超千米特大跨斜拉桥的技术优势及对若干设计关键的思考

精选资料可修改编辑热烈欢迎各位来宾参加江西省公路学会学术年会祝愿江西省桥梁工程业界广大同仁为国家工程建设作出更大贡献！超千米特大跨斜拉桥的技术优势及对若干设计关键的思考钧同济大学土木工程学院桥隧工程研究所上海市城建集团院士工作研究室2015年11月25日•南昌市

2悬索桥/吊桥，是大跨径桥梁（l≧1000m）传统的古老桥型；而斜拉桥则始建于上世纪50年代中期，但发展迅速，短短60年的时间里，其跨径已从180多米发展到今天的近1100m（苏通斜拉大桥主跨1088m，而正在施工中的公铁合建沪通大桥，l=1092m）。跨径上几可与悬索桥平起平坐，相互竞争。由于该桥是当今全球最富时代亮点和特色的特大跨斜拉桥，此处将作为示范案例作讲授说明；文后更兼及本人对斜拉桥发展的一点粗浅认识，请在座专家指正。

3演讲纲目一.我国大跨度桥梁建设的今天和未来二.超千米特大跨铁公路合建沪通斜拉桥设计中的若干问题简述三.沪通斜拉桥需慎酌考虑过的若干主要问题四.关于兴建超千米公铁两用斜拉桥的技术特点和难点五.关于斜拉桥主梁体系及其结构型式研究4六.关于特大跨斜拉桥有否“极限跨度”问题的议论七.可以有效增强特大跨斜拉桥刚度，并对大变形过

度时施作控制策略的可能途径八.几个基本论点九.大桥运营管理、政策与展望十.对某拟建城市公路大桥桥型方案的浅见5一.我国大跨度桥梁建设的今天和未来我国大桥的世界之最：·世界最大跨度的钢拱桥（中承式）——上海卢浦大桥，获国际桥协IABSE杰出结构国际大奖；·曾为当时世界第一跨度斜拉桥（1088m）——苏通大桥，获杰出桥梁国际大奖；·世界第二、中国第一——舟山西堠门悬索大桥（1650m）；·当年世界第一长度跨海大桥（34km）——杭州湾跨海大桥；·世界第一跨度钢筋混凝土拱桥——万县长江大桥（进入三峡第一桥）；6·我国位列世界前10位的悬索大桥，还有香港青马大桥；江阴长江大桥；润扬长江大桥；南京长江四桥；泰州千米级双跨连续长江大桥，等等。（其它，如：宜昌、阳逻、武汉、芜湖、九江、南京、马鞍山等新建长江大桥，不一而足，其中大多数为公路大桥）7·跨长位列世界前10位采用预应力砼箱梁的斜拉大桥中，其中的6座在中国：南京长江二桥；白沙洲长江大桥；荆沙长江大桥；颚黄长江大桥；大佛寺长江大桥；李家沱长江大桥。我国的母亲河——万里长江，为我国桥梁建设者施展抱负和才华，提供了大好平台。8江海、深谷，天堑跨越。它缩短了时间与空间的距离，美化了我中华锦绣大地秀美山川，对我国辽阔疆域间的沟通和经济建设的腾飞，这些大桥的建成起到了极其重要的推动作用。9带纵向加劲梁的斜拉大桥 10苏通大桥主航道双塔扇形索面斜拉桥（1088m）

11杭州湾大桥

全长34km，主、副航道分别为钻石型和A型双主塔斜拉桥

12重庆朝天门长江大桥

全长1741m，主跨932m，双层，宽36.5m，国内最大跨径的钢桁桥13斜拉大桥悬臂施工，正安装斜缆并吊装主梁14纽约韦拉札诺海峡大桥，跨距1290m，1964年完工之初为全世界最长悬索桥

15世界最长公铁两用多跨连续带加劲梁悬索大桥 16千米级双跨连续三塔泰州公路长江大桥17泰州公路长江悬索大桥方案比选18三塔双跨悬索桥，属世界之最（泰州公路跨江大桥）19多塔斜拉桥（日本濑户大桥）20大跨悬索桥的纵向加劲梁 21跨海大桥，国内已建和待建的，除杭州湾大桥外，还有：·珠江口外伶仃洋港珠澳大桥（36km）——桥隧结合，人工岛过渡，号称“世界七大奇观之一”；

·渤海湾跨海工程（初拟选为隧道过海）；·琼州海峡桥隧工程（方案阶段）；·台海大桥/隧道工程（有待争取立项），等等。22再说几座国内已建的、最长的跨海大桥：·上海东海大桥（2005，32.5km）；杭州湾大桥（2008,34km）；舟山五连岛工程（2009）；青岛市胶州湾海湾大桥（2010,41.58km）；厦漳跨海大桥（2013,9.335km），等10余座；23按：质量、安全、适用、经济、耐久、美观，先后排序—国际桥协随着桥跨的日益增大，设计施工要求上突出的特点与其发展趋势：桥跨结构的柔性化，使进一步减轻桥身自重（详后述，及所带来的问题）；施工架设的安全、便捷、且又更具特色（四渡河大桥、矮寨大桥）；柔度过大以后，高速行车中的平稳性和舒适性问题；桥梁抗风、抗震的安全性。24新材料、新工艺、新型架桥机械和各种新型技术手段的开发与应用；计算机辅助设计、专用设计软件程序研制；（有效的快速优化和虚拟仿真模拟与分析）部件工厂化生产的智能化制造工艺系统；桥梁施工，利用GPS和遥测、遥感技术做定位测量与控制。桥梁美学（城市桥为最），等等。25桥跨结构的日益轻型化，主要体现在：悬索、斜拉大桥采用钢箱主梁；密索体系斜拉桥采用钢桁式主梁（沪通大桥），梁的“高跨比”大大降低，桥型更显轻盈，且透风性能好，使之能适应跨越大跨的钢斜拉桥至1200m；而悬索桥今后有望突破3000m（日本明石大桥l=1990m，属世界之最）。2621世纪人类用桥梁征服自然的目标：以跨海工程言，从全球看：宽度在100km以内的海峡共20多处；而孤立于大陆之外、具有开发使用价值的近海岛屿可谓无数，一个个处女地足够桥梁人去自由驰骋、建功立业。山岭地区，遇山凿洞、遇谷架桥、崇山峻岭、黄土高坡、岩溶暗河，再困难也难不倒为“造福当代、功在千秋”，勤劳智慧的桥隧人。27二.超千米特大跨铁公路合建沪通斜拉桥设计中的若干问题简述。所介绍内容的要点是：桥位介绍斜拉桥与悬索桥的桥型比较超千米特大跨公铁两用斜拉桥的设计特点和技术难点大桥竖向和横向变形刚度及其抗风稳定性列车高速运行时的大桥平稳性和安全风险控制大桥主梁结构体系和型式几个基本论点的商榷 28江苏公路网规划图中锡通通道位置

国内外已建的公、铁两用斜拉桥序号桥名国家跨径（m）材料1岩墨岛桥日本420钢2柜石岛桥日本420钢3P-E桥阿根廷330钢4巴拿马运河D桥和G桥阿根廷330钢5芜湖长江大桥中国312钢桁架6赛弗林桥德国302钢7库尔特舒马赫桥德国287钢8上卡赛尔河桥德国257.8钢30上层：双向6车道公路下层：上下行三股铁道三.沪通斜拉桥曾慎酌考虑过的若干主要问题1.关于大桥采用斜拉桥或悬索桥桥型的比较（1）越洋、跨海大桥所要求的通航跨径，一般＜1,800～2,000m；而

江、河下游段的通航跨径，一般＜1,200(1,400m)，则已在斜拉桥的安全跨度之内。（2）斜拉索从“稀索”到“密索”（索距6～10m）转变，使大桥主箱梁由受弯改为受压为主，这样梁高将大大减小；32钢板砼叠合桥面、预应力砼（pc）箱梁和钢箱梁的采用。上二者，使斜拉桥跨度可达到1,200m，甚至～1,400m，早已突破了早年经济跨度600～800m的约束。主梁高度降低后（h/l<1/250～1/350），斜拉桥凸显了“轻型化”；国内已建斜拉桥>700座，含：钢箱梁、PC箱梁和加劲梁、钢板砼迭合梁、混合加劲梁，等等；斜拉桥多属自锚，节约了庞大的江中水下锚碇工程，也有用部份地锚式（双锚体系，后墙）。33

超大跨斜拉桥（≥1400m）的新进展——部分双地锚、交叉索(bi-anchorcrossstayedcable)

斜拉桥3435制约斜拉桥向更大跨度发展的主要因素：跨中主梁的轴压值（因拉索水平向拉力导致的）过大，致梁高加大、加厚，故而桥自重大大增加，成为控制桥跨的主要制约要害（主梁自重将占全桥荷载的80%或以上，且跨度大时，跨中拉索的水平夹角就越小，其水平分力则更大，导致主梁轴压力进一步增大）；跨度大时，桥塔过高；（H/L≈5.0）跨中主梁抗弯刚度偏小。36上述新体系斜拉桥（较常规的）的技术优势：主梁最大恒载和活载轴压力，均可望削减25%~30%；交叉索段拉索的水平分力，因左右对消而可不再积累，因而使该交叉段各主梁的轴压应力水平可削减至最低；利用小尺寸地锚，消除因拉索水平分力对边跨主梁产生的水平轴压力，并进而约束索塔的水平偏移量；37跨中交叉索区段的各主梁重量由两个方向拉索的竖向分力提供双重支承，从而增大了跨中主梁的抗弯刚度；桥塔高度有望降低：跨中交叉拉索对主梁的双重支承，使较原先单根拉索索力减小了一半；故允许跨中拉索采用更小的水平倾角，桥塔高度为此而可大幅降低15%~20%。“塔跨比”可望降到1/5.5，甚至更小。38（3）以l～1,200m为例，斜拉桥较之悬索桥的优势，体现在：总造价节约～20%或更多。采用“倒丫字”型或“钻石”型桥塔，及相应的扇形索面时，斜拉桥的抗风横向刚度、抗扭空间刚度、竖向抗挠（弯）刚度和抗风力的颤振稳定性，较之同等跨度悬索桥，都将更高。39双锚体系大跨斜拉桥，其竖向刚度较悬索桥也将更优。所用“钢材比”，可节约～25%或更多。斜拉桥无需庞大的锚碇结构。为解决斜拉桥的跨径更大时、加劲主梁受压的压力值过大问题，建议采用“双锚索体系”的构思，它可使斜拉桥的极限跨度进一步拓长。40多塔斜拉桥，如下表所示，国内外已建过多处，但其中的问题可能是：中间桥塔未设置端锚索，故难以有效约束沿桥轴向的塔顶位移，使全桥柔性过度增大，这样，会因附加变形导致桥跨结构的刚度有嫌不足；邓文中院士（美籍）和丹麦吉姆辛教授对上项问题提出过几种多塔斜拉桥的线型布置改进方案。不详述。41

国内外已建的多塔斜拉桥序号桥名国家跨径布置（m）塔数1香港汀九大桥中国127+448+475+12732岳阳洞庭湖大桥中国129.8+310+129.823宜昌夷陵长江大桥中国-34台湾淡水河桥中国67+2*134+6735梅兹卡拉桥墨西77+312+300+84+68+393哥6新卡奎内斯海湾桥美国160+2*358+16037巴特斯桥希腊305+3*560+30548马拉开波桥瑞典160+5*235+1606422.斜拉桥与悬索桥优缺点的进一步比选自上世纪60年代始，由于现代斜拉桥的兴起，它具有更多的优点：（1）斜拉桥整体刚度大，而主梁重量可以减轻；（2）斜拉桥属自锚式，无需外锚碇，采用节段悬臂施工，还可利用斜拉索的水平分力为混凝土斜拉桥主梁施加的预压应力；43（3）斜拉桥各根斜拉索的索力是基本上均匀的，能以充分发挥材料的作用；而悬索桥的主缆拉力却随着缆身倾角不同而变化，而且还有弯折等折减，其材料使用不够充分。在荷载、跨度、材料强度、安全系数等均为相同的情况下，如果“塔高与跨度之比”也相同，则悬索桥的用索量约为斜拉桥的1.5倍；而如果两者各取常用的“高跨比”，则斜拉桥与悬索桥的用索量之比将高达1:2.3。这些都只是一些计算结果，确切比值须设计确认。自上世纪60年代后起，除非特大跨度（>1100或1200m后）仍多选用钢悬索桥外，许多情况下都更适宜建造斜拉桥。44

但悬索桥与斜拉桥相比，也有其不少优点，例如：(1)悬索桥较斜拉桥安装工期短，在大江大河采用船运吊装大梁，施工更感便捷，不存在斜拉桥长悬臂施工（有时还需设临时辅助墩）的风险；斜拉桥水中塔墩，均搭设施工便桥、平台和采用钢围檩导向沉桩；而悬索桥主梁吊装后可进行型构上的整体调整，使施工变形较易控制；(2)悬索桥较斜拉桥的索塔高度为低，如受有航空净高等限制条件下，更可适应降低塔高的需要；(3)悬索桥柔韧的主缆和刚劲的主梁与塔墩，刚柔相济，在对比中求得彼此协调，相得益彰，它如彩练般飞跨天险———江河和深谷，为城市和山区桥梁美学上推崇的首选。45四.关于兴建超千米公铁两用斜拉桥的技术特点和难点——设计中需着重关注的若干方面的问题关注动力计算（活载、风载、抗地震）中：特大跨斜拉桥的竖向挠度、横向位移、主梁梁端纵向位移等值均感过大，影响列车桥上运行的平稳性与安全；铁路活载重、车速高，桥上刹车制动力也过大；46大桥挠曲变形大、线路又不平顺时，轮轨磨耗（损）大、振荡力大，导致卡轨甚至出轨；列车纵、横向迎风面积大，对风流阻力和横向风力作用带来不利影响；3~4线铁路，如只有单向一侧行车时因偏压作用所产生的主梁抗扭效应；似此，大桥竖向、横向变形刚度及其抗风稳定性，已是问题的要害。47

2.桥梁竖向和横向的变形刚度以及大桥的抗风稳定性必须施作大变形控制铁路列车桥上高速行进时出现的平稳性和安全性问题，可能引起需关注的其它方面困难：水平横向摇摆（sway），后面几节车箱尤甚，使沿桥轴水平向产生的横向振荡；采用在大桥纵向主跨两端的边跨部位增设辅助跨，以制约大桥端部大的转角变位，其有效性和可靠性有待进一步确认；日后有否由目前的“普铁”（或城际客运专线）转为“高铁”的可能性，及对其承载能力作补充验算？在列车长期往复循环运行下，注意因缆索钢材应力逾疲劳下限而产生不可恢复的疲劳效应。50五.关于斜拉桥主梁体系及其结构型式研究（方案1）砼或钢桥面板(大桥设计院推荐）与钢桁相结合的结合桁梁体系；（方案2）PC箱（或钢箱梁，大桥院推荐）钢桁叠合梁体系——两种体系的分析对比（详后述）51（1）对主梁结构体系的上述方案之（1）的认识：采用正交异性钢桥面板，使之与主桁结构共同受力，其力学属性和构造合理，又可减轻桥面重量；钢正交异性板对主梁过大的弯矩有相当的分担作用，能有效降低铁路桥面纵、横主梁的内力；钢正交异性板还可明显降低主桁上、下弦杆的活载轴力、斜缆拉力、铁路桥面纵桁活载的竖向弯矩，以及主塔纵向弯矩和主塔活载的横向弯矩与轴力。以上计算已经初步设计验证。

53在钢桥面上方再浇注一层钢纤维砼防水耐磨层、上铺道碴和道面层，它既有利于防止钢板锈蚀又可参与作叠合桥面板受力。这对特大跨斜拉桥言因柔度大、设计上通常受刚度要求条件控制的情况下也是需要的；由于这样将增加主梁重量而使斜缆相应地也增大了截面积，对提高原来已显不足的全桥竖向刚度也是很有效的。54

（2）对主梁结构体系的上述方案之（2）的认识这一方案的特点是截面刚度大，又有大的自重，使之形成具有足够重力和很大刚度的承载体系，这样对列车行进平稳性与安全运行将最为有利。为提高大桥体系的整体刚度，最为有效的措施是尽可能增大斜拉索的刚度（EF），但主缆变形模量将随拉索应力水平的降低而衰减（呈上凹型非线性弹性），所以，如仍维持原先的主缆拉力而单只增加主缆截面积（F），则因缆索截面增大但应力值却随之减小而模量值降低（E），则仍达不到增大大桥竖向承载刚度的目的。要使增加的索面积能得到有效发挥，则必须使拉索承载后能达到所期望的应力水平值，使缆索抗拉刚度EF值经优化后达到最大。这只有靠增大主梁重量来达到。55

σE大0E小ε斜拉桥主缆钢材的非线性弹性特性以pc箱为下弦的桁梁式主梁叠合结构，其恒载重量大、透风性能优良，整体性又强，还具有良好的抗侧弯刚度和抗扭刚度；在承受活载最不利作用时，为了满足体系竖向刚度的严格要求，还要利用主桁桁高形成竖向抗弯刚度更大的组合截面。56在体系转换过程中，设计时应让绝大部分的恒载轴压力由pc箱体承受；或使之与钢桁下弦钢箱相叠合，而由钢桁来承受活载和钢桁自重恒载。建议将斜拉索直接锚固于pc箱体的两侧，使钢桁腹杆受力较小；且这样因钢桁与pc箱节点的剪力值变小，钢桁与pc箱节点在构造处理上也较易实现。

57采用PC箱梁的优点，可能还体现在：pc箱体兼作桥面系构造，有利于铺设道碴（此处不建议采用“整体道床”，使之有利于降噪、减振）；ii.由于恒/活载比一般都较大，当活载应力幅值变化时，有利于降低斜拉索恒、活载应力比，该比值不致产生大的波动；iii.日后桥面养护工作量也可减小不少。（3）由于桥面宽度大，沿大桥纵向可设置三片主桁。现方案的桁架式主梁结构透风性最好，建议可采用为设计所推荐的全钢方案。58六.关于特大跨斜拉桥有否“极限跨度”问题的议论意大利早年曾为跨越墨西拿(Messina)海峡一座钢斜拉桥做过方案设计：上层公路双向6车道、下层双轨铁路，主跨长达1,800m。设计时在结构和力学上均未有出现任何大的制约性困难。这样，对“斜拉桥的极限跨度”似宜理解为“斜拉桥的最大经济跨度”（而不是由过去的说法：是因结构上“极限技术跨度”为制约），可能更为妥贴。

59国内也曾有专家仅从单一技术层面（指只从：结构构造、力学和材料性能等三方面属性的技术因素作分析）上论证过，得出：公路钢斜拉桥的“极限技术跨度”为2,904m（～3,000m）；而预应力砼斜拉桥，受自重大限制该一相应值则减小为1,175m（～1,200m）；而上述“双锚体系”预应力砼斜拉桥的极限技术跨度则也可望达到3,000m。这些论述似嫌过分乐观而缺乏说服力。如再引入经济层面上的诸制约因素，斜拉桥的极限跨度（指：“最大经济跨度”）将减小为1,400m左右，可能是比较合理和可信的。60进一步深化研究制约特大跨斜拉桥跨径界限的诸制约因素，可以据此分别做深入研究，而以上所述的各个制约因素，应该就是大桥今后应予加强研究的侧重点。对此，似可归结为以下主要方面：探讨大桥结构的气动稳定性，特别是运营期的横向风振稳定性；在侧向强风作用下，主梁横向弯矩及其与轴压力的共同作用；长悬臂架设施工期间，风荷载的侧向抖振响应；列车在桥上高速行进情况下，由于大桥刚度不足而产生的大挠度和大的横向振荡，对列车运行平稳性和安全性的不利影响。61七.可以有效增强特大跨斜拉桥刚度，并对大变形过度时施作控制策略的可能途径从斜缆锚固方式上，由传统的自锚体系，改用双锚体系，在相当程度上可减小主梁轴压力；采用推荐的三索面、甚或空间四索面的斜拉索体系，再配合采用分离式箱梁；62为减小主梁轴压力，需尽可能减小斜拉索长度并设法加大长拉索的水平倾角，这同时，也就加大了斜缆的竖向吊重（主梁）能力；希做到施工架梁时的“最大悬挑长度﹕桥面宽”宜＜20﹕1（桥宽大时，该比值应更小些）；其时，再配合采用设置临时墩、临时缆风、用大块件吊装使缩短架设工期以避开风季，等等有效的工程措施；研究改用“斜拉—悬索”组合协作桥型方案；在新材料方面，探索今后有条件时选用高强轻质砼、高强钢材、碳纤维斜拉索，等等。

63八.几个基本论点如采用双锚体系的大跨斜拉桥，其竖向刚度比之悬索桥将更具突出优势。采用钢正交异性板的结合梁体系作为铁路和公路桥面，对主梁过大的弯矩有相当的分担作用，因而能有效降低桥面纵、横梁的内力，主塔受力也将得到一定改善。643.对钢箱梁（作为钢桁下弦）与钢桁相叠合方案的主要考虑之一，是尽可能增大斜拉索的抗拉刚度EF及发挥其较高的应力水平。4.以钢箱梁为下弦的桁梁式叠合结构的恒载重量大、透风性能优良而整体性强，且具有良好的抗侧弯刚度和抗扭刚度。5.进一步研究特大跨斜拉桥跨径界限的诸制约因素，将很有现实意义。65九.大桥运营管理、政策与展望“重建经管”，大桥运营期未能坚持平日健康检测，维护管养缺失，几成通病，而大量一般性桥梁更未有纳入规范管理范畴，危象缺乏预警和及时整治；按新修编的《公路工程结构可靠性设计统一标准》规定，类别为3类的特大桥和大桥，其设计使用年限为100年，个别120年（港珠澳大桥例）。据此，我国解放后修建的许多大桥已到该评价、整修、有的甚至要求改建、个别更需推倒重建；据2012年底统计，我国已建桥梁达70万座，总长达3万km，这一海量数字需财政投入十分巨大，各地要列入整修规划，视条件逐步实施。66早在1996年，《国际桥梁与结构工程协会可持续发展宣言》提出了21世纪国际桥梁“安全、适用、经济、美观、耐久、环保”6项原则，指出了新世纪桥梁发展的国际潮流；大桥工程的前期可行性论证、工程质量和耐久性等桥梁建设中的根本性问题，应引起桥梁业界广大同仁的关注和重视；67“天灾人祸”，加大对大型桥梁损伤破坏最大的地震灾害以及风灾、水患和泥石流等的抗灾能力，并避免建设中急功近利、片面追求速度，犯偷工减料、浮躁冒进的恶疾，亟待彻底改变；建议有识之士，能编篡一本《桥工病害与事故案