簡析斜拉橋的優(yōu)缺點(diǎn)

陳于德

[摘 要]拉橋是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。由于施工環(huán)境惡劣、施工工序多、施工工藝復(fù)雜，大跨徑斜拉橋在整個(gè)施工過程中將面臨各種風(fēng)險(xiǎn)，極易出現(xiàn)各種事故。本文主要對(duì)斜拉橋的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]斜拉橋；承載內(nèi)力；優(yōu)缺點(diǎn)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.02.039

斜拉橋是由高強(qiáng)度鋼索（拉索）、塔柱和主梁構(gòu)成的組合體系?；緲?gòu)想是，利用由塔柱引出的斜向拉索懸吊跨越橋孔的主梁，使主梁像跨徑顯著縮小的多跨彈性支承連續(xù)梁那樣工作。

1 斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)

1.1 跨越能力大

連續(xù)梁橋與斜拉橋的承載內(nèi)力與變形對(duì)比可見，因拉索提供多點(diǎn)彈性支承，使主梁彎矩、撓度顯著減小，斜拉橋的跨越能力大大增強(qiáng)。

斜拉橋的經(jīng)濟(jì)合理適用跨徑范圍，目前較普遍的看法為200～800m。斜拉橋和其他橋型在材料用量上的比較，每平方米橋面的混凝土用量，當(dāng)L≥100m后，斜拉橋最省；鋼材用量，在L≥150m后，混凝土斜拉橋也是最省的。至于鋼斜拉橋，當(dāng)L>300m后，其用鋼量比懸索橋稍多。墩臺(tái)混凝土用量，斜拉橋總是最少的。

1.2 建筑高度小

主梁輕巧，其高通常為跨徑的1/100～1/50，既能充分滿足橋下凈空需要，又有利于降低引道填土工程量。

1.3 受力合理

斜索拉力的水平分力為主梁提供預(yù)壓力，可提高主梁的抗裂性能。

1.4 設(shè)計(jì)構(gòu)思多樣性

沒有一種橋型能像斜拉橋那樣演變出千姿百態(tài)的造型。由于塔、索、梁的組合多樣性，為設(shè)計(jì)的構(gòu)思提供廣闊的變化空間，可適應(yīng)多種不同的使用要求與橋址自然條件。

1.5 懸臂法施工方便安全

懸臂施工法是斜拉橋普遍采用的方法，特別適用于凈高很大的大跨徑斜拉橋，有懸臂拼裝、懸臂澆筑或懸拼與懸澆相結(jié)合諸種。懸臂施工階段應(yīng)充分發(fā)揮斜拉索的效能，以盡量減輕掛籃承重；通過索力調(diào)整使主梁受力均勻合理，是保障經(jīng)濟(jì)、安全的重要措施。

1.6 剛度大

與懸索橋相比，斜拉橋的豎向剛度與抗扭剛度均較大，抗風(fēng)振穩(wěn)定性好，且無須大型錨碇，故在適用跨徑范圍內(nèi)，懸索橋總造價(jià)將比斜拉橋超過20%～30%。

斜拉橋的拉索直接支在橋塔上，而懸索橋的吊索則懸掛在支承于橋塔間的柔性承重主纜上，故兩者結(jié)構(gòu)風(fēng)動(dòng)力性能差別很大。資料分析表明：對(duì)跨徑相同懸橋塔下均設(shè)鉸支承的三跨連續(xù)的斜拉橋和懸索橋，當(dāng)中跨承有相當(dāng)60%恒載的均布活載時(shí)，其中跨撓度比為1∶1.55，邊跨撓度比為1∶3.85，而橋塔頂水平位移與中跨跨徑之比，懸索橋?yàn)?.25%，斜拉橋?yàn)?.1%，相差1倍以上。

當(dāng)風(fēng)（通常是非恒定的）繞過橋梁時(shí)總會(huì)形成非定常的氣流，這種速度和方向隨時(shí)間變化的氣流作用就是風(fēng)的動(dòng)力作用，它將引致低風(fēng)速的共振和較大風(fēng)速的顫振，后者當(dāng)風(fēng)速超過顫振臨界風(fēng)速時(shí)，橋梁的彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅就會(huì)無限擴(kuò)大直至吹毀橋梁。

斜拉橋的風(fēng)動(dòng)力性能雖因結(jié)構(gòu)剛度良好，扭轉(zhuǎn)與豎彎曲頻率比較大而較懸索橋?yàn)閮?yōu)，但在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)、大跨徑和橋?qū)捿^小的情況下也不可忽視。目前，混凝土斜拉橋的自重為14kPa，而鋼斜拉橋自重輕，僅3.4kPa，故風(fēng)振對(duì)后者的影響更大。

保證橋梁風(fēng)振穩(wěn)定性的基本辦法是提高臨界風(fēng)速Vcr并采取適當(dāng)?shù)臏p小風(fēng)振措施。當(dāng)Vcr≥60m/s時(shí)，風(fēng)振毀壞概率僅為1/2000。我國《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，橋梁臨界風(fēng)速宜取設(shè)計(jì)風(fēng)速的1.2～1.5倍，以保證風(fēng)振安全。

1.7 橋型美觀

高昂的橋塔、堅(jiān)勁的斜索和輕盈的主梁相結(jié)合，似曼妙豎琴和遠(yuǎn)航的征帆，充分體現(xiàn)當(dāng)代橋梁力與美的高度和諧。目前，雄偉飄逸的塔墩固結(jié)飄浮體系和穩(wěn)健挺拔的塔梁固結(jié)單索面體系競(jìng)相媲美。

2 斜拉橋的缺點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算困難

由于斜拉橋設(shè)計(jì)構(gòu)思要考慮的變量很多，包括塔墩、索面、主孔跨徑L與分跨比m、橋?qū)払、塔高H、主梁的梁高h(yuǎn)和幾何特性（截面積A、慣性矩I）、塔載面積S與慣性矩Jx和Jy、拉索索距λi、傾角ai、鋼索換算彈性模量E、混凝土彈性模量Eb、輔助墩設(shè)置等，因此，尋求技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的橋型方案是很不容易的。

橋型方案的好壞差別很大。為搞好設(shè)計(jì)構(gòu)思，通常應(yīng)將上述變量進(jìn)行分類，把那些依據(jù)具體條件與可靠經(jīng)驗(yàn)就能判斷的變量首先固定，再將通過工程推理和簡化分析就可得到的結(jié)果確定下來，然后剩余下來的不能迅速判斷和需與其他因素綜合權(quán)衡的變量通過優(yōu)化獲取。

斜拉橋結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)雜困難，即使應(yīng)用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)計(jì)算手段也往往要耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)，主要原因如下：

（1）斜拉橋系高次超靜定組合結(jié)構(gòu)，對(duì)目前廣泛采用的密索體系計(jì)算更復(fù)雜。

（2）斜拉橋非線性影響突出，主要有斜索重要效應(yīng)、結(jié)構(gòu)大變形效應(yīng)和塔、梁彎矩軸力組合效應(yīng)等。

（3）配合施工過程控制需進(jìn)行倒拆法與正裝法結(jié)構(gòu)分析。斜拉橋在施工過程中，結(jié)構(gòu)圖式不斷演進(jìn)變化直至成橋，為使施工完成后的成橋?qū)嶋H受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)預(yù)想基本相符，必須按既定的不同施工階段擬訂計(jì)算簡圖，計(jì)算各階段產(chǎn)生的內(nèi)力、應(yīng)力與位移，以便適時(shí)進(jìn)行索力調(diào)整和主梁標(biāo)高控制，保證結(jié)構(gòu)合理受力與施工安全。

（4）斜拉橋動(dòng)力分析（抗風(fēng)、抗地震）需采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行。斜拉橋抗風(fēng)分析常需通過風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證，而抗震驗(yàn)算時(shí)應(yīng)將峰值高而持續(xù)時(shí)間短的地震波和峰值較低而持續(xù)時(shí)間較長的地震波分別輸入，進(jìn)行分析比較。當(dāng)然，最好是采用橋址當(dāng)?shù)氐卣鹋_(tái)的地震波譜。

2.2 施工技術(shù)要求高

斜拉橋工序繁復(fù)，高空作業(yè)多，施工過程控制嚴(yán)格。

2.3 連接構(gòu)造較復(fù)雜

索與塔、梁的連接構(gòu)造較復(fù)雜，索錨抗疲勞性能和鋼索防護(hù)措施有待不斷改進(jìn)。

總之，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的選用，應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、支座噸位、施工方法、行車平順性和抗風(fēng)、抗震要求等因素綜合考慮。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，材料、機(jī)械、設(shè)備工業(yè)相應(yīng)發(fā)展，這為我國修建大跨徑斜拉橋和懸索橋提供了有力保障。再加上廣大橋梁工程師們的精心設(shè)計(jì)和施工，使我國修建橋梁水平已躋身于世界先進(jìn)行列。

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