创建斜拉桥新辉煌

1、土木工程研究进展与施工方法课程报告三讲座题目： 如何创造斜拉桥的辉煌 报告人： 肖汝诚教授浅谈现代斜拉桥发展中的几个问题在11月14号的土木工程研究进展课上，来自同济大学桥梁系的肖汝诚教授为我们介绍了现代斜拉桥的最新进展情况，使我感触很深，于是课后又查阅了相关文献，对斜拉桥这一大跨桥型有了更进一步的认识，基于这些，本篇文章将简单总结一下自己对斜拉桥未来发展的一点浅薄认识，以供大家交流学习。1斜拉桥发展概述斜拉桥又称斜张桥，是将HYPERLINK /view/139123.htm 主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种HYPERLINK /view/113819.htm 桥梁，是由承压的塔、受拉的索

2、和承弯的梁体组合起来的一种HYPERLINK /view/1195986.htm 结构体系。斜拉桥可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，通过调整拉索体系，可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度及主梁梁高，节省材料，减小自重，因此斜拉桥比梁式桥的跨越能力更大，是特大跨度桥梁的主要桥型之一。近些年来，随着设计理论的完善和营造技术的发展，斜拉桥跨径得到了进一步的发展，已经突破千米级，除此之外，还出现了矮塔斜拉桥、异型塔斜拉桥、多塔斜拉桥以及斜拉悬索协作体系桥等形式多样的斜拉桥结构。斜拉桥跨径的不断提高及其形式的多样化发展满足了人们交通需求的同时也导致其抗风、抗震、整体稳定性、刚度问题和非线性等问题逐渐

3、突出，限制了它的应用和发展。近年来，国内外学者针对上述各类斜拉桥的问题进行了研究，本文将在此基础上，针对斜拉桥在向大跨径和形式多样化发展过程中出现的各类问题进行简单的分析和讨论，以供大家交流学习。下面将主要针对以下三部分展开相关讨论：1. 斜拉桥跨径的进一步提高；2. 多塔斜拉桥的刚度问题；3. 斜拉悬索协作体系桥的发展；（如何提高斜拉桥的经济竞争性）2斜拉桥跨径的进一步提高要研究如何增大斜拉桥跨径这一问题，首先要找到限制其跨越能力的主要因素，根据文献总结以下几方面原因及解决措施。2.1钢拉索的强度及松弛问题 钢拉索的强度极限直接限制了斜拉桥的跨径，而拉索松弛导致主梁挠度过大，影响桥梁耐久性，

4、除此之外，随着拉索长度的增加，拉索的垂度效应更为显著，这将导致拉索效率下降。要解决这些问题，应采用更高强更轻质的拉索材料，如CFRP索替换普通钢拉索以提高极限承载力，增加安全储备，同时应注意，理想的拉索材料除高强轻质外，还需满足低松弛，抗疲劳，耐腐蚀，耐久性良好等多方面要求。 另外有学者研究表明，拉索有效弹性模量随其水平投影长度的平方而降低，跨径越大,弹模降低越快, 因此，跨径越大，钢索松弛问题越突出，目前常用的有效的措施就是用二次索将各根拉索互相连起来, 并固定到主梁或索塔上，以下是几种二次索布置方案的逐步改进发展历程。图1 二次索的逐步改进作法2.2靠塔段主梁轴向力过大问题随着斜拉桥跨径增

5、大，靠塔段轴向力成为妨碍斜拉桥跨径增大的首要问题，轴向力过大可能导致混凝土主梁压碎及钢箱梁屈曲失稳问题。1 王伯惠. 斜拉桥增大跨径的技术措施J. 公路, 2003, 2(2):1-2.按现有材料技术条件,考虑轴向力不超过容许值, 单一材料钢主梁跨径只能做到1820 m, 混合梁可到2125 m，这个数值是控制钢( 混凝土) 主梁面积标准段不超过439m2 ， 近塔段不超过1. 25 倍标准段得出的。如果允许更大的主梁面积 当然还能得出更大的跨径，但这是很不经济的作法。1 王伯惠. 斜拉桥增大跨径的技术措施J. 公路, 2003, 2(2):1-2.解决该问题比较经济合理的途径主要有以下三条：

6、一是从材料入手，研发高强材料，提高主梁极限承载力；二是从截面形式入手，使用更为合理的构造形式，如组合截面梁、钢桁梁等；三是调整脊索布置方式以减少主梁轴向压力，在这方面国内外专家在早年提出了以下一些建议和设想：部分地锚法（丹麦J.Gimsing，1990）2）双锚法（法国J. Muller，1991） 两端张拉法（美国Yan Xiao，1994） 固定张拉法（日本Hisanori Ot suka，1991） 端锚法（中国周念先，20世纪80年代） 他锚法概念 可见解决主梁轴向压力过大问题, 施加张拉力或预应力是切实可行的办法，减轻轴压力对提高主梁刚度和承载能力皆有利。部分地锚法中段用缆索吊装,

7、在技术上跨径基本不受限制, 在经济上其地锚比悬索桥为小, 而且初期缆索可利用斜拉索来组成, 都可大大降低造价。双锚法和两端张拉法要将主梁全部悬拼完成( 中段锚于地锚) , 然后在中段施加预应力,因此主梁根部仍须承受全部一期恒载压力, 因而增大跨径受到限制, 只能达到原有的 1. 52. 5 倍2.3横向稳定性问题（包括抗风稳定性问题）斜拉桥跨径越大, 在静、动风力作用下的横向稳定问题越突出。就静风力而言, 主梁除了承担自身所受的风荷载以外, 还要承担拉索所受的风荷载, 跨径越大, 拉索越多越长, 风载就越大，容易引发风振。解决这一问题，2 顾安邦. 桥梁工程（下）M. 2008. 北京:人民交

8、通出版社, 1999:252-276.可采用以下措施：2 顾安邦. 桥梁工程（下）M. 2008. 北京:人民交通出版社, 1999:252-276.主梁及拉索作成流线形截面,既可以提高风动稳定性又可提高斜拉桥静力稳定性。加大桥宽，一般情况下，有以下四种做法：全桥面加宽、局部加宽（如靠塔附近梁段）、加大两侧风咀长度（风咀一般只用薄板弯制,重量较轻又经济）、采用分离式梁。以上几种方法也可混合使用。改变拉索体系来提高横向刚度,如采用倾斜索面，将原来的竖直拉索索面改成空间倾斜的索面,这时拉索既能承担垂直力, 又能承担侧向力和扭矩, 主梁不必用抗扭刚度强大的箱梁而可用开口截面, 动力性能也得以提高。改

9、变塔柱形式，采用抗侧刚度较强的A型，梯型，倒Y型塔柱。图 2 常见塔柱形式2.4可施工性问题 3 沈炯伟. 可施工性对斜拉桥跨越能力的影响J. 结构工程师, 2010, 26(2):168-1734 喻梅.多塔斜拉桥结构特性分析D.西南交通大学,20005 金立新.多塔斜拉桥发展综述J.公路,20106 3 沈炯伟. 可施工性对斜拉桥跨越能力的影响J. 结构工程师, 2010, 26(2):168-1734 喻梅.多塔斜拉桥结构特性分析D.西南交通大学,20005 金立新.多塔斜拉桥发展综述J.公路,20106 杜高明.大跨度自锚式斜拉一悬索协作体系桥结构性能分析D.大连理工7 张哲.自锚式斜

10、拉悬索协作体系桥梁设计与分析J.公路.2006混凝土泵送设备，对于混凝土索塔现浇施工，影响其可施工高度的主要因素是超高索塔混凝土泵送高度，由于二级泵送风险较大，故现在多采用一级泵送方式。现有的施工设备能力，可以实现的混凝土最大泵送高度以600 m计算，以苏通大桥跨径与塔高比3. 63作为判别标准,得到最大跨径为2 170 m。2）高空施工环境影响，高空施工环境也将影响混凝土索塔的可施工高度。对于千米级的斜拉桥，一般位于广阔的江面、海面上,气候条件比较恶劣，施工过程中风成了第一大威胁。对于高空施工作业，为了保证施工人员、施工设备的安全问题提出了更大的挑战。3）施工精度控制，随着斜拉桥跨径的不断增

11、大,斜拉索长度也随之增大,弹性模量降低,导致斜拉索定位精度和主梁线形精度下降，从而给施工控制带来困难。4)施工阶段全桥稳定及非线性问题，斜拉桥施工阶段随着跨径的增大，悬臂长度也随之增大，结构刚度下降，并且因为横桥向风荷载使塔根处主梁产生较大的横向弯曲，对结构稳定性的影响越来越大，从而使主梁过早进入屈服状态稳定性随着跨径的增大而降低。因此，如果要进一步增大跨径，从施工角度考虑可以采用以下措施：控制斜拉桥施工稳定性，通过设置临时墩，采用高强度钢材等技术提高稳定系数；保证施工质量，提高施工控制精度；通过改善设备，提高混凝土泵送设备、斜拉索张拉设备的工作能力。2.5总结 以上从四个方面研究了影响斜拉桥

12、跨径的因素及解决措施，主要有以下几点：1）从材料角度，通过新工艺、新技术研发更为高强、高延性、低松弛的拉索和高强主梁材料是提高跨径的根本措施。2）从设计角度，根据地质条件选择适合的抗侧刚度较高的拉索和塔柱形式，探索更为合理高效的斜拉桥拉索形式及计算理论。3）从施工角度，采用新技术、新设备，加强施工监测，提高施工精度，设置临时墩以提高施工阶段全桥稳定性。3多塔斜拉桥刚度问题多塔斜拉桥, 国外也将其称作多跨斜拉桥, 近些年来，多塔斜拉桥重新受到工程师的青睐，它尤其适用于峡谷中建造桥梁，可以有效减少桥墩数目，降低施工难度，节省工程费用，但是多塔斜拉桥的体系刚度问题一直是制约其发展的重要因素，如何在确

13、保多塔斜拉桥的结构整体刚度的同时又使结构显得美观，成为发展多塔斜拉桥这一桥型所面临的关键问题。3.1 多塔斜拉桥的力学特性和常规斜拉桥相比, 多塔斜拉桥具有塔多联长的布置形式，其主要构件索、塔、梁受活载效应和温度效应的影响均会有所增大。主要表现如下：结构整体刚度降低随着索塔数量增加，多塔斜拉桥的中间塔两侧既无辅助墩和过渡墩，也没有边锚索，缺少了对主梁和索塔刚度的有效帮助，使已经是柔性结构的斜拉桥柔性更大，并使结构各响应的活载影响线范围和幅度增大，导致多塔斜拉桥的主梁挠度、斜拉索疲劳应力幅和塔底内力比常规斜拉桥要大得多。图3对比了双塔斜拉桥和多塔斜拉桥在活载作用下的力学行为。图3(1) 双塔斜拉

14、桥活载作用下力学行为图3(2) 多塔斜拉桥活载作用下力学行为图3 多塔斜拉桥和双塔斜拉桥活载作用下力学行为对比温度效应显著增加由于主梁长度变长, 因此温度效应影响增大。对主梁而言，过大的温度变形不仅影响结构的合理性与安全性, 也影响结构的适用性; 对索塔而言, 温度效应处理不当将导致边塔塔底内力过大,增加索塔、基础等主要受力构件的设计难度。3.2 改善多塔斜拉桥体系刚度的方法(1)桥跨布置Leonhar dt 和 Schlaich 把多孔斜拉桥按 L 及 0.8 L 跨径布孔， 即塔高由中间塔向边塔高度递减， 中塔塔高采用边塔高度的约 1.25 倍。已建或在建三塔斜拉桥多采用此种处理方式，一方

15、面两个或多个主跨已能满足跨越需要，另一方面采用较矮的边塔在一定程度上对提高体系刚度有帮助，因为一般说来, 边、中跨的比例越小， 边跨主梁的刚度越大，边跨拉索较短、刚度也相对越大，边跨对索塔的锚固作用也就越大，从而使主跨的刚度增大，并可减小拉索应力幅。因此这是一种经济合理的处理方式, 在桥跨布置时宜优先考虑。研究表明, 双塔三跨公路斜拉桥边最优中跨比为 0.33 0.50, 其中钢主梁为 0.30 0.40, 组合梁为 0.40 0.50，混合梁为 0.30 0.45, 混凝土主梁为 0.40 0.45。对于铁路斜拉桥, 由于活载所占比重较大，且对结构刚度要求高，故通常边中跨之比不大于 0.34

16、, 大多为 0.20 0.25。针对多塔斜拉桥受活载效应影响较大的特点, 在满足跨越需要并兼顾桥梁景观的前提下, 宜根据主梁材质尽可能取较小的边中跨比。(2) 边跨设置辅助墩在边跨设置辅助墩对多塔斜拉桥的作用机理是使得在活荷载作用下边跨主梁的挠度得以控制, 使锚于其上的斜拉索的尾索效应得以更好地发挥, 使边塔顶位移减小、塔柱内力降低, 进而影响中塔。其改善结构力学性能的效果没有双塔斜拉桥显著, 仅能对边跨、边塔及次边跨产生直接影响, 对中间塔和中间跨的影响要通过次边跨来逐步向中间跨传递,这种作用越接近中跨影响越小, 且与传递过程中相关构件的刚度有关。另外, 边跨设置辅助墩不仅有利于提高多塔斜拉

17、桥的刚度, 大大减小由于活载引起的梁端转角, 避免伸缩缝受损; 而且可使边跨主梁提前上墩, 从而使双悬臂施工状态尽早变为单悬臂施工状态, 加强施工阶段的安全性。(3)采用刚性塔桥塔作为锚固拉索并与基础直接相连的压弯构件, 控制塔顶纵向水平位移对减小主梁的挠度、活载内力幅及降低塔中的压弯效应均有重要意义, 而增大桥塔刚度则是改善这一问题最直接的措施。故多塔斜拉桥的桥塔, 特别是中间塔, 应考虑采用较大的桥塔刚度。M orandi 体系中的桥塔构造是典型的刚性主塔, 有效地解决了多塔斜拉桥刚度弱的问题, 但也造成下部结构造价增大。在以后的实践中, 缩减基础规模、节省造价成为工程师们改进这一体系的主

18、要方向。Finster Walder 的大贝尔桥方案和 Leonhardt 的恒河大桥方案以及已建成的法国米约高架桥采用桥面以上为刚性塔, 桥面以下为两分离柔柱的设计; 加拿大诺森伯兰海峡多塔斜拉桥方案采用纵桥向呈钻石形的桥塔, 即桥面以上为刚性塔、下塔柱( 墩柱) 内收, 在一定程度上也降低了下部结构造价。通常情况下, 综合比较经济性和适用性, 多跨斜拉桥宜采用刚性塔, 或适当增加桥塔刚度。另外, 采用刚性塔比柔性塔能承担更大的不平衡弯矩, 可增加施工中的安全性。(4) 设置塔间加劲索在桥塔间设置水平加劲索或倾斜加劲索, 能将中间塔柱塔顶受到的不平衡力最为直接地传递到刚度较大的构件, 对各种

19、体系均能有效降低桥塔和主梁内的弯矩和挠度, 是提高多塔斜拉桥结构刚度的有效措施, 尤其对漂浮体系影响显著。图4 斜拉桥加劲索布置方案(5)桥塔处主梁采用双支点这是一种从 Morandi 体系演变而来的构造措施, 其通过桥塔处设置双支点对桥塔两侧主梁受活载作用下的竖向位移和转角位移加以约束, 增加了荷载的传力途径, 降低了由主梁传递到上塔柱的荷载比例, 从而减小了上塔柱的内力和变形。另外, 置双支点也在一定程度上相当于缩小了桥梁跨度,提高了主梁刚度。浙江嘉绍大桥桥塔处双支点间距达 46 m, 成为改善多塔斜拉桥受力特性的主要措施。计算表明, 采用设置双支座后跨中活载位移幅由 11127 m 降低

20、为原来的76.6% , 即 0.864 m, 塔顶位移和中塔柱内力降低为原来的 62% 66% , 而由于双支点仅改变了活载传力途径, 对塔根内力影响较小, 边塔降低约 22% , 次边塔降低约 17%, 中塔降低约 10%。(6) 中间跨跨中区段布置交叉重叠索将斜拉索在桥跨中央区段交叉布置, 这也是一种对提高结构整体刚度有一定作用的措施,但效果并不明显。这是因为重叠索下端锚固于主梁上, 而主梁刚度有限, 无法有效控制中间塔塔顶纵向位移。但若将主梁的刚度和重量在跨中拉索重叠区段加大, 并适当增大边跨背索及中间跨外索的刚度,则加劲效果会有所改善。 (7) 增大主梁和斜拉索刚度主梁和斜拉索是斜拉桥

21、除桥塔外的另外两个支承构件, 也是体系刚度的主要提供者, 因此, 增大其刚度对提高体系刚度一定是有效的。但是, 单纯增大主梁刚度而不改变主梁重量是很困难的, 主梁重量增加将导致斜拉索用量增加; 单纯增大斜拉索面积( 刚度) 而不改变主梁形式, 不能使斜拉索保证一定的应力水平, 不仅达不到增加体系刚度的目的, 也是不经济的。因此, 主梁型式决定斜拉索用量, 两者共同影响结构的刚度, 不是孤立的。对于同等桥跨布置的多塔斜拉桥, 混凝土梁和(钢) 混结合梁比钢箱梁自重大, 相应的斜拉索用量也多, 结构体系刚度也会显著提高。多塔斜拉桥由于其跨度不是特别大, 处于混凝土梁和钢混结合梁的适用范围, 因此从经济性和改善体系刚度更为有利出发, 宜优先选用混凝土梁和钢混组合梁形式。4. 斜拉-悬索协作体系桥发展悬索桥和斜拉桥是两种最常见的大跨径缆索承重体系桥梁形式，但是当这两种桥型向更大跨径发展时，它们各自有自己的优点和缺点。对于悬索桥而言，当其跨度进一步增大时，一是要修建庞大的锚碇，工程造价高；二是整体刚度随着跨度的增加显著降低，风动稳定性问题突出。对于千米级以上的斜拉桥而言，其主要缺点是:施工状态稳定性难以保证，斜拉索垂度效应明显