組合梁斜拉橋的技術發展

閆 旭

（安徽省交通規劃設計研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 發展概況

組合梁斜拉橋的發展與組合結構及斜拉橋的發展密不可分，是兩者均發展到一定的階段后相互結合的產物。在組合結構方面，20世紀30年代焊接技術的發明，為真正意義上組合結構的發展創造了有利的條件。20世紀30年代至60年代為歐美、日本等國家組合結構的前期實踐階段。70年代，組合結構聯合委員會，總結了20世紀60年代組合結構發展中所取得的經驗，編制了組合結構模范準則，作為各國編制規范時的指導性文件，進一步促進了組合結構橋梁的發展。在斜拉橋方面，1956年，由Dischinger設計主跨183 m的瑞典Stro..msund橋建成，拉開了現代斜拉橋發展的序幕。該橋主梁是將混凝土板擱置在鋼主梁的上翼緣，但混凝土行車道板僅承受車輪的局部荷載，并不參與主梁的總體受力。

現代組合梁斜拉橋的概念是在1980年由德國著名橋梁專家萊翁哈特（Leonhardt）教授在弗洛里達州跨越坦帕（Tampa）灣的日照橋（Sunshine Skyway）投標方案中提出的[1,2]。現代組合梁斜拉橋的基本特征有如下兩個方面：（1）采用剪力焊釘使橋面板與鋼梁形成整體共同受力，使加勁主梁成為真正意義上的組合結構；（2）采用等于梁段長度的密索距，使斜拉橋本身具備了現代斜拉橋的一般特征。這座橋的設計理念隨后用于加拿大的安娜西斯（Annacis）橋，該橋在1986年以465m的主跨保持了當時的世界紀錄。

組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋相比，由于利用混凝土受壓，主塔附近加勁梁的抗壓性能得到改善；橋梁抗彎與整體剛度加大；增大了橋面局部剛度，很好地解決了鋼箱梁鋼橋面疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題。與混凝土斜拉橋相比，則具有自重較輕、結構靜力性能較為穩定等優點。因此，組合梁斜拉橋在世界范圍內得到了廣泛的應用。

2 結構形式與特點

2.1 約束體系

鋼-混組合梁應用于橋梁工程中要解決的一個重要課題就是處于負彎矩區的混凝土板如何承受拉應力，防止發生有害裂縫的問題。在組合梁斜拉橋中常選用塔墩固結、塔梁分離的飄浮、半飄浮體系。

半飄浮體系在塔墩處加設了兩個豎向支座，對主梁的平面和空間位移增加了約束，對結構靜力反應影響很小，僅對主塔附近局部區域主梁彎矩有一定影響，所以只需局部加強支承區段的主梁斷面。事實上，目前工程實踐中已經出現了取消塔梁交界處支座的趨勢。

飄浮體系塔墩固結、塔梁分離，主梁除邊墩、輔助墩處有支承外，其余全部由拉索作為支承，成為在縱向可稍作浮動的具有多點彈性支承的梁。在滿載時，由于全長跨內沒有豎向支承，塔柱處主梁不出現負彎矩峰值；溫度及混凝土收縮、徐變內力均較小；在密索情況下，主梁各截面的變形和內力的變化較平緩，受力較均勻，而且拉索的拉力也能均勻分布，能較為有效地解決邊跨斜拉索的松弛問題[1]。

公路組合梁斜拉橋可采用全飄浮體系，而對鐵路組合梁斜拉橋而言，由于對變形及振動有更高的要求，采用全飄浮體系是否合適，值得懷疑[3]。

塔梁墩固結體系除獨塔斜拉橋以外應用較少，加拿大Golden Ears橋[4]為四塔五跨雙索面組合梁斜拉橋，則采用了該體系，見圖1。

圖1 加拿大Golden Ears橋

2.2 主梁型式

組合鋼板梁用于斜拉橋在世界各地有很多實例，其中，采用兩片工字形鋼主梁與橫梁形成梁格系，翼板上設置焊釘連接件與混凝土板結合形成整體，是最典型的一種。

1991年，上海市建成的南浦大橋是我國第一座鋼-混凝土組合梁斜拉橋。該橋借鑒了加拿大的安娜西斯（Annacis）橋和美國貝當橋（Baytown）的實踐經驗，在橋面板抗裂等方面做了改進。其后，楊浦大橋、青州閩江大橋、哈爾濱四方臺大橋、重慶觀音巖長江大橋、武漢二七長江大橋等均采用這種形式。其中，上海楊浦大橋[5]建成時為斜拉橋跨徑的世界之最。

組合鋼板梁斜拉橋一般采用實腹式橫梁，英國塞文二橋標準橫梁為桁架結構，可取得更優的經濟性能，見圖2。

圖2 英國塞文二橋橋面系

2005年，我國建成的東海大橋主航道橋[6]首次采用了鋼箱組合梁斜拉橋的結構型式，隨后曹妃甸工業區1#橋[7]亦采用該主梁型式。西班牙Escaleritas斜拉橋[8]采用圓弧箱形組合梁型式，臺州市椒江二橋[9]主梁則采用了半封閉雙箱組合梁。

Himi Yume橋是世界上第一座波形鋼腹板PC主梁矮塔斜拉橋[10]，見圖3。與普通的混凝土箱梁相比，波形鋼腹板PC主梁的自重可減輕25%～30%。目前，建設中的南昌朝陽大橋也采用了類似的主梁型式。

圖3 Himi Yume橋

2.3 索面布置

組合梁斜拉橋可采用單索面、雙索面、四索面等多種布置型式，其中單索面往往與箱型組合梁配合使用，雙索面則可與鋼板、鋼箱、鋼桁組合梁配合使用。

香港汀九橋[5]（見圖4）主梁使用四索面斜拉索承托，大大縮減了主梁的橫向跨距。扁平的主梁及其邊緣設置的整流罩有助于提升橋梁的抗風穩定性（通航凈高61 m，設計風速80 m/s陣風、50 m/s平均風速）。美國弗雷德·哈特曼橋（Fred Hartman Bridge）[10]（見圖5），采用分離式主梁滿足了整個結構體系的空氣動力學要求（最大設計風速在橋面處為 71 m/s）。

圖4 香港汀九橋

圖5 美國弗雷德·哈特曼橋

兩座橋雖均為四索面斜拉橋，但橋面系略有不同。由于汀九橋采用獨柱型塔，為抵抗單幅橋拉索的橫向水平分力，分幅橋面需用橫梁相聯系。哈特曼橋兩幅橋面則完全分離，僅主塔、基礎橫向共同受力。

3 施工技術

組合梁斜拉橋橋面一般采用懸臂拼裝方式施工。鋼主梁、橫梁和預制混凝土板都可采用小構件，易于運輸和安裝。鋼梁現場焊接或栓接，預制混凝土板現場濕接頭連接。但是，擱置橋面板的搭接處易成為耐久性的薄弱環節，而先在鋼梁節段上澆筑混凝土橋面板，再進行鋼混組合整體節段安裝的工藝較好地解決了鋼混結合面的耐久性問題，當然，這個工藝的不足是影響鋼混兩種材料充分發揮各自優勢性能，并對施工機具要求相對較高。希臘里翁-安蒂里翁橋[11]即采用了該工藝，如圖6所示。

較小跨徑的組合梁斜拉橋可采用支架法施工，另有組合梁斜拉橋采用頂推法施工。法國塞塞勒橋（Seyssel Bridge）采用了主梁與輔助主塔拼裝后一起頂推的施工工藝，后續建造的米勞高架斜拉橋（Millau Viaduct）將頂推施工方法推進到世人矚目的新高度。

圖6 希臘里翁-安蒂里翁橋節段施工

4 技術動態

4.1 主梁型式多樣化

最近，有日本學者提出一種新型組合梁斜拉橋加勁梁型式[12]，以鋼管混凝土代替工字形鋼梁或箱形鋼梁，方案構思詳見圖7。

圖7 鋼管混凝土主梁斜拉橋方案

西南交通大學莫時旭在其博士論文[13]中提出了鋼箱-混凝土主梁斜拉橋的設計構思，根據主梁的受力特點確定在鋼箱中全截面填充混凝土、部分截面填充混凝土、不填充混凝土。

另外，有學者提出了FRP-混凝土組合橋面板主梁斜拉橋的設計構思[14]。該種橋面板自重約為鋼筋混凝土橋面板的70%，因此，其在斜拉橋中的應用可顯著提高斜拉橋上、下部結構的經濟性能。

4.2 跨徑發展

目前，世界上最大跨度組合梁斜拉橋為福州青洲閩江大橋，跨度為605 m，其次為楊浦大橋的602 m。更大的跨度采用開口截面組合梁，但因受其自身抗扭剛度所限，不能適應抗風要求而難以突破。組合鋼板梁斜拉橋能適應700 m的主孔跨度，這已為多個工程所證實。但是，認為超過700 m的斜拉橋應當選擇鋼橋面型式，是基于傳統鋼板組合梁抗風性能不足而得出的。箱型截面組合梁可彌補開口截面組合梁的不足，東海大橋主航道橋最先采用箱型截面組合梁建成了主跨420 m斜拉橋，目前即將建成的椒江二橋主航道斜拉橋也采用鋼箱組合梁，其跨度為480 m。這些橋梁在滿足抗風需求的同時展現了技術經濟優勢。因此，組合梁斜拉橋最大跨度有望進一步提高是顯而易見的。

隨著斜拉橋相較懸索橋適用范圍的不斷擴大，組合梁斜拉橋相比鋼斜拉橋的適用范圍也需重新界定。700 m以上特大跨徑組合梁斜拉橋方案時有提出，相信在不久的將來會有所突破。

5 結語

組合梁斜拉橋出現至今已有30多年的歷史，隨著組合結構及斜拉橋的不斷發展，組合梁斜拉橋的實踐也在不斷深入，并在橋梁技術與經濟等方面展現了良好的競爭力。當前，人們對組合梁斜拉橋的研究主要集中于關鍵部位的受力特性、合理成橋及施工狀態的確定、幾何及材料非線性影響，以及結構穩定、動力特性、可靠度、全壽命的合理構造等方面。在工程實踐方面，隨著計算分析理論與方法的進步、結構的改進與新結構的推出，以及新材料與施工方法的發展，組合梁斜拉橋在不同的跨度領域與不同的結構和橋型形成競爭。所有這些努力將使組合梁斜拉橋的設計與施工更趨合理、經濟、耐久。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]高宗余，張強，王應良.組合結構主梁斜拉橋設計進展[J].鐵道勘察，2007(z1):50-53.

[3]Oliveira Pedro J J,Reis A J.Nonlinear analysis of composite steel–concrete cable-stayed bridges[J].Engineering Structures，2010,32(9):2702-2716.

[4]Bergman D W,Radojevic D,Ibrahim H.The Golden Ears Bridge in Vancouver,BC[Z].Vancouver,BC,Canada:the Structural Engineering Institute(SEI)of the American Society of Civil Engineers,2008.

[5]中國公路學會橋梁和結構工程分會.面向創新的中國現代橋梁[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6]邵長宇.鋼-混凝土箱形結合梁斜拉橋在東海大橋的應用與展望[J].橋梁建設，2003(3):5-8.

[7]陳亮，盧永成，周偉翔，等.曹妃甸工業區1號橋斜拉橋設計[J].橋梁建設，2011(4):62-65.

[8]Pantaleón M J,Ramosó R,Ortega G,et al.Dynamic Analysis of a Composite Cable-Stayed Bridge Escaleritas Viaduct[J].Journal of Bridge Engineering.2010，15（6）：653-660.

[9]龔中平，戴利民，鄭本輝.椒江二橋主橋方案設計 [J].公路.2010(3):56-59.

[10]項海帆.橋梁概念設計[M].北京：人民交通出版社,2011.

[11]Combault J,Teyssandier J P.The Rion-Antirion Bridge Concept,Design and Construction[Z].New York:Structures Congress 2005.

[12]Nakamura S,Momiyama Y,Hosaka T,et al.New Technologies of Steel/concrete Composite Bridges[J].Journal of Constructional Steel Research，2002,58(1):99-130.

[13]莫時旭.鋼箱-混凝土組合梁結構行為試驗研究與分析[D].成都：西南交通大學,2006.

[14]Cho K,Park SY,Kim ST,et al.Behavioral characteristics of precast FRP-concrete composite deck subjected to combined axial and flexural loads[J].Composites Part B:Engineering，2013,44(1):679-685.