大型斜拉橋的空間構(gòu)造及設(shè)計分析

李文靜 ，張 坤

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

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，橋梁工程建設(shè)速度逐年加快，并且已經(jīng)成為我國城市規(guī)劃建設(shè)的重要組成部分。斜拉橋是重要的橋梁形式，整體建筑結(jié)構(gòu)具有梁體內(nèi)彎矩小、建筑高度低、結(jié)構(gòu)重量輕，以及工程材料節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)。作為一種拉索體系，斜拉橋在跨度能力上比梁式橋在結(jié)構(gòu)上更具有優(yōu)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(xiàn)代斜拉橋建設(shè)及發(fā)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(shè)方面的優(yōu)勢而被廣泛地采用和建設(shè)。與國外相比，我國斜拉橋工程建設(shè)的起步較晚，但發(fā)展較快，特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國多項斜拉橋工程在橋梁跨度，以及技術(shù)應(yīng)用方面都具有國際領(lǐng)先優(yōu)勢，例如2008年建設(shè)完成的蘇通大橋，其主跨度達(dá)到了1 088 m，是當(dāng)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(gòu)造及設(shè)計方面與梁式橋具有很大的差別。為此，本文將根據(jù)斜拉橋的空間構(gòu)造特點(diǎn)，對斜拉橋工程設(shè)計等問題進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 大型斜拉橋的空間總體布置

斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。在組成形式上，整體結(jié)構(gòu)是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。因此，其空間總體布置就是其空間構(gòu)造的表型形式。

1.1 斜拉橋空間受力特點(diǎn)

與梁式橋構(gòu)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(cè)是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔與主梁連接在一起?，F(xiàn)在假設(shè)索塔兩側(cè)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(chǎn)生兩個對稱的沿著斜拉索方向的拉力，根據(jù)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(jié)構(gòu)而言，其橋上主要的承載力結(jié)構(gòu)是斜拉鎖，而主梁的作用僅僅是保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jù)，是斜拉橋整體設(shè)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(zhì)條件、地形、建設(shè)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(dú)塔雙跨式和多塔多跨式等結(jié)構(gòu)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(jù)建設(shè)條件而定。在跨徑設(shè)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(jù)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(dú)塔雙跨式。獨(dú)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(dú)塔雙跨式斜拉橋跨徑設(shè)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?qū)嶋H上是雙塔三跨式斜拉橋的延伸，在應(yīng)用領(lǐng)域與其相似，由于跨度較多，因此，一般會在在中間建設(shè)剛性塔等結(jié)構(gòu)，跨距設(shè)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(shè)置輔助墩結(jié)構(gòu)，用來改善結(jié)構(gòu)的受力特征。在結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)，可以有效地提高主梁的剛度。事實上，通過布置輔助墩結(jié)構(gòu)，能夠?qū)χ髁航Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作用點(diǎn)，其布置是要根據(jù)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(shè)計時根據(jù)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(jù)跨徑進(jìn)行設(shè)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(dǎo)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(wěn)定性設(shè)計具有至關(guān)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(jù)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(yán)格設(shè)計之外，索距的布置對于拉索的整體受力具有至關(guān)重要的作用。對于當(dāng)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(xué)關(guān)系

當(dāng)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(xué)關(guān)系分析過程中，普通索主要分析主梁下?lián)狭?，而端錨索則要分析塔頂水平位移。兩種斜拉鎖的力學(xué)及幾何基本關(guān)系如圖2所示。

圖2 兩種斜拉索的變形分析示意圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，普通索主梁下?lián)狭坑嬎愎綖椋?/p>

端錨索塔頂水平位移計算公式為：

各參數(shù)的含義在圖2中已經(jīng)明確標(biāo)示。

1.6 主梁的布置

斜拉橋的主梁是整體結(jié)構(gòu)的主要框架部分，也是固定索塔、拉索的主要部位。當(dāng)前斜拉橋主梁主要有兩種形式，連續(xù)和非連續(xù)體系（見圖3）。連續(xù)體系在結(jié)構(gòu)上為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)（拉索為跨內(nèi)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(jié)構(gòu)主梁相連續(xù)。非連續(xù)體系也是一種重要的斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)，一般出現(xiàn)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(shè)置一個簡支掛孔或剪力鉸，從而保證體系的連續(xù)性。

圖3 非連續(xù)性主梁體系空間布置圖

2 大型斜拉橋的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型

斜拉橋的空間設(shè)計要根據(jù)橋梁的基本設(shè)計要求開展，在設(shè)計過程中要充分根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工地質(zhì)條件進(jìn)行。本文將主要針對主梁、索塔及拉索三方面的設(shè)計要求開展分析內(nèi)容。

2.1 主梁的設(shè)計及選型

主梁是斜拉橋最重要的結(jié)構(gòu)支撐體系，也是橋梁結(jié)構(gòu)自重的主要部分，在主梁設(shè)計時，應(yīng)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(shè)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(shè)計時，要根據(jù)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(jié)構(gòu)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(dú)塔斜拉橋，由于其主跨長度、索面數(shù)、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(shè)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(shè)計及選型

在索塔的設(shè)計時，不同的材料其設(shè)計要求及選型是不同的。對于混凝土索塔的設(shè)計，要根據(jù)施工的需要在索塔內(nèi)配置型鋼作為勁性骨架；而對于鋼索塔，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程實際設(shè)計為矩形空心箱截面，或者T形或準(zhǔn)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(yīng)布置豎向加勁肋，箱室內(nèi)應(yīng)設(shè)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(jù)受力需要可沿索塔內(nèi)分段取用不同的壁板厚度，但不宜小于20 mm。

2.3 拉索的設(shè)計及選型

在拉索的設(shè)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(shè)計時，頂板錨固宜用于箱內(nèi)采用加勁斜桿的單索面橋;箱內(nèi)錨固宜用于兩個分離單箱的雙索面橋;斜隔板錨固應(yīng)用范圍與箱內(nèi)錨固一致；梁體兩側(cè)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(shè)計，在實體塔上的交錯錨固，應(yīng)在塔柱中埋設(shè)鋼管，并設(shè)置錨墊板；而對于空心塔上的側(cè)壁錨固，應(yīng)在空心塔柱的壁板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。對索塔的預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置，應(yīng)避免出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力盲區(qū)。鋼橫梁錨固，應(yīng)在混凝土塔柱內(nèi)側(cè)設(shè)置牛腿。

3 結(jié)語

通過本文的分析可以看出，盡管斜拉橋的結(jié)構(gòu)組成較為簡單，但是其空間布置及設(shè)計要求的方面有很多，整體設(shè)計是一個有效的系統(tǒng)。文中很多內(nèi)容都標(biāo)明，在空間結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要根據(jù)斜拉橋的材料、過程地質(zhì)條件等選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在這個層面上，斜拉橋的設(shè)計不僅僅要根據(jù)設(shè)計要求，更重要的是要根據(jù)施工要求開展。在設(shè)計過程中要從多方面出發(fā)，綜合分析各方面的設(shè)計因素，從而保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(shè)計[J].公路，20011,（2）.

[2]莊年，應(yīng)偉強(qiáng).北京某矮塔斜拉橋的設(shè)計與施工實踐[J].特種結(jié)構(gòu)，2011,（1）.

[3]王富君.跨既有鐵路矮塔斜拉橋設(shè)計與轉(zhuǎn)體施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011,（3）.

[4]郭彬立，韓學(xué)敏，陳慶軍.蘇拉馬都跨海大橋主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].公路，2011,（1）.