大型斜拉桥发展动态及关键技术分析

1、大型斜拉桥发展动态及关键技术分析【摘要】现代桥梁正朝着大跨径、更轻巧的方向发展。斜拉桥是其中一种最为常用的结构。斜拉桥由主梁、索以及支承缆索的索塔等部分组成，属于组合体系的桥梁。通过桥塔上多条斜向拉索的支承，斜拉桥结构可以跨越较大的山谷、河流等障碍物。文中通过对斜拉桥的历史和发展趋势进行分析，提出斜拉桥在设计和建设中存在的问题，以期对斜拉桥的修建有一定的指导作用。【关键词】 斜拉桥 多塔斜拉桥 【Summary】Modern cable-stayed bridge from the date of birth in many ways has undergone dramatic evolut

2、ion. With advances in technology, structural analysis, in-depth wind resistance, seismic and construction of the stability studies, this form of cable-stayed bridges in the last century has been rapid development. Trends in the development of cable-stayed structure in the form of light, multi-tower

3、cable-stayed bridge, part of the cable-stayed bridge has greatly increased its competitiveness in the long-span and small-span bridge.【Key Words】 Cable-stayed bridge Multi-tower cable-stayed bridge1.斜拉桥的现状以加劲梁材料分有：钢斜拉桥、PC斜拉桥、结合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥；以荷载类型分有：公路斜拉桥、铁路斜拉桥和公铁两用斜拉桥。不同材料斜拉桥加劲梁为钢的斜拉桥般采用箱形断面，由于质量轻，施工节

4、段长，跨越能力大，因此在斜拉桥发展的早期得到了广泛地应用，特别是在日本。PC斜拉桥的经济性好，自20世纪70年代以来发展迅速，我国也一直以修建PC斜拉桥为主。结合梁斜拉桥与PC斜拉桥相比，恒载较轻，安装节段长；与钢斜拉桥相比，刚度较大，可采用轻型而方便的开口截面，且抗风稳定性较好。分析结果表明，现有拉索的强度、拉索弹性模量降低引起的主梁挠度和弯矩以及结构的颤振临界风速等都不是斜拉桥跨径发展的障碍，对斜拉桥跨径发展的最大制约因素是斜拉索水平分力引起的主梁轴向力和斜拉索刚度。为减小主梁的轴向力，同时防止边跨支座出现过大的负反力，需加大边跨的重量和刚度，即采用混合梁斜拉桥：边跨为混凝土梁、中跨为钢梁

5、或结合梁的斜拉桥。诺曼底桥和多多罗桥均为混合梁斜拉桥，混合梁斜拉桥是超大跨径斜拉桥的发展方向。铁路斜拉桥由于铁路桥梁的荷载大，刚度要求高，斜拉桥用于铁路的实例不是很多。 2.斜拉桥发展2.1发展原因这种型式的桥梁能形成如此大的发展规模，其主要原因是：计算机技术的飞速发展、超静定结构分析理论的不断完善，使得计算手段不断更新、水平日益提高；正交异性板的设计计算及制造工艺的日趋成熟，预应力混凝土的兴起和发展，高强度缆索材料制造工艺的发展，防腐能力的提高，锚固方式以及高疲劳性能锚具的研究和开发；模型试验技术水平及试验能力的提高，以及以悬臂架设方法为主的施工技术的开发和完善等方面的原因；以及斜拉桥在它的

6、经济性、刚度、抗风稳定性以及架设方法方面，在200m600m跨度范围内都有一定的竞争优越性。2.2发展趋势斜拉桥的发展趋势斜拉桥的发展趋势主要表现在如下几个方面：1) 桥面继续轻型化2) 跨径继续增大，中、小跨径也具有竞争力近年来，有向拉索造价和桥面系重量减少，结构更趋于轻巧和柔性的方向发展。在特大跨度斜拉桥中更多地采用叠合梁，从而有效地减轻了桥面系重量，提高了跨越能力。斜拉桥跨径继续增大的主要制约因素是主梁所能承受的压力，就目前可采用的材料强度看，其极限跨径可达到1800m2100m。斜拉桥在中等跨径桥梁中颇具竞争力在于可采用更为创新和经济的设计方案，可激发设计者无穷的想象力。2)塔结构的多

7、样化早期斜拉桥桥塔多采用钢结构，近年来越来越多地采用混凝土塔结构。倒“Y”形或钻石形塔可使梁体获得较高扭转自振频率以提高其临界颤振风速，大跨径斜拉桥多采用这两种类型索塔。3) 多跨(多塔)斜拉桥多塔斜拉桥结构形式新颖、美观，近年来越来越多地被采用。早期的这种结构是由Ricardo设计的马拉开波桥，其结构概念很清楚：即一系列具有足够刚度的索塔预应力混凝土桁架斜拉索悬臂支撑简支挂梁。多塔斜拉桥的主要问题是由于中间塔没有端锚索来约束其塔顶位移，导致其比一般斜拉桥的柔性更大。采用这种桥式的首要问题是必须采用提高结构整体刚度的技术措施和方法，如塔顶对拉索、斜拉索交叉布置、增大中间塔的刚度等措施。4) 拉

8、索新型化随着桥梁跨径增大，拉索垂度也增大，而刚度随之降低，因此需考虑设置辅助索。拉索防护材料现多采用PE材料外包有色PU材料防护，同时抑制风雨振的高阻尼材料和阻尼器也会广泛的应用于斜拉桥上。 5)部分斜拉桥部分斜拉桥是介于连续梁桥和斜拉桥之间的一种桥型，它是靠梁的受弯、受压和索的受拉来承受荷载，因此可通过改变梁的刚度来实现荷载在梁、索间的不同分配比例，以强化或弱化斜拉索的作用，设计自由度很大。部分斜拉桥具有一些显著特点，如塔高较矮、主梁刚度大、斜拉索布置较集中、边中跨比例更接近连续梁等。部分斜拉桥的斜拉索应力变化幅度小，可采用较高的容许应力，如般斜拉桥设计计算中索的容许应力仅取钢丝标准抗拉强度

9、的 40，安全系数为2.5，而部分斜拉桥计算中索的容许应力与一般梁体内的预应力束相同,可取为钢丝抗拉强度的60，安全系数为17。部分斜拉桥的结构整体刚度大，变形小，尤其适用于荷载大、标准高的铁路桥梁。6)结构分析方面在大跨度斜拉桥的结构分析中，必须考虑由于初始内力存在引起的内力增大，从而带来稳定安全系数降低的问题。同时，在结构强度分析及稳定性分析中还必须考虑非线性、施工过程等因素的影响。3. 21世纪建成的部分斜拉桥2000年武汉长江三桥（白沙洲大桥）（图3-1），钢箱混合梁斜拉桥，主跨618m。图3-1 武汉长江三桥（白沙洲大桥）2001年建成的武汉长江四桥（军山大桥）（图3-2），钢箱斜拉

10、桥，主跨460m，桥面全宽38.8m，设双向6车道，是目前中国最宽的公路桥。图3-2 武汉长江四桥（军山大桥）2001年美国佐治亚州西德尼拉尼尔桥（图3-3），主跨381m，一座双塔双索面的斜拉桥。图3-3 西德尼拉尼尔桥2003年建成的四川宜宾金沙江中坝大桥（图3-4），预应力混凝土独塔斜拉桥，主跨252m。图3-4 中坝大桥2004年法国塔恩河河谷的Millau高架桥（3-5），七塔钢梁斜拉桥，大桥斜拉索的最高处高出地面1125英尺(合343米)，为当时世界第一高桥。图3-5 Millau高架桥2004年的安庆长江大桥（图3-6），主桥1040米。四项全国第一：从施工单位的选择到首节钢围堰

11、下水时间最短，仅用22天时间；从首节钢围堰下水到着岩封底时间最短，仅用80个工作日；钢围堰着岩精度(为1/660)最高，超出设计规范的6.6倍；在全国同类大桥建设中，安全建设零事故记录保持时间最久。 图3-6 安庆长江大桥2006年建成南京长江三桥（图3-7），主跨648m，双塔双索面钢箱梁斜拉桥，索塔采用钢结构，在国内尚属首次。图3-7 南京长江三桥2008年香港昂船洲大桥（图3-8），主跨1018m，双向三线高架斜拉桥。 图3-8 昂船洲大桥 2010年荆岳长江公路大桥（图3-9），主跨816m的混合梁斜拉桥，桥塔为 H型。 斜拉桥在超长跨海桥梁方面也发展的比较好。宁波杭州湾跨海大桥（全长

12、36km），其中北航道桥为主跨448m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，南航道桥为主跨318m的单塔双索面钢箱梁斜拉桥。东海跨海大桥（全长31km）主跨420m的双塔双索面结合梁斜拉桥。图3-9 年荆岳长江公路大桥4.斜拉桥存在的问题1）计算模型的问题由于斜拉桥是复杂的高次超静定结构，进行计算时首先必须解决的问题就是建立符合实际的计算模型，将实际的结构力学模型化。分析模型能否准确真实地描述实际结构的力学性能直接关系到计算结果的正确性。随着计算技术的发展，三维空间结构分析基本取代了平面杆系分析，并引入了弹性连接、索和支座等有限元模型。对斜拉桥的计算模型问题，国内外已有一定程度的研究。目前对斜拉桥的各种分

13、析研究，采用的桥面系模拟主要有脊梁式、双主梁式和三主梁式等，但是由于各自都存在着一定的局限性，分析结果存在着显著不同，一直颇有争议。因此，如何有效地对整个桥梁结构及结构细节、支座、连接等所具有的力学性能进行有限元模拟，一直没有找到一个满意的答案。2）非线性行为问题由于大跨斜拉桥是柔性结构，即使在正常荷载下，往往也会产生较大位移，结构的几何形状发生显著的变化，整个结构表现出明显的几何非线性行为，概括起来有：拉索的垂度效应；梁柱的轴力和弯矩祸合效应；形状改变引起的大位移效应。国内外很多学者对斜拉桥的几何非线性行为进行过研究，但是由于斜拉桥结构的复杂性及分析方法的不同，研究结果还存在着一定差异，甚至

14、截然相反。因此，斜拉桥的非线性分析还很不成熟，很多问题有待人们研究解决。3）抗震问题目前，我国的铁路工程抗震设计规范和公路工程抗震设计规范都只适用于主跨在150 m以下的梁桥和拱桥，不适用于大跨度桥梁的抗震设计。国外绝大多数设计规范也只适用于中等跨径的普通桥梁，不适用于斜拉桥。关于斜拉桥的抗震设计，至今无专门的规范。一方面是斜拉桥的数量和跨距的迅速增长，另一方面是地震曾破坏了大量的桥梁，然而还没有任何斜拉桥经历过强地震的考验，因此了解斜拉桥的地震反应意义重大。斜拉桥的地震反应分析是一项庞大而复杂的工作，不仅包括建立反映其实际力学性能的动力计算模型，而且还涉及到阻尼问题、地震动的输入问题和各种非

15、线性问题。同时，斜拉桥具有空间性，跨度较大，地震波传播的过程中有相位差、相干损失和行波效应等，使得其地震反应呈现出独特性。斜拉桥形式多样，各种结构体系的抗震性能也有明显的差别，虽然国内外对斜拉桥的地震反应进行了广泛的研究，现在对斜拉桥的地震反应特性有了一定了解，但是研究结论还很不一致，受分析手段的限制，一些分析模型、分析方法不尽合理。4）抗风问题由于斜拉桥是柔性结构，容易因风的动力影响而发生不稳定的振动。风给予桥梁结构一种时间、空间变化的作用，它随着流过桥梁结构周围的气流状态而变化，气流状态又随桥梁结构端面形状及风向角度而变化，风的动力影响会使得斜拉桥主梁、塔、索分别出现抖振、涡激振、驰振、颤振和祸合颤振现象。因此，除了风速和风向本身的变化外，桥梁结构的变形、振动又会使风相对于桥梁结构的速度和作用方向发生变化。虽然对斜拉桥的风振问题进行了大量研究，但是由于风本身的复杂性和斜拉桥结构的特殊性，风的动力影响和结构的反应两方面的行为性能目前还没有充分地认识清楚