創(chuàng)建斜拉橋新輝煌

1、土木工程研究進(jìn)展與施工方法課程報(bào)告三講座題目： 如何創(chuàng)造斜拉橋的輝煌 報(bào)告人： 肖汝誠(chéng)教授淺談現(xiàn)代斜拉橋發(fā)展中的幾個(gè)問題在11月14號(hào)的土木工程研究進(jìn)展課上，來自同濟(jì)大學(xué)橋梁系的肖汝誠(chéng)教授為我們介紹了現(xiàn)代斜拉橋的最新進(jìn)展情況，使我感觸很深，于是課后又查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)斜拉橋這一大跨橋型有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，基于這些，本篇文章將簡(jiǎn)單總結(jié)一下自己對(duì)斜拉橋未來發(fā)展的一點(diǎn)淺薄認(rèn)識(shí)，以供大家交流學(xué)習(xí)。1斜拉橋發(fā)展概述斜拉橋又稱斜張橋，是將HYPERLINK /view/139123.htm 主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種HYPERLINK /view/113819.htm 橋梁，是由承壓的塔、受拉的索

2、和承彎的梁體組合起來的一種HYPERLINK /view/1195986.htm 結(jié)構(gòu)體系。斜拉橋可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁，通過調(diào)整拉索體系，可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度及主梁梁高，節(jié)省材料，減小自重，因此斜拉橋比梁式橋的跨越能力更大，是特大跨度橋梁的主要橋型之一。近些年來，隨著設(shè)計(jì)理論的完善和營(yíng)造技術(shù)的發(fā)展，斜拉橋跨徑得到了進(jìn)一步的發(fā)展，已經(jīng)突破千米級(jí)，除此之外，還出現(xiàn)了矮塔斜拉橋、異型塔斜拉橋、多塔斜拉橋以及斜拉懸索協(xié)作體系橋等形式多樣的斜拉橋結(jié)構(gòu)。斜拉橋跨徑的不斷提高及其形式的多樣化發(fā)展?jié)M足了人們交通需求的同時(shí)也導(dǎo)致其抗風(fēng)、抗震、整體穩(wěn)定性、剛度問題和非線性等問題逐漸

3、突出，限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述各類斜拉橋的問題進(jìn)行了研究，本文將在此基礎(chǔ)上，針對(duì)斜拉橋在向大跨徑和形式多樣化發(fā)展過程中出現(xiàn)的各類問題進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和討論，以供大家交流學(xué)習(xí)。下面將主要針對(duì)以下三部分展開相關(guān)討論：1. 斜拉橋跨徑的進(jìn)一步提高；2. 多塔斜拉橋的剛度問題；3. 斜拉懸索協(xié)作體系橋的發(fā)展；（如何提高斜拉橋的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性）2斜拉橋跨徑的進(jìn)一步提高要研究如何增大斜拉橋跨徑這一問題，首先要找到限制其跨越能力的主要因素，根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)以下幾方面原因及解決措施。2.1鋼拉索的強(qiáng)度及松弛問題 鋼拉索的強(qiáng)度極限直接限制了斜拉橋的跨徑，而拉索松弛導(dǎo)致主梁撓度過大，影響橋梁耐久性，

4、除此之外，隨著拉索長(zhǎng)度的增加，拉索的垂度效應(yīng)更為顯著，這將導(dǎo)致拉索效率下降。要解決這些問題，應(yīng)采用更高強(qiáng)更輕質(zhì)的拉索材料，如CFRP索替換普通鋼拉索以提高極限承載力，增加安全儲(chǔ)備，同時(shí)應(yīng)注意，理想的拉索材料除高強(qiáng)輕質(zhì)外，還需滿足低松弛，抗疲勞，耐腐蝕，耐久性良好等多方面要求。 另外有學(xué)者研究表明，拉索有效彈性模量隨其水平投影長(zhǎng)度的平方而降低，跨徑越大,彈模降低越快, 因此，跨徑越大，鋼索松弛問題越突出，目前常用的有效的措施就是用二次索將各根拉索互相連起來, 并固定到主梁或索塔上，以下是幾種二次索布置方案的逐步改進(jìn)發(fā)展歷程。圖1 二次索的逐步改進(jìn)作法2.2靠塔段主梁軸向力過大問題隨著斜拉橋跨徑增

5、大，靠塔段軸向力成為妨礙斜拉橋跨徑增大的首要問題，軸向力過大可能導(dǎo)致混凝土主梁壓碎及鋼箱梁屈曲失穩(wěn)問題。1 王伯惠. 斜拉橋增大跨徑的技術(shù)措施J. 公路, 2003, 2(2):1-2.按現(xiàn)有材料技術(shù)條件,考慮軸向力不超過容許值, 單一材料鋼主梁跨徑只能做到1820 m, 混合梁可到2125 m，這個(gè)數(shù)值是控制鋼( 混凝土) 主梁面積標(biāo)準(zhǔn)段不超過439m2 ， 近塔段不超過1. 25 倍標(biāo)準(zhǔn)段得出的。如果允許更大的主梁面積 當(dāng)然還能得出更大的跨徑，但這是很不經(jīng)濟(jì)的作法。1 王伯惠. 斜拉橋增大跨徑的技術(shù)措施J. 公路, 2003, 2(2):1-2.解決該問題比較經(jīng)濟(jì)合理的途徑主要有以下三條：

6、一是從材料入手，研發(fā)高強(qiáng)材料，提高主梁極限承載力；二是從截面形式入手，使用更為合理的構(gòu)造形式，如組合截面梁、鋼桁梁等；三是調(diào)整脊索布置方式以減少主梁軸向壓力，在這方面國(guó)內(nèi)外專家在早年提出了以下一些建議和設(shè)想：部分地錨法（丹麥J.Gimsing，1990）2）雙錨法（法國(guó)J. Muller，1991） 兩端張拉法（美國(guó)Yan Xiao，1994） 固定張拉法（日本Hisanori Ot suka，1991） 端錨法（中國(guó)周念先，20世紀(jì)80年代） 他錨法概念 可見解決主梁軸向壓力過大問題, 施加張拉力或預(yù)應(yīng)力是切實(shí)可行的辦法，減輕軸壓力對(duì)提高主梁剛度和承載能力皆有利。部分地錨法中段用纜索吊裝,

7、在技術(shù)上跨徑基本不受限制, 在經(jīng)濟(jì)上其地錨比懸索橋?yàn)樾? 而且初期纜索可利用斜拉索來組成, 都可大大降低造價(jià)。雙錨法和兩端張拉法要將主梁全部懸拼完成( 中段錨于地錨) , 然后在中段施加預(yù)應(yīng)力,因此主梁根部仍須承受全部一期恒載壓力, 因而增大跨徑受到限制, 只能達(dá)到原有的 1. 52. 5 倍2.3橫向穩(wěn)定性問題（包括抗風(fēng)穩(wěn)定性問題）斜拉橋跨徑越大, 在靜、動(dòng)風(fēng)力作用下的橫向穩(wěn)定問題越突出。就靜風(fēng)力而言, 主梁除了承擔(dān)自身所受的風(fēng)荷載以外, 還要承擔(dān)拉索所受的風(fēng)荷載, 跨徑越大, 拉索越多越長(zhǎng), 風(fēng)載就越大，容易引發(fā)風(fēng)振。解決這一問題，2 顧安邦. 橋梁工程（下）M. 2008. 北京:人民交

8、通出版社, 1999:252-276.可采用以下措施：2 顧安邦. 橋梁工程（下）M. 2008. 北京:人民交通出版社, 1999:252-276.主梁及拉索作成流線形截面,既可以提高風(fēng)動(dòng)穩(wěn)定性又可提高斜拉橋靜力穩(wěn)定性。加大橋?qū)挘话闱闆r下，有以下四種做法：全橋面加寬、局部加寬（如靠塔附近梁段）、加大兩側(cè)風(fēng)咀長(zhǎng)度（風(fēng)咀一般只用薄板彎制,重量較輕又經(jīng)濟(jì)）、采用分離式梁。以上幾種方法也可混合使用。改變拉索體系來提高橫向剛度,如采用傾斜索面，將原來的豎直拉索索面改成空間傾斜的索面,這時(shí)拉索既能承擔(dān)垂直力, 又能承擔(dān)側(cè)向力和扭矩, 主梁不必用抗扭剛度強(qiáng)大的箱梁而可用開口截面, 動(dòng)力性能也得以提高。改

9、變塔柱形式，采用抗側(cè)剛度較強(qiáng)的A型，梯型，倒Y型塔柱。圖 2 常見塔柱形式2.4可施工性問題 3 沈炯偉. 可施工性對(duì)斜拉橋跨越能力的影響J. 結(jié)構(gòu)工程師, 2010, 26(2):168-1734 喻梅.多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特性分析D.西南交通大學(xué),20005 金立新.多塔斜拉橋發(fā)展綜述J.公路,20106 3 沈炯偉. 可施工性對(duì)斜拉橋跨越能力的影響J. 結(jié)構(gòu)工程師, 2010, 26(2):168-1734 喻梅.多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特性分析D.西南交通大學(xué),20005 金立新.多塔斜拉橋發(fā)展綜述J.公路,20106 杜高明.大跨度自錨式斜拉一懸索協(xié)作體系橋結(jié)構(gòu)性能分析D.大連理工7 張哲.自錨式斜

10、拉懸索協(xié)作體系橋梁設(shè)計(jì)與分析J.公路.2006混凝土泵送設(shè)備，對(duì)于混凝土索塔現(xiàn)澆施工，影響其可施工高度的主要因素是超高索塔混凝土泵送高度，由于二級(jí)泵送風(fēng)險(xiǎn)較大，故現(xiàn)在多采用一級(jí)泵送方式?，F(xiàn)有的施工設(shè)備能力，可以實(shí)現(xiàn)的混凝土最大泵送高度以600 m計(jì)算，以蘇通大橋跨徑與塔高比3. 63作為判別標(biāo)準(zhǔn),得到最大跨徑為2 170 m。2）高空施工環(huán)境影響，高空施工環(huán)境也將影響混凝土索塔的可施工高度。對(duì)于千米級(jí)的斜拉橋，一般位于廣闊的江面、海面上,氣候條件比較惡劣，施工過程中風(fēng)成了第一大威脅。對(duì)于高空施工作業(yè)，為了保證施工人員、施工設(shè)備的安全問題提出了更大的挑戰(zhàn)。3）施工精度控制，隨著斜拉橋跨徑的不斷增

11、大,斜拉索長(zhǎng)度也隨之增大,彈性模量降低,導(dǎo)致斜拉索定位精度和主梁線形精度下降，從而給施工控制帶來困難。4)施工階段全橋穩(wěn)定及非線性問題，斜拉橋施工階段隨著跨徑的增大，懸臂長(zhǎng)度也隨之增大，結(jié)構(gòu)剛度下降，并且因?yàn)闄M橋向風(fēng)荷載使塔根處主梁產(chǎn)生較大的橫向彎曲，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響越來越大，從而使主梁過早進(jìn)入屈服狀態(tài)穩(wěn)定性隨著跨徑的增大而降低。因此，如果要進(jìn)一步增大跨徑，從施工角度考慮可以采用以下措施：控制斜拉橋施工穩(wěn)定性，通過設(shè)置臨時(shí)墩，采用高強(qiáng)度鋼材等技術(shù)提高穩(wěn)定系數(shù)；保證施工質(zhì)量，提高施工控制精度；通過改善設(shè)備，提高混凝土泵送設(shè)備、斜拉索張拉設(shè)備的工作能力。2.5總結(jié) 以上從四個(gè)方面研究了影響斜拉橋

12、跨徑的因素及解決措施，主要有以下幾點(diǎn)：1）從材料角度，通過新工藝、新技術(shù)研發(fā)更為高強(qiáng)、高延性、低松弛的拉索和高強(qiáng)主梁材料是提高跨徑的根本措施。2）從設(shè)計(jì)角度，根據(jù)地質(zhì)條件選擇適合的抗側(cè)剛度較高的拉索和塔柱形式，探索更為合理高效的斜拉橋拉索形式及計(jì)算理論。3）從施工角度，采用新技術(shù)、新設(shè)備，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，提高施工精度，設(shè)置臨時(shí)墩以提高施工階段全橋穩(wěn)定性。3多塔斜拉橋剛度問題多塔斜拉橋, 國(guó)外也將其稱作多跨斜拉橋, 近些年來，多塔斜拉橋重新受到工程師的青睞，它尤其適用于峽谷中建造橋梁，可以有效減少橋墩數(shù)目，降低施工難度，節(jié)省工程費(fèi)用，但是多塔斜拉橋的體系剛度問題一直是制約其發(fā)展的重要因素，如何在確

13、保多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)整體剛度的同時(shí)又使結(jié)構(gòu)顯得美觀，成為發(fā)展多塔斜拉橋這一橋型所面臨的關(guān)鍵問題。3.1 多塔斜拉橋的力學(xué)特性和常規(guī)斜拉橋相比, 多塔斜拉橋具有塔多聯(lián)長(zhǎng)的布置形式，其主要構(gòu)件索、塔、梁受活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響均會(huì)有所增大。主要表現(xiàn)如下：結(jié)構(gòu)整體剛度降低隨著索塔數(shù)量增加，多塔斜拉橋的中間塔兩側(cè)既無輔助墩和過渡墩，也沒有邊錨索，缺少了對(duì)主梁和索塔剛度的有效幫助，使已經(jīng)是柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋柔性更大，并使結(jié)構(gòu)各響應(yīng)的活載影響線范圍和幅度增大，導(dǎo)致多塔斜拉橋的主梁撓度、斜拉索疲勞應(yīng)力幅和塔底內(nèi)力比常規(guī)斜拉橋要大得多。圖3對(duì)比了雙塔斜拉橋和多塔斜拉橋在活載作用下的力學(xué)行為。圖3(1) 雙塔斜拉

14、橋活載作用下力學(xué)行為圖3(2) 多塔斜拉橋活載作用下力學(xué)行為圖3 多塔斜拉橋和雙塔斜拉橋活載作用下力學(xué)行為對(duì)比溫度效應(yīng)顯著增加由于主梁長(zhǎng)度變長(zhǎng), 因此溫度效應(yīng)影響增大。對(duì)主梁而言，過大的溫度變形不僅影響結(jié)構(gòu)的合理性與安全性, 也影響結(jié)構(gòu)的適用性; 對(duì)索塔而言, 溫度效應(yīng)處理不當(dāng)將導(dǎo)致邊塔塔底內(nèi)力過大,增加索塔、基礎(chǔ)等主要受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)難度。3.2 改善多塔斜拉橋體系剛度的方法(1)橋跨布置Leonhar dt 和 Schlaich 把多孔斜拉橋按 L 及 0.8 L 跨徑布孔， 即塔高由中間塔向邊塔高度遞減， 中塔塔高采用邊塔高度的約 1.25 倍。已建或在建三塔斜拉橋多采用此種處理方式，一方

15、面兩個(gè)或多個(gè)主跨已能滿足跨越需要，另一方面采用較矮的邊塔在一定程度上對(duì)提高體系剛度有幫助，因?yàn)橐话阏f來, 邊、中跨的比例越小， 邊跨主梁的剛度越大，邊跨拉索較短、剛度也相對(duì)越大，邊跨對(duì)索塔的錨固作用也就越大，從而使主跨的剛度增大，并可減小拉索應(yīng)力幅。因此這是一種經(jīng)濟(jì)合理的處理方式, 在橋跨布置時(shí)宜優(yōu)先考慮。研究表明, 雙塔三跨公路斜拉橋邊最優(yōu)中跨比為 0.33 0.50, 其中鋼主梁為 0.30 0.40, 組合梁為 0.40 0.50，混合梁為 0.30 0.45, 混凝土主梁為 0.40 0.45。對(duì)于鐵路斜拉橋, 由于活載所占比重較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求高，故通常邊中跨之比不大于 0.34

16、, 大多為 0.20 0.25。針對(duì)多塔斜拉橋受活載效應(yīng)影響較大的特點(diǎn), 在滿足跨越需要并兼顧橋梁景觀的前提下, 宜根據(jù)主梁材質(zhì)盡可能取較小的邊中跨比。(2) 邊跨設(shè)置輔助墩在邊跨設(shè)置輔助墩對(duì)多塔斜拉橋的作用機(jī)理是使得在活荷載作用下邊跨主梁的撓度得以控制, 使錨于其上的斜拉索的尾索效應(yīng)得以更好地發(fā)揮, 使邊塔頂位移減小、塔柱內(nèi)力降低, 進(jìn)而影響中塔。其改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的效果沒有雙塔斜拉橋顯著, 僅能對(duì)邊跨、邊塔及次邊跨產(chǎn)生直接影響, 對(duì)中間塔和中間跨的影響要通過次邊跨來逐步向中間跨傳遞,這種作用越接近中跨影響越小, 且與傳遞過程中相關(guān)構(gòu)件的剛度有關(guān)。另外, 邊跨設(shè)置輔助墩不僅有利于提高多塔斜拉

17、橋的剛度, 大大減小由于活載引起的梁端轉(zhuǎn)角, 避免伸縮縫受損; 而且可使邊跨主梁提前上墩, 從而使雙懸臂施工狀態(tài)盡早變?yōu)閱螒冶凼┕顟B(tài), 加強(qiáng)施工階段的安全性。(3)采用剛性塔橋塔作為錨固拉索并與基礎(chǔ)直接相連的壓彎構(gòu)件, 控制塔頂縱向水平位移對(duì)減小主梁的撓度、活載內(nèi)力幅及降低塔中的壓彎效應(yīng)均有重要意義, 而增大橋塔剛度則是改善這一問題最直接的措施。故多塔斜拉橋的橋塔, 特別是中間塔, 應(yīng)考慮采用較大的橋塔剛度。M orandi 體系中的橋塔構(gòu)造是典型的剛性主塔, 有效地解決了多塔斜拉橋剛度弱的問題, 但也造成下部結(jié)構(gòu)造價(jià)增大。在以后的實(shí)踐中, 縮減基礎(chǔ)規(guī)模、節(jié)省造價(jià)成為工程師們改進(jìn)這一體系的主

18、要方向。Finster Walder 的大貝爾橋方案和 Leonhardt 的恒河大橋方案以及已建成的法國(guó)米約高架橋采用橋面以上為剛性塔, 橋面以下為兩分離柔柱的設(shè)計(jì); 加拿大諾森伯蘭海峽多塔斜拉橋方案采用縱橋向呈鉆石形的橋塔, 即橋面以上為剛性塔、下塔柱( 墩柱) 內(nèi)收, 在一定程度上也降低了下部結(jié)構(gòu)造價(jià)。通常情況下, 綜合比較經(jīng)濟(jì)性和適用性, 多跨斜拉橋宜采用剛性塔, 或適當(dāng)增加橋塔剛度。另外, 采用剛性塔比柔性塔能承擔(dān)更大的不平衡彎矩, 可增加施工中的安全性。(4) 設(shè)置塔間加勁索在橋塔間設(shè)置水平加勁索或傾斜加勁索, 能將中間塔柱塔頂受到的不平衡力最為直接地傳遞到剛度較大的構(gòu)件, 對(duì)各種

19、體系均能有效降低橋塔和主梁內(nèi)的彎矩和撓度, 是提高多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度的有效措施, 尤其對(duì)漂浮體系影響顯著。圖4 斜拉橋加勁索布置方案(5)橋塔處主梁采用雙支點(diǎn)這是一種從 Morandi 體系演變而來的構(gòu)造措施, 其通過橋塔處設(shè)置雙支點(diǎn)對(duì)橋塔兩側(cè)主梁受活載作用下的豎向位移和轉(zhuǎn)角位移加以約束, 增加了荷載的傳力途徑, 降低了由主梁傳遞到上塔柱的荷載比例, 從而減小了上塔柱的內(nèi)力和變形。另外, 置雙支點(diǎn)也在一定程度上相當(dāng)于縮小了橋梁跨度,提高了主梁剛度。浙江嘉紹大橋橋塔處雙支點(diǎn)間距達(dá) 46 m, 成為改善多塔斜拉橋受力特性的主要措施。計(jì)算表明, 采用設(shè)置雙支座后跨中活載位移幅由 11127 m 降低

20、為原來的76.6% , 即 0.864 m, 塔頂位移和中塔柱內(nèi)力降低為原來的 62% 66% , 而由于雙支點(diǎn)僅改變了活載傳力途徑, 對(duì)塔根內(nèi)力影響較小, 邊塔降低約 22% , 次邊塔降低約 17%, 中塔降低約 10%。(6) 中間跨跨中區(qū)段布置交叉重疊索將斜拉索在橋跨中央?yún)^(qū)段交叉布置, 這也是一種對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體剛度有一定作用的措施,但效果并不明顯。這是因?yàn)橹丿B索下端錨固于主梁上, 而主梁剛度有限, 無法有效控制中間塔塔頂縱向位移。但若將主梁的剛度和重量在跨中拉索重疊區(qū)段加大, 并適當(dāng)增大邊跨背索及中間跨外索的剛度,則加勁效果會(huì)有所改善。 (7) 增大主梁和斜拉索剛度主梁和斜拉索是斜拉橋

21、除橋塔外的另外兩個(gè)支承構(gòu)件, 也是體系剛度的主要提供者, 因此, 增大其剛度對(duì)提高體系剛度一定是有效的。但是, 單純?cè)龃笾髁簞偠榷桓淖冎髁褐亓渴呛芾щy的, 主梁重量增加將導(dǎo)致斜拉索用量增加; 單純?cè)龃笮崩髅娣e( 剛度) 而不改變主梁形式, 不能使斜拉索保證一定的應(yīng)力水平, 不僅達(dá)不到增加體系剛度的目的, 也是不經(jīng)濟(jì)的。因此, 主梁型式?jīng)Q定斜拉索用量, 兩者共同影響結(jié)構(gòu)的剛度, 不是孤立的。對(duì)于同等橋跨布置的多塔斜拉橋, 混凝土梁和(鋼) 混結(jié)合梁比鋼箱梁自重大, 相應(yīng)的斜拉索用量也多, 結(jié)構(gòu)體系剛度也會(huì)顯著提高。多塔斜拉橋由于其跨度不是特別大, 處于混凝土梁和鋼混結(jié)合梁的適用范圍, 因此從經(jīng)濟(jì)性和改善體系剛度更為有利出發(fā), 宜優(yōu)先選用混凝土梁和鋼混組合梁形式。4. 斜拉-懸索協(xié)作體系橋發(fā)展懸索橋和斜拉橋是兩種最常見的大跨徑纜索承重體系橋梁形式，但是當(dāng)這兩種橋型向更大跨徑發(fā)展時(shí)，它們各自有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。對(duì)于懸索橋而言，當(dāng)其跨度進(jìn)一步增大時(shí)，一是要修建龐大的錨碇，工程造價(jià)高；二是整體剛度隨著跨度的增加顯著降低，風(fēng)動(dòng)穩(wěn)定性問題突出。對(duì)于千米級(jí)以上的斜拉橋而言，其主要缺點(diǎn)是:施工狀態(tài)穩(wěn)定性難以保證，斜拉索垂度效應(yīng)明顯