橋梁學習之我見

陳宇軒

摘 要：橋梁作為跨越河流、湖泊乃至海洋的一種重要途徑，在人們的日常生活中發揮著重要的作用。而斜拉橋與懸索橋作為現代橋梁的兩種主要建筑方式，都被廣泛的運用于橋梁建設中。但由于外形結構相似，很多同學對于這兩種橋難以區分和理解。本文旨在通過對懸索橋與斜拉橋的受力，設計、經濟等多方面進行比較，對二者進行對比，同時對已建成的橋梁采用的建筑方式進行解釋，以便幫助大家對橋梁更好的學習理解。

關鍵詞：斜拉橋；懸索橋；對比

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0087-02

1 引言

橋梁在日常生活中比較常見，按照結構體系劃分，有梁式橋、拱橋、鋼架橋、纜索承重橋等。其中，在大跨度應用方面主要是纜索承重橋，1981年建成的英國恒比爾懸索橋的跨徑為1410米，是目前世界上跨徑最大的橋梁。

在纜索承重橋中主要包括兩類纜索承重形式，一種是斜拉橋，另一種是懸索橋。斜拉橋又稱斜張橋，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，斜拉橋由主梁，索塔，斜拉索組成。而懸索橋，又名吊橋，指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸或橋兩端的纜索或鋼鏈作為上部結構主要承重構件的橋梁，主要由主塔、主攬、吊索、加勁梁、錨碇和鞍座組成[1]。斜拉橋圖1所示，懸索橋圖2所示。

然而，查詢文獻可知（表1所示），在實際的橋梁建設中，在國外已建成的大跨徑橋梁中，懸索橋的數量普遍多于斜拉橋，而在我國情況有所不同，斜拉橋的數量較懸索橋更多[2]。

這樣一來就產生了疑問，在橋梁建設中，究竟是如何做出選擇的，接下來本文將從受力方面、設計方面、經濟方面進行比較，簡要介紹二者的區別，以給大家提供參考。

2 斜拉橋和懸索橋的對比

2.1 受力比較

斜拉橋與懸索橋所受力主要分為永久作用，可變作用和偶然作用三種，此處主要對永久作用力進行分析。

通過物理建模，將圖1及圖2斜拉橋與懸索橋簡化為如下結構圖3-4所示。

對二者進行受力分析圖5-6所示。

通過斜拉橋和懸索橋的結構簡圖3-4可以看出，斜拉橋和懸索橋都通過鋼索的拉力來代替了一部分橋墩的支持力。這樣一來在建造時可以大幅減少橋墩的數量的同時，大幅增大橋梁的跨度。

通過斜拉橋和懸索橋的結構簡圖和受力分析圖5-6可以看出，由于斜拉橋的鋼索是傾斜的，因而以圖中C點進行受力分析時，可以發現為了在C點提供足夠的豎直拉力Fcy，那么隨著AC兩點間距離的不斷增加，Fc和Fcx都將會不斷增大。但由于斜拉索的承載能力有限，這樣一來只能提高主塔的高度，而主塔也不能無限加高，因而AC之間的距離不能太大，即斜拉橋的跨度不能太大。而通過懸索橋的結構簡圖和受力分析圖可知，懸索橋的吊索受力是豎直方向上的，即隨著跨度的增加并不會增加吊索的受力。因此懸索橋的跨度可以比斜拉橋更大。

由斜拉橋的結構簡圖可以看出繃緊的拉索與主塔及橋面根據三鋼片原則構成了不變體系，而通過觀察懸索橋的結構簡圖可以看出懸索橋的主纜、吊索、主塔及橋面之間構成的是可變體系。因此當受到較大外力作用時，懸索橋容易發生震動和變形，也無法承受通行鐵路的沖擊力。可見懸索橋的穩定性不如斜拉橋的穩定性好且受限制較大。

綜上所述，可見懸索橋的最大跨度大于斜拉橋，但穩定性斜拉橋強于懸索橋。

2.2 設計方面對比

從設計的角度來看，由于懸索橋必須有錨碇用于承載主纜兩端的拉力，但是如果所在河流或海域非常寬，而懸索橋達不到這樣的跨度，則錨碇就必須要放置在河流中，這樣會對水流造成影響，進而影響到航運，因而為了避免水中錨碇，必須增大懸索橋的跨度，這樣才能使用岸上錨碇。而斜拉橋的主跨跨度則可根據通航要求而定，相對較小，所以像我國的蘇通長江公路大橋就寧可選擇了斜拉橋。不過同時由于懸索橋可以更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。而斜拉橋的跨徑一般在普通梁橋和懸索橋之間。

同時由于懸索橋的主要缺點是剛度小，在荷載作用下容易產生較大的撓度和振動，需注意采取相應的措施，如在加勁梁的結構選擇上進行調整。而斜拉橋的剛度比懸索橋大，主要需要減小風致振動的影響。另外，從美觀的角度來看，由于二者均使用鋼索作為主要承重構件，并有較高的主塔或索塔，且跨度較大，較梁橋和拱橋而言更為壯觀，斜拉橋在構造上主要有單塔或雙塔、單面布索或兩面布索、密索或少索等形式，索的布置也有不同的形式，塔、梁、墩之間鉸接或固接等也有多種類型。而懸索橋同樣以單塔和雙塔為主，布索方式則較為單一。

而從建造與維護的角度來看，由上文的分析可知兩種橋的主要承重構件都是鋼索，它主要承受拉力，一般用抗拉強度高的鋼材，如鋼絲、鋼絞線、鋼纜等制作。因而對于拉索的檢測、養護和維護都是十分重要的。在日常維護中，對于二者的管養設施，結構部件和橋面系設施都要進行檢修，其差異在于懸索橋還要對錨碇和主纜進行檢修，這樣顯然增大了工作量。而且由于主纜作為主要承重構建是無法更換的，因而要使用先進的除濕裝置防止生銹。橋梁在使用過程中，對橋梁的健康監測也十分重要，監測參數上兩種橋都主要分為荷載源，系統特性，橋梁響應三類[3]。

綜上所述，可見懸索橋在設計建造及日常維護中所受的限制較多，斜拉橋在這幾個方面則具有一定的優勢。

2.3 經濟性方面對比

已有的研究（見圖7所示）已經給出了斜拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的經濟性比較情況。由圖中可以看出跨度在200-1100m時用斜拉橋更經濟，而在跨度超過1100m時用懸索橋更經濟，而當跨度較小時使用梁橋或拱橋則能免去拉索的成本，成本更低。

而根據斜拉橋主梁的組成方式，當跨度在400m以下采用預應力混凝土梁、在600m以下采用鋼-混凝土組合梁、在600m以上采用全鋼梁或建造混合式斜拉橋是最為經濟的選擇。懸索橋則根據錨碇的不同，當跨度在2300m以下使用岸上錨碇、2300m以上使用淺水錨碇更為經濟。

3 結語

斜拉橋與懸索橋作為現代橋梁的兩種主要建筑方式，都被廣泛的運用于橋梁建設中。本文通過對懸索橋與斜拉橋的受力，設計、經濟等多方面進行比較，對二者進行了評價。通過上文的論述與分析可知我國的橋梁之所以以斜拉橋為主，主要原因是因為我國的大橋大多建設在東部、南部地區，跨度一般較大，單純懸索橋達不到跨度要求，并且考慮到強度要求，一般以多塔斜拉橋為主，同時經濟因素及航運的需求對此有很大影響。而其他國家和地區在橋梁建設上并沒有國內技術難度要求這么高，更多的受到人文，技術等方面的影響，因而有更多的懸索橋。

參考文獻

[1]肖汝誠，姜洋，項海帆.纜索承重橋的體系比選[J].同濟大學學報：自然科學版，2013，（02）：179-185.

[2]楊海峰.斜拉橋與懸索橋的主要區別[J].門窗，2013，（12）：422-423.

[3]宮入武夫，金建國，程春芳，等譯.工程力學[M].北京：冶金工業出版社，1981.endprint