混凝土矮塔斜拉桥经济特性研究.pdf

第 3 9卷 ， 第 2期 2 0 1 4 年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9，No 2 Ap r， 20 1 4 混凝土矮塔斜拉桥经济特性研究 陈从 春 ( 上海应用技术学院 城市建设 与安全工程学院 ， 上海2 0 1 4 1 8 ) 摘要 】为弄清楚矮塔斜拉桥经济 特性 分析了国 内外若干座矮塔斜拉桥的主要 材料用量情况 ， 并采 用数学 拟合的方法得到了其主要材料用量与桥梁跨径的关系式； 同时研究了矮塔斜拉桥的经济跨径， 并得出主跨大于 1 9 0 m后 ， 矮塔斜拉 桥比连续 ( 梁 ) 刚构和斜拉桥都便宜的结论。 关键词 混凝土 ； 矮塔斜拉桥 ；斜拉 桥；连续梁 ； 经济指标 ；经济跨径 中图分 类号 U 4 4 8 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 3 2 0 3 S t u d y o n t h e Ec o n o mi c a l Ch a r a c t e r o f Ex t r a d o s e d Ca b l e - s t a y e d Br i d g e s CHEN Cong c hun ( S c h o o l o f U r b a n C o n s t r u c t i o n a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i ， 2 0 1 4 1 8 ，c h i n a ) A b s t r a c t T h e ma i n m a t e r i a l c o n t e n t o f c o n c r e t e e x t r a d o s e d c a b l e s t a y e d b r i d g e s i s c o l l e c t e d a n d a n a l y s e d i n t he d o me s t i c a n d o v e r s e a，t he n t h e f o r mu l a t i o n s b e t we e n t he m a n d ma i n s p a n l e n g t h a r e fi t t e d T h e e c o n o mi c a l s p a n o f e x t r a d o s e d c a b l e - s t a y e d b r i d g e s i s s t u di e d a nd t h e c o n c l u s i o n i s d r a wn t h a t t h e c o s t o f e x t r a d o s e d c a b l e s t a y e d b r i d g e i s c he a p t h a n t h a t o f c o n t i n u o u s g i r d e r b r i d g e s a n d c a b l e s t a y e d b r i d g e s wh e n t h e i r ma i n s p a n i s o v e r 1 90 me t e r l o n g Ke y wo r d s c o n c r e t e ；e x t r a d o s e d c a b l e s t a y e d b r i d g e ；c a b l e s t a y e d b r i d g e ；c o n t i n u o u s g i r d e r b r i d g e；e c o n o mi c a l i n d e x；e c o n o mi c a l s p a n 1 概 述 矮塔斜拉桥是一 种较新的桥型 ， 上世纪九十年 代 中期 在 日本 开 始 建 造 ， 并 得 到快 速 发 展 ， 至 2 0 0 5 年即已建成 2 7座。我国于本世纪初开始修建 ， 并 逐渐受到国内工程师重视 ， 据不完全统计 ， 目前国内 已建和在建的矮塔斜拉桥也有 2 0余座。中 日之外 其他国家建成也有约 1 0座。在 大跨度桥梁方案 比 选 中， 矮塔斜拉桥是一个备选方案 ， 具有一定的竞争 优势 。随 着更 多 的工 程 师 对这 种 桥 型 的 了解 ， 矮塔 斜拉桥将会得到更快的发展。 桥梁方案 比较中 ， 根据桥址情况， 有许多因素是 要考虑的内容。其 中， 桥梁的技术经济指标是确定 一 座桥梁设 计方案 的合 理性与经济性 的标志 。 目 前 ， 各国都以每平方米桥面的三材( 混凝 土、 预应力 钢筋、 普通钢筋 ) 的用量和每平方米桥面 的造价来 表示预应力混凝土桥梁技术经济指标。 尼尔斯 J 吉姆辛在文献 2 中对 常规斜拉桥 拉索用量作过推导， 矮塔斜拉桥发展历史不长， 未见 有学者推导出了拉索以及 主梁的主要材料用量理论 公式 ， 究其原因是索、 梁组合结构 ， 受力 比较复杂 ， 材 料 用 量很难 用理 论公 式 来 表 达 ， 即便 推 导 出理 论 公 式 ， 也 是某 种 理 想 状 况 下 ， 与 实 际 情 况 会 有 一 定 差 异。基于这两方面的因素 ， 本 文试 图根据 已建的混 矮塔凝土斜拉桥材料用量人手 ， 用统计的方法 ， 得出 单位 面 积上 的材料用 量 与跨径 的关 系 。 2 主梁混凝土用量 与跨径 的关系 表 l是国内外的部分矮塔斜拉桥的材料用量统 计 ， 由于资料有 限， 将单塔矮塔斜拉桥 的跨径 ， 乘以 1 8倍的 系数换算 为双塔 的跨径 。样本选取 时 ， 以 日本矮塔斜拉桥为主 ， 国内 5座 ， 这样可 以互 收稿 E t 期 2 0 1 3 0 6 2 l 作者简介 陈从春 ( 1 9 7 0 ) ， 湖北公安人 ， 博士 ， 副教授 ， 从事桥梁设计理论及应用研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 陈从春 ： 混凝土矮塔斜拉桥经济特性研究 1 3 3 为比较 。从表中可以看出 ， 混凝 土矮塔斜拉桥 的经 济技术指标除与荷载等级 、 施工方法 有关 外 ， 还受 边 、 中跨 的比例以及墩梁固结影响。表中可以看出， 国内矮塔斜拉桥的材料用量普遍低于 日本 用量， 表 明国内桥梁承载力富余度低于 E t 本。另外还可以看 出， 无论 中日桥梁 ， 矮塔斜拉桥拉索用量较多时 ， 梁 体预应力钢筋就较少 ， 表明矮塔斜拉桥抵抗外荷载， 拉索和预应力钢筋是此消彼涨的关系。 表 1 混凝土主梁矮塔斜拉桥 的主要经 济技 术指标 Ta b l e 1 Th e ma i n e c o n omi c a l i n de x o f c o n c r e t e e x t r a do s e d c a bl e - s t a y e d br i d g e s 注 ： 表 中 P c ( 内) 为梁体 内预应力 ； P G( 外 ) 为梁体外预应 力 ； 普通钢 筋中括号 内数据为钢板用量 。 根据表 1中的数据 ， 对 矮塔斜拉桥主梁的单位 面积上的混凝土用量进行拟合 ， 见 图 1 ， 虽然相关性 不太大， 但 仍可 作为 参考。该 图中混凝 土 指标 为 Y =0 0 0 1 0 5 + 0 7 9 6 6 3 ( m m ) 。 吕 暑 赠 主跨跨径 n l 图 1 混凝土矮塔斜拉桥主 跨与 主梁砼 用量关系图 Fi g u r e 1 Th e d i a g r a m b e t we e n t h e g i r d e r c o n c r e t e d o s a g e a n d t he ma i n s p a n o f c o nc r e t e e x t r a do s e d c a b l e s t a y e d b r i dg e s 3 主梁普通钢 筋与主跨的关 系 根据表 1中的普通钢筋数据 ， 绘于图 2中， 采用 线性拟合 ， 得到单位面积的钢筋用量与跨径 的关系 如下 ： Y：0 2 4 8 5 2 + 8 5 2 2 7 1 5( k g m ) 。 昌 吕 蟋 赠 + H 图 2混凝土矮塔斜拉桥主跨与主梁普通钢筋用量关 系图 Fi g ur e 2 The d i a g r a m b e t we e n t he g i r de r s t e e l b a r qu a n t i t y a nd t h e ma i n s p a n o f c o n c r e t e e x t r a d o s e d c a b l e s t a y e d br i dg e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 4 公路工程 3 9卷 4 预 应力钢筋 ( 含拉索 ) 与跨径的关 系 矮塔斜拉桥的拉索用量和预应力共同抵抗正负 弯矩 ， 因此将二者统一成一个参量来描述。考虑到 拉索和预应力 钢筋 的综合单价不同 ， 根据文献 2 第 4章的阐述， 拉索 的费用一般约是预应力钢筋 的 2 5倍， 故将其乘以 2 5折算成预应力钢筋， 且单塔 斜拉桥的跨径乘以 1 8倍系数折算成双塔斜拉桥的 跨径。 以线性规律拟合 出来 的混凝土斜拉桥 主跨与 P C钢筋用量关系见图 3， 其方程为： 预应 力钢筋 ： Y=0 1 2 1 8 + 6 3 1 6 3 5 5 ( k g m ) 式中 为主跨 的跨径。 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 主跨跨 径 m 图 3混凝土矮塔斜拉桥主跨与预应力钢筋用量关 系图 Fi g u r e 3 Th e di a g r a m b e t we e n t h e g i r d e r p r e s t r e s s e d r e i n f o r e e me nt a mou n t a n d t h e ma i n s p a n o f c o n c r e t e e x t r a do s e d c a bl e s t a y e d b r i d g e 5 矮塔斜拉桥 经济跨径的确定 有 了上述矮塔斜拉桥主要材料用量公式 ， 再根 据连续梁( 刚构) 桥主要材料指标公式 ： 混 凝 土 ： Y= 0 0 0 3 0 9 + 0 5 l 8 0 1( m m ) ； 普 通 钢筋 ： Y =0 4 0 6 7 2 + 5 1 7 9 2 7 9 ( k g m ) ； 预应 力钢 筋 ： Y= 0 3 3 3 4 3 +1 4 1 9 6 7 5 ( k g m ) 。 以及斜拉桥主要材料指标公式 ： 混凝 土 ： Y= 0 7 0 8( m m ) ； 普通钢筋 ： Y=1 1 6 7 5( k g m ) ； 预应力钢筋 ： Y= 7 6 8 2 6 7+ 0 6 1 8 7 9 一 0 0 0 0 1 8 0 0 8 6 ( k g m ) 。 同时根据文献 3 调查研究 ， 考虑施工安装 费 用之后， 预应力钢筋、 普通钢筋、 混凝土之间的造价 关 系大约是这样的 ： 若设 1 m 混凝土费用为 1个造 价单位 ， 则 1 t 普通钢筋是 4个造价单位， 预应力钢 筋是 1 2个造价单 位 ； 这样 ， 就可以根据上述拟合公 式分别形成连续梁 ( 刚构 ) 、 斜拉桥、 矮塔斜拉桥 的 上部结构造价与跨径的关系， 绘见于图4 。 -5 0 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 主跨跨径 ， m 图 4 连续梁 ( 刚构 ) 、 矮塔斜拉桥 、 斜拉桥 经济跨径 比较 图 F i g u r e 4 T h e d i a g r a m o f e c o n o m i c a l s p a n o f c o n t i n u o u s( r j g - i d g i r de r b r i d g e s a n d e x t r a d o s e d c a b l e s t a y e d b r i d g e s a nd c a b l e s t a y e d b r i dg e s 从 图 4可 以 看 出 ：主跨 在 1 8 01 9 0 m 时 3种 桥型的造价比较接近； 大于 1 9 0 m时， 矮塔斜拉桥要 比连续 刚构便宜， 大于 l 8 0 m时 ， 矮塔斜拉桥要比斜 拉桥便宜 ， 而且 比较 耐人寻味 的是 ， 直到 5 0 0 m( 混 凝土斜拉桥 的可能最大跨径 ) ， 矮塔斜拉桥仍然要 比常规斜拉桥经济， 原因可能是斜拉桥 主要 由拉索 承担荷载， 而矮塔斜拉桥主要有主梁承担荷载， 所 以 前者拉索用量要比后者多得多 ， 而拉索是影 响费用 的主要因素。 从图中还可 以看 出：主跨在 2 5 0 m 时， 是斜拉 桥和连续刚构的分界点 ， 大于 2 6 0 m， 斜拉桥要 比连 续刚构便宜 ， 小 于 2 6 0 m， 斜拉 桥要 比连续刚构 贵 ( 斜拉桥的拟合公式 中未计桥塔 的费用 ， 如果计 入 塔的费用 ， 斜 拉桥 和和连续 刚构 的分界 点要 大于 2 6 0 m) 。 广东伶仃洋跨海工程的横门东航道桥的方案设 计中， 曾经对连续梁( 刚构) 、 矮塔斜拉桥 、 斜拉桥做 过经济比较 ， 3种桥型的主跨均为 3 2 0 m， 其上部 结构和全桥费用 比较如下表 ， 以本文拟合公式 的比 较 见表 2 。 从表 2可以看出：本文的研究结论与文献 6 都表明 3 2 0 m主跨时， 矮塔斜拉桥的是最经济的 ， 这 与文献 7 江肇高速公路西江特大桥主桥方案比较 结论也是一致的。只是由于指标拟合时斜拉桥和矮 塔斜拉桥都都没有考虑塔的材料用量 ， 所 以估算 中 斜拉桥要略高于连续 刚构 ， 而拟合公式 中却略低于 ( 下转 第 1 5 3页) O 5 O 5 O 5 0 5 0 5 O 5 O 5 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 l l 0 姐 * m ：宝 ：2舳 ：2 一 一 、 妪 词 犀黼 州 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 卜 力平 ： 骨架密实型沥青混合料实用设计方法 1 5 3 ( 上接第 1 3 4页) 表 2 3 2 0 m横 门东航道桥的连续刚构、 矮塔斜拉桥 、 斜拉桥经济 比较 Ta bl e 2 Ec o n o mi c a l c o mp a ris on o f 3 20 m He n g me n e a s t c ha n n e l r i g i d g i r d e r bridg e an d e x t r a do s e d c a b l e s t a y e d b r i dg e a nd c a b l e - s t a y e d b r i dg e 连续刚构。但 3者费用高低是一致 的。可以认为拟 合公式基本能够反 映 3种桥 型的造价关 系( 由于矮 塔斜拉桥主梁材料少于连续刚构， 理论上下部结构 的费用也应该少些 ， 但横 门东航道桥的连续刚构桥 较宽 ， 分作两幅， 因此其下部费用较省 ) 。 6 结论 根据上述分析 ， 得到混凝 土主梁的矮塔斜拉 桥的主要材料混凝土、 普通钢筋、 拉索及预应力钢筋 指标 的方 程 ： 混凝 土 ： Y= 0 0 0 1 0 5 + 0 7 9 6 6 3( m m ) ； 普通钢筋 ： Y=0 2 4 8 2 5 + 8 5 2 2 7 1 5 ( k g m ) ； 预 应力 钢筋 ： Y= 0 1 2 1 8 + 6 3 1 6 3 5 5 ( k g m ) 。 根据连续梁 ( 刚构 ) 、 矮塔斜拉桥、 斜拉桥主 要材料用量公式 ， 不计人桥塔的费用时 ， 主跨在 1 8 0 1 9 0 m时 3种桥型的造价 比较接近 。大于 1 8 0 m 时， 矮塔斜拉桥要 比斜拉桥便宜 ； 大于 1 9 0 m时 ， 矮 塔斜拉桥要 比连续 刚构便宜。这一结论 在主跨为 2 1 0 m和 3 2 0 m的桥型方案比较中得到验证 。 参考文献 1 陈从春 ， 周海智 ， 肖汝诚 矮塔斜拉 桥研究新进 展 J 世界 桥 梁 ， 2 0 0 6 ( 1 )： 1 4 2 尼尔斯 J 吉姆辛 缆索承重 桥梁一 构思与设计 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ，1 9 9 2 3 陈从春 矮塔斜拉桥 设计 理论核 心问题研 究 D ， 上海 ， 同济 大学 ， 2 0 0 6 4 陈从春 ， 肖汝诚 混凝土斜拉桥技术经 济指标研究 J 公路 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 6 1 6 3 5 陈从春 基于费 用最小原则 的矮塔斜拉 桥索力研究 J 工程 力学 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 1 4 11 4 6 6 王伯 惠 斜拉桥结构发展和 中国经验 M 北 京 ：人民交通 出版社 。 2 0 0 3 7 彭 向荣 珠江三角洲经济区外环公路江 门至肇庆高速公路西 江特大桥 主桥方案设计研究 J 交通科技与经济 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 8 一 l 0 8 陈丽 军 无 背 索 矮 塔斜 拉 桥地 震 性 能分 析 J 公 路 工 程， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 8 38 8 9 陈枝 洪 一座多塔宽 幅脊梁矮塔 斜拉桥 的设 计特色 J 公 路 工程 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 1 51 1 9 1 O 郭木华 确 定斜拉 桥索 力调 整的实 用计 算方法 J 公路 工 程 ， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 1 0 8一l l 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m