1. 研究目的与意义（文献综述）
（110 180 110) m矮塔斜拉桥上部结构施工图设计
开题报告
1．设计目的及意义（含国内外研究现状分析）
1.1 国外研究现状
1980年，瑞士设计大师Christian Menn设计出第一代矮塔斜拉桥——甘特（Ganter）大桥，该桥采用预应力混凝土板作为斜拉索，塔高仅10.7m，明显低于常规斜拉桥，故称其为板拉桥，并由此奠定了当代矮塔斜拉桥的雏形。
图1-1 造型独特的甘特大桥
1988年，法国工程师首次提出矮塔斜拉桥（Extradosed Prestressed Bridge）的概念，其设计思路是通过增加体外索的方式分担主梁的荷载，使之成为大偏心体外预应力结构。
1994年，世界上第一座真正意义上的矮塔斜拉桥——小田原港桥在日本建造完成（工期为1991年12月——1993年12月，历时两年）。该桥为三跨外部索PC箱梁桥，桥长270m，跨度（74 122 74）m，桥宽15.920~9.000m。该桥具有诸多优点，比如活载引起的拉索轴向应力仅为常规PC斜拉桥的1/3~1/4，且拉索抗疲劳强度也大幅增加。
图1-2 小田原港（Odawara Blueway）桥
基于这个成功案例，日本加强了对矮塔斜拉桥的相关研究，并相继建成了屋代南桥、屋代北桥、冲原大桥、蟹泽大桥、唐柜新桥、日见桥等几十座“部分斜拉桥”，即矮塔斜拉桥。
1998年，瑞士修建了一种新型的矮塔斜拉桥——Sunniberg桥，该桥为四塔五跨形式，跨径按（59 128 140 134 65）m非等跨布置，高跨比仅1/175，其主梁受力特点十分接近PC斜拉桥。
图1-3 阿尔卑斯山脚下的Sunniberg桥
进入21世纪后，矮塔斜拉桥如雨后春笋般在国外得到大力推广与建造，其跨径布置、截面形式及建造材料也日新月异。2001年，日本建造了第一座矮塔单索面斜拉桥——木曾川桥，该桥采用预应力混凝土与钢箱梁相结合的形式，极大地增大了桥梁跨度。
矮塔斜拉桥建造技术以日本见长，其他各国也相继效仿。1999年，菲律宾建造了2nd Mandaue Mactan Bridge；2007年，韩国修建了第一座矮塔斜拉桥2nd Pyung．Yeo Bridge；2009年，加拿大修建了主跨l80m的The North Bridge和主跨244m的The Golden Ears Bridge。2010年，美国建成了首座矮塔斜拉桥——新珍珠港大桥。此外，法国圣雷米一德莫里耶讷桥、克罗地亚家园桥、巴西秘鲁联通桥、加拿大北臂桥等也均属于矮塔斜拉桥。
表1-1 国外部分矮塔斜拉桥
| 序号 | 桥名 | 桥址 | 主跨布置/m | 建成年份 |
| 1 | 小田原港桥（Odawara Blueway） | 日本 | 74 122 74 | 1994年 |
| 2 | 屋代南桥（Yashiro South）（铁路桥） | 日本 | 65 105 105 65 | 1995年 |
| 3 | 屋代北桥（Yashiro North）（铁路桥） | 日本 | 55 90 55 | 1995年 |
| 4 | 冲原桥（Tsukuhara） | 日本 | 66 180 77 | 1997年 |
| 5 | 蟹泽大桥（Kanisawa） | 日本 | 100 180 100 | 1997年 |
| 6 | Sunniberg Bridge | 瑞士 | 59 128 140 134 | 1998年 |
| 7 | 唐柜新桥（Shin-Karato） | 日本 | 75 140 70 | 1998年 |
| 8 | 2nd Mandaue Mactan Bridge | 菲律宾 | 112.5 185 112.5 | 1999年 |
| 9 | Pakse桥 | 老挝 | 123 143 91.5 | 2000年 |
| 10 | 士狩大桥（Shikari） | 日本 | 94 3×140 94 | 2000年 |
| 11 | Kack-Hwa First Bridge | 韩国 | 55 115 100 | 2006年 |
| 12 | 2nd Pyung-Yeo Bridge | 韩国 | 65 120 65 | 2007年 |
| 13 | Viaduc de laravine des Troisbassins | 法国 | 43 75 105 126 | 2009年 |
| 14 | The North Arm Bridge | 加拿大 | 52 139 180 139 52 | 2009年 |
| 15 | The Golden Ears Bridge | 加拿大 | 21 3×242 121 | 2009年 |
| 16 | The Triplets Bridge | 玻利维亚 | 133 | 2010年 |
| 17 | 新珍珠港大桥 | 美国 | 75.85 157 75.85 | 2010年 |
| 18 | The Southern Bridge | 拉脱维亚 | 49.5 77 5×110 77 49.5 | 2013年 |
| 19 | The Mszanie Bridge | 波兰 | 79 130 2×204 130 70 | 2013年 |
| 20 | The Earthquake Memorial Bridge | 巴基斯坦 | 246 | 2014年 |
1.2 国内研究现状
和很多技术一样，矮塔斜拉桥建造技术在我国起步晚，发展快。1999年，国内建成了第一座预应力混凝土矮塔斜拉桥——福建漳州战备大桥，其跨径布置为（80.8 132 80.8）m，按双塔扇形单索面布置桥塔和斜拉索，结构形式采用塔梁固结、梁墩分离。
图1-4 福建漳州战备大桥夜景
2001年，我国首座公铁两用矮塔斜拉桥——芜湖长江大桥建成运营，由于采用钢桁梁形式，自重大大降低，使其跨越能力大幅度提高，达到（180 312 180）m。
之后，我国几乎每年都会有矮塔斜拉桥建成。2002年建成厦门银湖大桥,2003年建成兰州小西湖黄河大桥、常澄高速常州运河桥，2005年建成离石高架桥、京杭运河宿州南二环大桥，2007年建成三门江大桥、台湾C608桥，2008年建成安康汉江三桥，2009年建成六跨的重庆嘉悦大桥，2011年建成沙湾大桥……
图1-5 芜湖长江大桥 图1-6 重庆嘉悦大桥
国内的矮塔斜拉桥不仅在数量上领先世界，而且在桥梁跨径、截面高度、建造材料方面均有很大突破，一次又一次创造世界第一。
表1-2 国内部分矮塔斜拉桥
| 序号 | 桥名 | 桥址 | 主跨布置/m | 建成年份 |
| 1 | 漳州战备大桥 | 中国漳州 | 80.8 132 80.8 | 1999年 |
| 2 | 芜湖长江大桥（公铁两用桥） | 中国芜湖 | 180 312 180 | 2001年 |
| 3 | 厦门银湖桥 | 中国厦门 | 80 80 | 2002年 |
| 4 | 兰州小西湖黄河桥 | 中国兰州 | 81.2 136 81.2 | 2003年 |
| 5 | 常澄高速常州运河桥 | 中国常州 | 70.2 120 70.2 | 2003年 |
| 6 | 银川丽兴路矮塔斜拉桥 | 中国宁夏 | 70 70 | 2004年 |
| 7 | 京杭运河宿迁南二环大桥 | 中国宿迁 | 66 110 66 | 2005年 |
| 8 | 开封黄河公路二桥 | 中国河南 | 85 6×140 85 | 2006年 |
| 9 | 福州浦上大桥 | 中国福建 | 72 2×110 72 | 2006年 |
| 10 | 惠青黄河公路大桥 | 中国山东 | 133 220 133 | 2006年 |
| 11 | 江珠高速荷麻溪大桥 | 中国珠海 | 125 230 125 | 2006年 |
| 12 | 株洲沪松大桥 | 中国湖南 | 75 2×140 75 | 2007年 |
| 13 | 济阳黄河公路大桥 | 中国山东 | 107 195 216 195 107 | 2008年 |
| 14 | 嘉悦大桥 | 中国重庆 | 56 75 85 145 250 145 | 2009年 |
| 15 | 南盘江特大桥 | 中国云南 | 108 180 108 | 2010年 |
| 16 | 京沪高铁路京沪联络线特大桥 | 中国天津 | 64.6 115 115 64.6 | 2011年 |
| 17 | 泸州茜草长江大桥 | 中国四川 | 128 248 128 | 2012年 |
| 18 | 纳金大桥 | 中国拉萨 | 70 117 70 117 | 2013年 |
| 19 | 大连长山大桥 | 中国大连 | 140 260 140 | 2014年 |
| 20 | 金山大桥 | 中国湖北 | 110 110 | 2015年 |
| 21 | 金门大桥 | 中国台湾金门 | 140 5×280 140 | 2016年 |
| 22 | 成昆铁路金沙江大桥 | 中国四川 | 120 208 120 | 2018年 |
1.3 矮塔斜拉桥的特点及存在的问题
1.3.1 矮塔斜拉桥的特点
矮塔斜拉桥，亦名部分斜拉桥，是介于连续梁（刚构）和斜拉桥之间的一种刚柔相济的过渡桥型。目前，区别矮塔斜拉桥与普通斜拉桥的主要特征参数是索梁活载比，当索梁活载比小于0.5时为矮塔斜拉桥，反之为常规斜拉桥。此外，矮塔斜拉桥还具有如下特点：
（1）矮塔斜拉桥的跨越能力一般在100m~300m之间，边中跨比一般为0.5~0.6，桥塔高跨比一般为1/12~1/8。其拉索扇形布置居多，最佳索距为6~8m，且较常规斜拉桥而言，存在跨中、边部及塔根无索区。
图1-7 双塔三跨矮塔斜拉桥总体布置示意图
图1-7中a为塔根无索区长度，a1为跨中无索区长度，c为边跨无索区长度，d为布索区长度，HT为梁上塔高。
（2）矮塔斜拉桥的主梁截面形式多种多样，常用的是箱形截面，包括单箱单室、单箱双室、单箱多室，还有一些采用板式截面。其梁高较连续梁（刚构）桥要低，梁底常采用二次或1.6次抛物线变化，兼具经济及美学的特点。
（3）矮塔斜拉桥具有较强的刚度，其主梁为压弯构件，承受大部分荷载，能适应多种地质条件。同时，斜拉索应力幅一般小于50Mpa，仅为常规斜拉桥的1/3~1/2，拉索的容许应力为0.6fpk，安全系数大，使用寿命长，特别适用于铁路桥梁。
（4）矮塔斜拉桥施工较常规斜拉桥方便，方法与连续梁桥基本一样，悬臂浇筑即可，且施工中不必进行二次调索。
1.3.2 矮塔斜拉桥存在的问题
由于矮塔斜拉桥是介于连续梁（刚构）和斜拉桥之间的过渡桥型，所以这两者存在的问题在矮塔斜拉桥身上或多或少都会有所显现。
（1）同常规斜拉桥一样，矮塔斜拉桥也存在着合理成桥状态的设计难题，尽管很多文献都提出了许多索力优化方法，例如零位移法、主梁可行域法、刚性支撑连续梁法、最小弯曲能法、拉索用量最小法、影响矩阵法，以及基于上述方法的综合优化法，但是每种方法都可圈可点，最终还是需要通过多次反复试算得到比较合理的成桥索力。同时，由于对合理成桥状态——“塔直梁平”的理解因人而异，从而使得矮塔斜拉桥的成桥索力不尽相同。此外，矮塔斜拉桥施工阶段分析也是较为复杂的，目前常采用的方法有倒拆法、正装分析法、正装迭代法等。
（2）同连续梁桥和连续刚构桥，采用混凝土箱梁的矮塔斜拉桥也普遍存在开裂问题。由于矮塔斜拉桥是较为复杂的多次超静定结构，加之材料的非线性和时变性，使得其开裂的原因复杂多样。
（3）矮塔斜拉桥的斜拉索和主梁预应力筋的配置量均介于普通斜拉桥和梁桥之间，相较于常规斜拉桥，其具有“较多”的主梁预应力筋和“较少”的斜拉索。较多的主梁预应力筋和拉索之间必然会相互影响，该影响包括施工过程中拉索和预应力筋的相互影响和成桥状态的二者的配置比例。同时，考虑到经济性，这两者的合理数量还有待考究。
（4）相较于常规斜拉桥，矮塔斜拉桥按塔、梁、墩的连接方式分为支座体系和固结体系，一般不采用全漂浮体系（悬浮体系）。每种体系都有各自的优缺点，对于支座体系，又可分为塔墩固结体系和塔梁固结体系，前者由于竖向支撑的存在，塔柱处有峰值负弯矩，温度和收缩徐变的内力较大；后者由于主梁在墩顶处的转角位移会导致塔柱倾斜，使主梁跨中挠度和边跨负弯矩显著增大，对结构受力不利，而且还需设置大吨位支座，以支承上部结构的恒载和活载反力。对于固结体系，若采用双塔形式则温度应力较大，所以比较适合独塔或高墩的情况。综上所述，矮塔斜拉桥的结构形式需因地制宜，正确选择合适的支承体系。
图1-8 矮塔斜拉桥支承体系示意图
（a）悬浮体系；（b）塔墩固结体系；（c）塔梁固结体系；（d）固结体系
1.4 设计的目的及意义
众所周知，我国是交建强国，而交通线路中有很多关键部分是桥梁路段，矮塔斜拉桥便是其中的主流桥型之一，国内已建成百余座此类桥。通过本次毕业设计，运用大学四年所学到的土木工程相关专业知识，从设计、施工、管理全过程学习矮塔斜拉桥技术，深入理解桥梁工程相关规范及理论计算公式，重点掌握矮塔斜拉桥设计流程（如图1-9所示）及特点、成桥阶段和施工阶段的索力优化方法等，为以后的科研及工作夯实基础。
1.5 未来展望
矮塔斜拉桥作为一种较为新型的结构形式，很多设计人员都很重视其在100m~300m跨径上的经济优势及其合理的受力特点，笔者相信，随着对矮塔斜拉桥的深入研究、轻质高强材料的改良研发以及计算机技术的飞速发展，该类型桥梁的经济性将大大提高，其应用也将越来越广！
图1-9 矮塔斜拉桥设计流程图
2. 研究的基本内容与方案
2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 设计的基本内容
根据工程前期资料：桥址处平面图，场地地址资料，桥梁使用要求进行如下内容的设计：
（1）根据设计资料确定桥型方案；
（2）拟定该方案的结构尺寸；（3）拟定主要施工方案及确定施工设计；
3. 研究计划与安排
3．进度安排
表3-1 毕业设计进度安排表
| 第1-3周 | 资料收集、文献阅读、英文翻译、确定桥型方案，绘制桥梁总体布置图、平面图、主要控制截面的横断面图、截面尺寸的拟定，完成开题报告。 |
| 第4-6周 | 桥梁结构电算，并确定截面尺寸、预应力钢筋布置。 |
| 第7-9周 | 上部结构施工图纸绘图。 |
| 第10-11周 | 设计说明、计算书编制。 |
| 第12-13周 | 提交毕业设计计算书文档及设计图纸，指导教师查阅。 |
| 第14-15周 | 进一步修改、整理毕业设计计算书及设计图纸，形成最终版。 |
| 第16周 | 答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
4．阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）
[1]li, zongjin. advanced concrete technology. john wiley sons, 2011.
[2] stewart m g, rosowsky d v. time-dependent reliability of deteriorating reinforced concrete bridge decks[j]. structural safety, 1998, 20(1): 91-109.
[3]《公路桥涵设计通用规范》(jtg d60--2015) [c]. 人民交通出版社, 2015
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