斜拉橋與懸索橋受力性能分析

趙 歡

（撫順職業技術學院）

斜拉橋與懸索橋受力性能分析

趙 歡

（撫順職業技術學院）

橋梁是交通工程中必不可少的建筑物，也是城市經濟發達象征。隨著經濟的發展，橋梁的跨度也越來越大，斜拉橋和懸索橋都是充分利用鋼材預應力性能的大跨度橋梁。本文通過同一案例分別采用斜拉橋和懸索橋模型，對拉索和主梁的內里，得出斜拉橋和懸索橋不同的受力性能。

一、引言

橋梁是交通工程中必不可少的建筑物，是跨越障礙，連接河流兩岸甚至海峽兩岸的紐帶。橋梁的誕生為人們出行提供便利的同時，帶動了地方經濟的發展。現代橋梁建筑在融入了力學、經濟學以及美學的觀念，已經成為一個地區經濟是否發達的標志。

按受力特點的不同，橋梁可以劃分為梁式橋、拱式橋、剛架橋、懸索橋、斜拉橋五種基本類型。梁式橋與拱式橋是傳統的橋梁結構形式，有著悠久的歷史。我國建于公元595年至605年隋朝年間的趙州橋就是一座石拱橋，距今已有1400年的歷史，是世界上最早、保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋，現在仍堅固耐用。從趙州橋可以看出，古代人民已經掌握了橋梁建造的技藝，已經有了一定的力學和結構學的理論。但由于古代橋梁僅有木材和石材兩種主要材料，因而在跨度上受到很大的限制。剛架橋是介于梁與拱之間的一種結構體系，它是由上部體系和下部體系組成。上部體系一般為受彎的梁或板，下部體系一般為受壓的墩或柱。上部體系與下部體系為剛性連接，整個體系是壓彎結構。鋼架橋的產生得益于混凝土和鋼材兩種現代材料的應用，特別是預應力混凝土結構，承載力高，重量較傳統材料輕便，能跨越較大的跨度，是現代橋梁主要的建造材料。

隨著經濟的發展，橋梁的建造要求越來越高，跨度也越來越大，梁、拱式橋已經不能滿足大跨度的要求。隨著預應力結構的發展，一種新型的預應力構件被越來越多的應用在橋梁上，即高強度預應力拉索。預應力拉索強度高、塑性好、與混凝土有良好的黏結性能并有良好的加工性能。拉索的形式有鋼絞線纜繩、平行高強鋼筋、平行預應力鋼筋、平行預應力鋼絞線。通過實踐證明，平行預應力鋼筋和平行預應力鋼絞線的結構性是最好的。

拉索在橋梁中的應用主要有兩種形式，斜拉橋和懸索橋。這兩種橋梁結構形式能充分發揮拉索的抗拉性能，有很大的跨越能力，適用于大跨度的江、河，甚至適合建造跨海大橋。

二、斜拉橋的受力特點

斜拉橋是將橋面用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，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。由于采用了多條受拉索，減小了支墩的數量，進而減少了梁內的彎矩，可以減輕結構的自重，節省材料。目前世界上已經建成的最大跨徑的斜拉橋為俄羅斯的俄羅斯島大橋，主跨徑為1104米,于2012年7月完工。

從受力特點上看，斜拉橋主跨之間的承重大梁由若干根斜拉索拉在兩側的橋塔上，每個橋塔上兩側的都有拉索分布。主梁的自重及主梁承受的荷載均為豎直向下的，這些荷載由分布在橋塔兩側的拉索平衡。一般的斜拉橋的拉索都是以橋梁中心對稱分布的，由于拉索的僅產生沿索方向的拉力，根據力學原理，拉索上的拉力可以分解為豎直向下的拉力和水平的拉力，左右對稱水平拉力可以中和，豎直向下的拉力則可以通過橋塔傳至墩臺。

三、懸索橋的受力特點

懸索橋,俗稱吊橋，是將橋面通過拉索懸掛在橋塔上，并將拉索錨固在兩岸的橋梁結構，由主纜、橋塔、錨碇、吊桿等部分組成。懸索橋的主要承重構件是懸索，它主要承受拉力，由于懸索橋可以充分利用材料的強度，并具有用料省、自重輕的特點，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達到1000米以上。目前世界上已經建成的最大跨徑的懸索橋為日本的明石海峽大橋，兩橋塔跨距1991米，寬35米，兩邊跨距各為960米，可承受8.5強震和百年一遇的80米／秒強烈臺風襲擊。

從受力特點上來看，主纜是結構體系中的主要承重構件，它主要承受張力，可通過自身幾何形狀的改變來影響體系平衡，纜索的幾何形狀一般為物線。在外荷載作用下，懸索橋的橋塔以軸向受壓為主，并盡量減少橋塔中的彎曲內力，以增加整個橋梁承受外荷載的能力。懸索橋橋面上由車輛荷載引起的彎曲內力由加勁梁承擔。而這些荷載最終通過吊桿傳遞給主纜，吊桿承受軸向拉力，是聯系加勁梁和主纜的紐帶。

四、案例分析

為了對比相同條件下斜拉橋與懸索橋的受力性能，現用同一個案例并分別采用斜拉橋形式和懸索橋形式，通過計算兩種橋梁中拉索及梁的受力及整個橋梁的變形，得出對比結果。

1.工程概況

該橋梁工程為三跨連續橋梁，主跨120m、邊跨跨經為50m。同時采用斜拉橋模型（圖1）和懸索橋模型（圖2）。橋塔上部高40m，下部高20m。為比較兩種模型的性能，懸索橋的主纜和吊桿均采用與斜拉橋拉索相同的材料和截面，且通過計算，斜拉橋8根拉索的長度和與懸索橋主纜、邊纜、吊桿的長度和相同。

圖1 斜拉橋模型

圖2 懸索橋模型

2.計算結果

通過計算得出在同樣荷載條件下兩種橋梁模型下拉索所受張力見表1至表3。

表1 斜拉橋拉索張力

表2 懸索橋主纜張力

表3 懸索橋吊桿張力

兩種橋梁模型下主梁所受內力見表4。

邊跨 懸索橋 14 I -1412 -333 -0.41 J -1412 121 5296中跨 斜拉橋 11 J 0 228 -2848 I 0 0 0中跨 斜拉橋 12 J 473 73 -1819 I 473 -155 -2842中跨 斜拉橋 13 J 678 0 -1365 I 678 -91 -1819中跨 懸索橋 15 J -1399 285 1898 I -1399 139 5296中跨 懸索橋 16 J -1404 244 -875 I -1404 94 1898中跨 懸索橋 17 J -1411 195 -2799 I -1411 -55 -875

3 結論

從受力情況來看，斜拉橋拉索所受的張力明顯小于懸索橋的主纜所受的張力，同樣橋梁設計，如采用斜拉橋的話可減少截面尺寸。懸索橋的受力特點就是橋梁自重和大部分荷載重要主纜來承擔，相對主纜的張力，吊桿所受的張力較小，在實際應用中，可以考慮輕型材料及減少吊桿的截面尺寸。斜拉橋拉索張力中，位置高的拉張力明顯低于位置低的拉索張力，在實際中，在滿足橋塔承載力及變形要求前提下可盡量提高橋塔的高度，但同時要考慮經濟性問題。

主梁受力情況上，斜拉橋的主梁上拉索索錨固的位置，梁彎矩普遍較大，在橋塔附近位置內力很小，中跨位置跨中彎矩最大，除零桿外，軸力、剪力在各處變化值不大。懸索橋的主梁彎矩在橋塔附近位置較大，然后向橋塔兩邊減少，中跨位置到跨中又增大，但沒有超過橋塔附近位置的彎矩值，同樣，軸力、剪力在各處變化值不大。同樣橋梁設計，如采用斜拉橋的話可減少截面尺寸，但由于斜拉橋受力特顯所限，斜拉橋的跨越能力不能超過懸索橋。

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