因素，这是本发明独塔无背索斜拉桥采用混凝土结构的直接原因。本发明结构的独塔无背索斜拉桥得以使用混凝土这一使用条件苛刻的材料完成桥体的建设，从而避免了造价高昂的钢结构主体结构，仅用钢结构主桥预算的40％完成桥体的建设，为建设单位节约了大量资金，创造了良好的经济效益。
另外，在本发明独塔无背索斜拉桥的设计中，为解决撑梁在无索力情况下压应力过大的问题。首先，在撑梁的受压边加强受压钢筋的配置；同时加强箍筋对受压钢筋的保护作用；其次，采用型钢保护受压区的边角，防止截面损失带来不利影响。再次，将撑梁腹板与横隔板的连接点204设计为圆弧过渡，增强受拉钢筋的效率，如图6所示。
在本发明独塔无背索斜拉桥的设计中，为解决吊索带索孔附近顺、横桥向拉应力过大的问题，采取了限制裂缝开展的方法。另外，本发明独塔无背索斜拉桥中限制裂缝开展的构造措施是：拉筋用以抵抗横桥向拉应力产生的裂缝，防治裂缝延顺桥向开展。钢板则用来防止顺桥向应力产生的裂缝继续开展，锚筋则可保证钢板与混凝土的整体性。不过，即便裂缝的长度可以限制，裂缝的出现仍会导致钢筋逐渐失效，为此，有必要在吊索带表面做有机弹性体涂装，对拉筋和钢板做环氧涂装。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。