單索面斜拉橋發展歷史及特點綜述

韓劍

摘要：單索面斜拉橋具有行車視野開闊，簡潔優美的優點。布置在行車道中央的橋塔與直接錨固在梁中線的拉索使材料用量較省。對于拉索疲勞問題，采用單索面布置是有利的。基于以上優點，單索面斜拉橋為工程界普遍采用。本篇文章介紹單索面斜拉橋的發展歷史及特點。

關鍵詞：單索面斜拉橋;鋼箱梁;扭轉

一、單索面斜拉橋的發展歷史

世界上第一座斜拉橋是斯特倫松德橋[1]（Stromsund Bridge），該橋由德國迪辛格（Franz Dischinger）教授設計，主跨182m，雙索面稀索斜拉橋。于1955年建成通車。世界上第一座單索面斜拉橋是易北河橋（Norderelbe Bridge），同樣為稀索體系。橋主跨171.88m，采用鋼板梁開口截面。梁高3.0m，寬30.74m。塔梁固結，墩梁鉸接。此橋于1962年建成。即單索面斜拉橋比雙索面斜拉橋晚了7年出現。之后單索面斜拉橋的跨度越來越大。勒沃庫森橋[2]（Leverkusen Bridge）為稀索單索面鋼箱梁斜拉橋，雙塔三跨，塔梁固結，墩梁鉸接。雙塔三跨，主跨280m，截面由單箱雙室和兩側懸伸以托住橋面的傾斜撐桿構成，高4.2m，寬37.8m。于1965年建成。兩年之后，1967年，另一座跨越萊茵河的單索面鋼箱梁斜拉橋，弗特里希—歐貝特橋[3]（Friedrich Elbert Bridge）也建造完成。跨度同為280m。同時他也是世界上第一座密索體系的斜拉橋，世界上最長的斜拉橋。該橋截面高度與勒沃庫森橋相同，寬度比其小1.5m。同樣是塔梁固結，墩梁鉸接。兩年之后，1969年。雙索面斜拉橋河灣橋[4]（Knie Bridge），以主跨319m的跨度取而代之，成為世界上最長的斜拉橋。但同樣為單索面鋼箱梁斜拉橋的杜伊斯堡—諾因坎普橋（Neuenkamp Bridge）于1971年通車。以主跨350m的跨徑超過河灣橋，又一次使單索面斜拉橋坐上世界上最長斜拉橋的寶座。其截面同樣由雙室鋼箱梁與用于支撐懸臂橋面板的斜支撐構成。橋寬36.3m，梁高3.72m。再之后，于1979年建成的弗雷埃橋（Flehe Bridge）是世界上最大跨度的單索面斜拉橋。獨塔雙跨，主跨367.24m。橋寬41.70m，高3.8m。主梁采用混合結構，截面寬41.70m，高3.8m。漂浮體系。截面同樣由三室鋼箱梁與用于支撐懸臂橋面板的斜支撐構成。1987年，單索面鋼箱梁斜拉橋跨徑又有了進一步的提高：泰國湄南河橋，雙塔三跨單索面斜拉橋，主跨450m。整體鋼箱梁截面寬33m，高3.99m。半漂浮體系。各個橋墩處均設置能夠抵抗拉與壓的支座來抵抗扭轉。直到1994年，日本鶴見航道橋[5]主跨又增加到510m。半漂浮體系。橋面寬38m，高4m。

我國較具代表性的單索面斜拉橋有：黃山太平湖大橋，建成時為亞洲最大跨度的單索面混凝土斜拉橋。獨塔雙跨，190+190m，塔墩梁固結。梁高3.5m，橋寬18.2m。國內跨度最大的單索面鋼箱梁斜拉橋為大榭第二大橋，雙塔三跨。主跨392m，半漂浮體系。鋼箱梁高3.5m，寬29.5m。中國第一座外海跨海大橋，東海大橋主橋，為單索面箱型疊合梁斜拉橋。雙塔三跨，主跨420m。截面寬33m，高4m。半漂浮體系。重慶東水門橋為雙塔單索面鋼桁梁橋，主跨445m。其主梁腹板是兩片鋼桁梁，橋面是正交異性板，下弦是有肋的鋼板。橋寬24m，梁高13m。半漂浮體系。

總結以上單索面斜拉橋的發展歷程可以發現：1990年之前，單索面斜拉橋和雙索面斜拉橋的最大跨度反復競爭超越。國外的單索面斜拉橋采用鋼箱梁較多。但截面本身的構成還不一樣。歐洲單索面斜拉橋的鋼箱梁普遍由兩到三個箱室構成，通過斜桿支撐懸臂橋面板增加橋梁寬度。但日本采用扁平整體鋼箱梁居多。我國單索面斜拉橋早期大多采取混凝土箱梁，塔墩梁固結體系。

二、單索面斜拉橋的特點

單索面斜拉橋將拉索布置在梁體中央，簡潔優美，避免了雙索面交錯混亂的感覺。行車視野開闊。除了美觀之外，單雙索面的布置形式對主梁也有不同影響：

（1）錨固點的設計：單索面布置的索力較雙索面較為集中，因此錨固構件會更厚。

（2）單索面斜拉橋中，索力于主梁的中間向兩邊傳遞。但雙索面中，索力于主梁的兩邊向中間傳遞。但力的大小相同。

（3）對于單面式斜拉橋，橋面上的不對稱車輛荷載基本不會影響索力的差異。但采取開口截面的雙索面斜拉橋，車輛偏載會僅僅使單根索力變化，即車重僅僅由一邊的拉索承擔。所以當有重車通過的時候，他在雙索面一邊拉索引起的索力變化是單索面拉索的2倍。如果大橋兩個方向的重車數量基本相同的話，造成的結果就是雙索面斜拉橋拉索應力脈是單索面斜拉橋的2倍，但循環次數是其二分之一。疲勞分析中，應力脈的幅度比循環次數更為重要。因此，對于拉索疲勞問題，雙索面布置的斜拉橋更為不利。

（4）單索面布置本身并不能給主梁提供抗扭支撐，因此其主梁必須設計成具有強大扭轉剛度的箱形截面。隨著跨度增加，鋼箱梁需增加壁厚或梁高來增大扭轉剛度，這樣一來斜拉橋的優點就沒有被完全發揮出來。例如，第一座雙索面結合梁斜拉橋胡格利二橋，主梁截面采用鋼板梁加混凝土橋面板的形式。梁高2m，橋面寬35m。主跨457.2m。但上文提到過的湄南河橋，主跨450m，橋寬33m，但梁高3.99m，大約是胡格利二橋梁高的2倍。

（5）另外從材料用量角度來講，單索面斜拉橋的橋塔一般集中在行車道的中部，基本不受橋寬的影響。而雙索面斜拉橋橋塔一般布置在主梁的兩側。若主梁過寬，橋塔間距較大，為了保證橋塔的穩定性，與其之間設立橫撐，或者向內相交，形成人字形，或寶石形橋塔。故而單索面橋塔的材料用量有可能小于雙索面的材料用量。對于橋的拉索，單面式斜拉索直接由橋塔錨固在中間分隔帶上，但雙索面拉索需要分別錨在梁的兩端。因此用索量會比單索面大。針對主梁，如前文所述，單索面需要主梁自己承擔扭矩，因此主梁采用鋼箱梁，為滿足抗扭要求，高度不能太低。因此單索面主梁材料較雙索面用量較多。實際設計時，需做好經濟比較。

參考文獻：

[1]項海帆等. 高等橋梁結構理論[M]. 第二版. 北京：人民交通出版社，2013：8-9.

[2]林元培. 斜拉橋[M]. 北京：人民交通出版社，2004：2-3.

[3]邵旭東. 橋梁工程[M]. 第二版. 北京：人民交通出版社，2004：420-421.

[4]Tang M C .Cable stayed bridge in North American .Cable stayed Bridge，Elseiver Science Publisher，1991.111-130

[5]嚴國敏. 現代斜拉橋[M]. 北京：人民交通出版社，1996：112-113.