大型斜拉橋的空間構造及設計分析

李文靜 ，張 坤

（1.天津城建設計院有限公司杭州分院，浙江杭州310051；2.中國聯合工程公司，浙江杭州 310014）

0 引言

隨著我國交通運輸產業發展的要求，橋梁工程建設速度逐年加快，并且已經成為我國城市規劃建設的重要組成部分。斜拉橋是重要的橋梁形式，整體建筑結構具有梁體內彎矩小、建筑高度低、結構重量輕，以及工程材料節省等優點。作為一種拉索體系，斜拉橋在跨度能力上比梁式橋在結構上更具有優勢，因此，一般大型的跨度橋梁都選擇斜拉橋建筑方式。與梁式橋相比，現代斜拉橋建設及發展歷史較短，1955年瑞典斯特倫松德橋是有記載的第一座斜拉橋，隨后，由于其在大跨度橋梁建設方面的優勢而被廣泛地采用和建設。與國外相比，我國斜拉橋工程建設的起步較晚，但發展較快，特別是進入新世紀以來，我國多項斜拉橋工程在橋梁跨度，以及技術應用方面都具有國際領先優勢，例如2008年建設完成的蘇通大橋，其主跨度達到了1 088 m，是當前世界上跨度最大的斜拉橋。由于受力特征不同，因此，斜拉橋在空間構造及設計方面與梁式橋具有很大的差別。為此，本文將根據斜拉橋的空間構造特點，對斜拉橋工程設計等問題進行詳細探討。

1 大型斜拉橋的空間總體布置

斜拉橋的整體結構組成較為簡單，它是將多個拉索直接落在主梁上而形成的橋梁結構。在組成形式上，整體結構是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系。因此，其空間總體布置就是其空間構造的表型形式。

1.1 斜拉橋空間受力特點

與梁式橋構造受力形式不同，斜拉橋的主要荷載不是橋面的車輛、行人載荷，而是自重，并且主要是主梁的自重。以一個索塔為例，索塔的兩側是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔與主梁連接在一起。現在假設索塔兩側只有兩根斜拉索，左右對稱各一條，這兩根斜拉索受到主梁的重力作用，對索塔產生兩個對稱的沿著斜拉索方向的拉力，根據受力分析，左邊的力可以分解為水平向向左的一個力和豎直向下的一個力；同樣的右邊的力可以分解為水平向右的一個力和豎直向下的一個力。由于這兩個力是對稱的，所以水平向左和水平向右的兩個力互相抵消了，最終主梁的重力成為對索塔的豎直向下的兩個力，這樣，力又傳給索塔下面的橋墩了。由此可以看出，對于斜拉橋整體結構而言，其橋上主要的承載力結構是斜拉鎖，而主梁的作用僅僅是保證結構的穩定性。

1.2 斜拉橋的跨徑與輔助墩布置

跨徑與分孔是斜拉橋整體空間布置的依據，是斜拉橋整體設計的重要參考。不同形式的斜拉橋其跨徑與分孔布置不同。除此之外，施工的地質條件、地形、建設要求等也是重要的參考因素。一般而言，斜拉橋主要分為雙塔三跨式、獨塔雙跨式和多塔多跨式等結構形式，如圖1所示，在跨徑與分孔布置，各種形式斜拉橋有很大的不同。

雙塔三跨式。雙塔三跨式斜拉橋主要用于跨越較大的河流、海口及海面，其對稱形式主要依據建設條件而定。在跨徑設置上，邊跨與中跨的比例一般為0.33～0.5，精確的跨度比要根據主梁的材料及組合形式確定。例如，鋼主梁雙塔三跨式斜拉橋邊中跨比一般為0.30～0.40；組合梁宜為0.40～0.50。

獨塔雙跨式。獨塔雙跨式斜拉橋主要用于跨越中、小河流、谷地和城市道路或較大河流的主航道。與雙塔三跨式斜拉橋相比，獨塔雙跨式斜拉橋跨徑設計較為簡單，一般都在0.5～1.00之間。

多塔多跨式。多塔多跨式斜拉橋實際上是雙塔三跨式斜拉橋的延伸，在應用領域與其相似，由于跨度較多，因此，一般會在在中間建設剛性塔等結構，跨距設置與雙塔三跨式相同。

圖1 不同形式斜拉橋及其空間布置示意圖

輔助墩布置。在斜拉橋中，一般都會設置輔助墩結構，用來改善結構的受力特征。在結構上，輔助墩受壓能夠有效地減少主梁彎矩作用，而受拉能夠減少主梁的彎矩和跨度。通過載荷及彎矩等的調節，可以有效地提高主梁的剛度。事實上，通過布置輔助墩結構，能夠對主梁結構減少大約50%左右的載荷或者彎矩。

1.3 索塔布置

索塔是斜拉橋斜拉索主要的結構作用點，其布置是要根據斜拉橋的受力分析而定。索塔的形式不拘一，有單柱、雙柱、組合形式等，在設計時根據實際情況選定。索塔的高度是斜拉索上荷載大小的主要影響因素，其高度主要根據跨徑進行設計。一般而言，索塔高度低，拉索的水平傾角就小，則拉索的垂直分力對主梁的支承作用就小，會導致拉索的鋼材用量增加；索塔高度愈高，拉索的水平傾角愈大，拉索對主梁的支承效果也愈高，但索塔和拉索的材料用量也要增加，還會增加施工難度。

1.4 拉索布置

拉索的布置對于斜拉橋的穩定性設計具有至關重要的作用。在空間布置上，拉索分為單索面和雙索面兩種。而根據使用的要求不同，雙索面又可以分為平面豎直和空間傾斜兩種；在布置形式上，拉索主要采用扇形布置，但也可采用豎琴形、星形等。除了在空間布置，以及布置形式兩個方面需要嚴格設計之外，索距的布置對于拉索的整體受力具有至關重要的作用。對于當前以密索為主的拉索布置而言，混凝土斜拉橋的索距布置一般為6～12 m，鋼梁（或組合梁）為8～16 m，而拉索傾角一般控制在 25°～45°。

1.5 塔高、索長及傾角之間的力學關系

當前斜拉橋的斜拉索主要采用兩種，普通索和端錨索，這兩種索在受力形式上是不同的。在塔高、索長及傾角之間的力學關系分析過程中，普通索主要分析主梁下撓量，而端錨索則要分析塔頂水平位移。兩種斜拉鎖的力學及幾何基本關系如圖2所示。

圖2 兩種斜拉索的變形分析示意圖

根據結構力學，普通索主梁下撓量計算公式為：

端錨索塔頂水平位移計算公式為：

各參數的含義在圖2中已經明確標示。

1.6 主梁的布置

斜拉橋的主梁是整體結構的主要框架部分，也是固定索塔、拉索的主要部位。當前斜拉橋主梁主要有兩種形式，連續和非連續體系（見圖3）。連續體系在結構上為連續梁或連續剛構（拉索為跨內的彈性支承），為改善受力布置外邊孔時，斜拉橋主梁梁體還與邊跨或引橋的上部結構主梁相連續。非連續體系也是一種重要的斜拉橋主梁結構，一般出現在雙塔三跨式或者多塔斜拉橋中，一般情況下，都會在主跨中央部分，設置一個簡支掛孔或剪力鉸，從而保證體系的連續性。

圖3 非連續性主梁體系空間布置圖

2 大型斜拉橋的空間結構設計及選型

斜拉橋的空間設計要根據橋梁的基本設計要求開展，在設計過程中要充分根據其結構特點及施工地質條件進行。本文將主要針對主梁、索塔及拉索三方面的設計要求開展分析內容。

2.1 主梁的設計及選型

主梁是斜拉橋最重要的結構支撐體系，也是橋梁結構自重的主要部分，在主梁設計時，應綜合考慮斜拉橋縱、橫向受力情況，合理選擇截面形式和梁高。在主梁的設計方面，有兩個因素最為重要，一是主梁的高跨比，另一個是主梁的截面形式。

在高跨比的設計時，要根據不同的形式、材料而定。對于雙塔三跨及多塔多跨式斜拉橋，其混凝土主梁一般選擇1/100～1/220的高跨比，而組合梁結構則選擇1/125～1/200的高跨比，鋼主梁選擇1/180～1/330高跨比。而對于獨塔斜拉橋，由于其主跨長度、索面數、截面形式等變化較大，可略低于同跨徑的雙塔式梁高。

對于主梁截面的形式，不同材料截面形式設計不同。對于混凝土斜拉橋其主梁截面主要采用實心板、箱梁、箱形、帶斜撐箱形和肋板式截面等形式；而對于鋼梁斜拉橋則主要選擇箱形、板形、分離式邊箱和鋼板梁截面；而如果是采用雙層橋面的主梁時，宜采用桁架形式；組合梁斜拉橋則用兩工字形鋼主梁其間加小縱梁截面形式；跨徑較大時也可采用邊鋼箱梁截面形式。

2.2 索塔的設計及選型

在索塔的設計時，不同的材料其設計要求及選型是不同的。對于混凝土索塔的設計，要根據施工的需要在索塔內配置型鋼作為勁性骨架；而對于鋼索塔，應當根據工程實際設計為矩形空心箱截面，或者T形或準十字形空心箱形式。對箱形鋼索塔而言，箱室四周各主壁板上應布置豎向加勁肋，箱室內應設置水平橫隔板，其間距不宜大于4 000 mm，鋼索塔外壁板及豎向隔板的厚度根據受力需要可沿索塔內分段取用不同的壁板厚度，但不宜小于20 mm。

2.3 拉索的設計及選型

在拉索的設計時，主要是考慮拉索與周圍混凝土的錨固作用。在拉索與主梁的錨固設計時，頂板錨固宜用于箱內采用加勁斜桿的單索面橋;箱內錨固宜用于兩個分離單箱的雙索面橋;斜隔板錨固應用范圍與箱內錨固一致；梁體兩側錨固宜用于雙索面橋;梁底錨固宜用于梁截面較小的雙主梁或板式梁。而對于拉索與索塔的錨固設計，在實體塔上的交錯錨固，應在塔柱中埋設鋼管，并設置錨墊板；而對于空心塔上的側壁錨固，應在空心塔柱的壁板內配置預應力鋼筋。對索塔的預應力鋼筋的布置，應避免出現預應力盲區。鋼橫梁錨固，應在混凝土塔柱內側設置牛腿。

3 結語

通過本文的分析可以看出，盡管斜拉橋的結構組成較為簡單，但是其空間布置及設計要求的方面有很多，整體設計是一個有效的系統。文中很多內容都標明，在空間結構設計過程中，要根據斜拉橋的材料、過程地質條件等選擇合適的結構參數。在這個層面上，斜拉橋的設計不僅僅要根據設計要求，更重要的是要根據施工要求開展。在設計過程中要從多方面出發，綜合分析各方面的設計因素，從而保證整體結構的穩定性和安全性。

[1]吳繼峰.波形鋼腹板PC組合箱梁無背索斜拉橋的設計[J].公路，20011,（2）.

[2]莊年，應偉強.北京某矮塔斜拉橋的設計與施工實踐[J].特種結構，2011,（1）.

[3]王富君.跨既有鐵路矮塔斜拉橋設計與轉體施工[J].鐵道標準設計，2011,（3）.

[4]郭彬立，韓學敏，陳慶軍.蘇拉馬都跨海大橋主橋上部結構設計[J].公路，2011,（1）.