비대칭 사장교

왜 배우는가: 비대칭 사장교는 지형상 중앙경간과 측경간의 길이가 달라지는 경우가 많아 실무에서 자주 마주치는 형식이다. 1주탑 비대칭 사장교는 한쪽에만 주탑이 있어 하중 전달과 경간 배분이 달라지므로, 구조 특징을 정확히 설명하는 능력이 시험에서 반복해 요구된다.

출제 이력: 제120회 2교시 3번, 제112회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

비대칭 사장교는 중앙경간과 측경간의 길이 또는 주탑 위치가 좌우 대칭이 아닌 사장교로, 주탑·케이블·거더의 힘 흐름을 경간 비에 맞춰 다시 설계하는 교량이다.

핵심 키워드

• 비대칭 사장교(asymmetric cable-stayed bridge)
• 경간비(span ratio)
• 측경간(side span)
• 중앙경간(main span)
• 주탑(pylon)
• 1주탑 사장교(single-tower cable-stayed bridge)
• 부반력(uplift reaction)
• 케이블 장력 분배

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 강 양쪽의 땅 높이나 교각 위치가 달라서 좌우 경간 길이가 다른 사장교가 비대칭 사장교다. 주탑과 케이블이 한쪽으로 치우쳐 있으면 거더에 걸리는 힘이 좌우로 다르게 작용한다.

정식 정의는 다음과 같다. 비대칭 사장교는 주경간(main span)의 좌우 측경간 길이가 서로 다르거나, 주탑이 경간 중심에서 벗어나 배치된 사장교다. 케이블이 주탑에서 거더로 내려오는 인장재 역할을 하며, 거더는 케이블 정착점 사이에서 연속된 보로 거동한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 경간비: 측경간장과 중앙경간장의 비다. 경간비가 작을수록 측경간의 케이블 장력과 부반력이 커진다.
• 부반력: 측경간 끝 지지점에서 거더가 위로 들리려는 힘이다. 측경간 길이가 짧으면 부반력 확보가 어려워진다.
• 1주탑 사장교: 한쪽 방향으로만 주탑을 세운 형식이다. 대칭형 2주탑 사장교와 달리 주탑 한쪽의 케이블이 한쪽 경간만 지지한다.

측경간 최소 길이 확보 여부를 설계 초기에 확인해야 하며, 이것이 비대칭 구조의 출발점이다.

3. 등장 배경과 필요성

사장교는 지형 조건에 따라 경간을 자유롭게 정하기 어렵다. 강을 가로지르는 교량에서 한쪽 교안은 깊은 수심이나 급경사로 교각 설치가 불리하고, 반대쪽은 교각 설치가 쉽다. 이때 중앙경간과 측경간을 대칭으로 나누면 설계 조건에 맞지 않는 경우가 생긴다.

다경간 사장교에서는 중앙경간에서 생긴 하중이 측경간 끝의 교대 부근에서 케이블로 정착되는 것이 일반적이다. 그러나 경간 수가 늘어나면 이 원리가 성립하기 어렵고 구조 전체의 강성이 낮아진다. 그래서 비대칭 구조에서는 측경간 길이, 주탑 위치, 케이블 배치를 함께 검토해야 한다.

비대칭 사장교는 지형 제약을 구조 계획으로 흡수하기 위해 채택되며, 경간비와 주탑 위치가 설계의 핵심 변수다.

1주탑 형식은 한쪽 지점에만 주탑을 세울 수 있을 때 쓰인다. 주탑 높이가 높을수록 케이블 하중이 작아지고 케이블 단면을 줄일 수 있다는 점은 일반 사장교와 같다. 비대칭 구조에서는 주탑 높이를 측경간과 중앙경간의 힘 균형에 맞춰 정해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

비대칭 사장교는 중앙경간과 측경간의 길이가 달라 주탑 양쪽 케이블의 장력과 수평력이 같지 않다. 따라서 구조계를 구성요소별로 나누어 힘의 흐름을 먼저 파악해야 한다. 주요 구성요소는 주탑, 거더(상판), 케이블(스테이), 측경간 정착부, 교각·기초다.

케이블 수평 성분이 주탑 양쪽에서 균형을 이루어야 주탑 휨이 작아진다. 중앙경간이 측경간보다 길면 중앙 케이블의 수평력이 커져 주탑이 중앙 쪽으로 기울려는 힘을 받는다. 이 차이는 다음 식으로 나타낸다.

$H_c - H_s = \Delta H$

여기서 H_c는 중앙경간 케이블 수평력(kN), H_s는 측경간 케이블 수평력(kN), \Delta H는 주탑에 남는 불균형 수평력(kN)이다. 비대칭 극복의 핵심은 \Delta H를 줄이거나 측경간 구조와 기초로 흡수하는 것이다.

비대칭 극복의 핵심은 주탑의 불균형 수평력을 측경간 구조와 기초로 흡수하는 것이다

비대칭 사장교의 설계 절차는 다음과 같다.

• 경간비 설정: 지형 제약 안에서 측경간과 중앙경간의 길이비를 정한다. 측경간비는 지형 조건과 구조계에 따라 검토한다.
• 주탑 위치 조정: 주탑을 중앙경간 쪽으로 편심 배치하거나 높이를 정해 케이블 각도를 확보한다. 주탑 높이가 높을수록 케이블 장력이 작아진다.
• 측경간 정착: 측경간 케이블이 거더를 아래로 당기는 힘이 커지므로 측경간 끝에 부반력 확보 장치를 둔다. 필요하면 측경간 거더에 콘크리트 카운터웨이트를 설치한다.
• 케이블 배치와 장력 조정: 중앙·측경간 케이블의 단면과 초기 장력을 나누어 정하고, 시공 단계에서 장력을 단계별로 조정한다.
• 해석 검증: 단계별 시공해석과 완성계 해석으로 주탑 휨, 거더 응력, 케이블 피로를 확인하고 필요하면 1번으로 되돌아가 경간비를 다시 정한다.

위 흐름도에서 해석 결과가 기준을 벗어나면 경간비로 되돌아간다. 이 되먹임 구조가 실제 설계의 반복 과정이다.

5. 관련 법령·기준·표준

비대칭 사장교의 설계는 도로교 설계기준과 강교·케이블 교량 관련 설계기준(KDS 체계)을 따른다. 아래 표의 항목은 설계 실무에서 검토하며, 프로젝트별 해석과 기준 원문으로 확정해야 한다.

표의 측경간비와 주탑 높이는 프로젝트 조건에 따라 달라지는 설계 변수다. 부반력 검토는 수치 기준이 아니라 해석 결과로 판정한다.

설계기준은 KDS 코드 체계로 정비되어 있다.

6. 유형과 비교

비대칭 사장교는 주탑 수, 경간 구성, 케이블 배치에 따라 나뉜다. 답안에서는 주탑 수로 먼저 구분하고, 그다음 경간비를 덧붙인다.

2주탑 3경간은 주경간 하중이 측경간 케이블을 거쳐 교대 근처에 정착된다. 다경간은 이 정착 경로를 만들기 어려워 바닥판과 주탑 설계가 함께 어려워진다. 따라서 4경간 이상은 3경간 구조와 다른 설계 접근이 필요하다.

1주탑 비대칭 사장교는 간극의 한쪽 편에 단일 주탑을 세우는 형식이다. 캔틸레버 스파 사장교와는 구조 원리가 다르므로 구분해 쓴다.