大跨度桥梁

大跨度桥梁

1.大跨度桥梁现状及未来发展趋势

1.1斜拉桥

斜拉桥是现代大跨度桥梁的重要结构形式，特别是在跨越峡谷、海湾、大江、大河等不易修筑桥墩和由于地质的原因不利于修建地锚的地方，往往选择斜拉桥的桥型。它的受力体系包括桥面体系，支承桥面体系的缆索体系，支承缆索体系的桥塔。斜拉桥不仅能充分利用钢材的抗拉性能、混凝土材料的抗压性能，而且具有良好的抗风性能和动力特性。它以其跨越能力大，结构新颖而成为现在桥梁工程中发展最快，最具有竞争力的桥型之一。

斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。

斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有30余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。

中国至今已建成各种类型的斜拉桥100多座，其中有52座跨径大于200米。20世纪80年代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991年建成了上海南浦大桥（主跨为423米的结合梁斜拉桥），开创了中国修建400米以上大跨度斜拉桥的先河。我国已成为拥有斜拉桥最多的国家。

今后斜拉桥的体系多以漂浮式或半漂浮为主。半漂浮式可用柔性墩或在塔上设水平拉索阻止桥面过分的漂浮，所有这些都是为了抵抗温度变形及地震。

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，跨径继续增大，中小跨径也具有竞争力

2）塔架构的多样化

3）多跨多塔斜拉桥

1.2悬索桥

悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一，除苏通大桥、香港昂船洲大桥这两座斜拉桥以外，其它的跨径超过1000m以上的都是悬索桥。如用自重轻、强度很大的碳纤维作主缆理论上其极限跨径可超过8000m。

迄今为止世界上已出现三个悬索桥大国，即美国、英国与日本。全球各类悬索桥的总数已超过100座。

美国在悬索桥的发展上花了将近100年的时间，技术上日趋成熟，为全球悬索桥的发展奠定了基础，并首先使悬索桥成为跨越千米以上的唯一桥型。美国的悬索桥由于出现较早，在风格上有与其时代相适应的特色，主要有一下各点：

（1）主缆采用AS法架设。

（2）加劲梁采用非连续的钢桁梁，适应双层桥面，并在桥塔处设有伸缩缝。

（3）桥塔采用铆接或栓接钢结构。

（4）吊索采用竖直的4股骑跨式。

（5）索夹分为左右两半，在其上下采用水平高强螺栓紧固。

（6）鞍座采用大型铸钢件。

（7）桥面板采用RC构件。

英国的悬索桥由于出现较晚些，顾自成流派。其主要特点如下：

（1）采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁。

（2）早期采用铰接斜吊索。

（3）索夹分为上下两半，在其两侧采用垂直于主缆的高强螺栓紧固。

（4）桥塔采用焊接钢结构或钢筋混凝土结构。

（5）钢桥面板采用沥青混合料铺装。

日本的悬索桥出现较晚，故也有其相应技术随时代进步的特色。其主要特点如下：

（1）采用预制平行钢丝索股架设主缆，简称PWS法。

（2）加劲梁主要沿袭美国流派的钢桁架梁型式，但近年来对非双层桥面的梁体已转向采用流线型扁平钢箱梁。

（3）吊索沿袭美国流派的竖直4股骑跨式，不接受英国流派的斜吊索。

（4）桥塔采用钢架构，主要采用焊接方式。

（5）鞍座采用铸焊混合方式。

（6）采用钢桥面板沥青混合料铺装桥面。

（7）主缆索股与锚碇内钢构架采用预应力工艺锚固。

1.3钢管混凝土拱桥

钢管混凝土拱桥属于钢——混凝土组合结构中的一种。钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。

拱桥作为压弯结构，随着跨径的增大，高强材料的应用受到稳定问题的制约；而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大，施工架设问题突出。高强材料的应用和无支架施工的困难，制约了拱桥的发展。梁式桥在采用预应力结构之后，由于预应力使得高强度的钢材和高标号混凝土得以应用，在施工方面有实现了节段施工，因而焕发了生机。

钢管混凝土拱桥真正的发展是在 20 世纪 90 年代的中国。我国第一座钢管混凝土拱桥是 1990 年建成的四川旺苍东河大桥，跨径 110m，据不完全统计，十多年来在我国己建的和在建的钢管混凝土拱桥约有 200 多座，其中跨径超过 200m 的有 30 多座。1995 年，广东三山西大桥是第一座跨径超过 200m 的钢管混凝土拱桥，也是第一座飞燕式拱桥。飞燕式钢管混凝土拱桥通过张拉系杆来平衡主拱所产生的大部分水平推力，大大降低了平原或软基地区拱桥下部与基础的工程量与造价，且造型美观在我国得到了迅速发展，相继建成的有武汉市江汉五桥、江苏徐州京杭运河特大桥、南昌市生米特大桥等。尤其是建成于 2000 年跨径组合 76+360+76 的丫髻沙大桥，把这一桥型，也可以说把钢管混凝土拱桥的跨径推上了一个新的台阶。

2.大跨度桥梁的结构、构造以及施工

2.1斜拉桥

2.1.1结构

斜拉桥由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。

斜拉桥结构受力特点：斜拉桥是由主梁、索塔，斜拉索及基础等组成的组合体系，在边跨内可根据需要设置辅助墩。在竖向荷载作用下，主梁受压、弯作用，索塔以受压为主，而斜拉索承受拉力。斜拉索相当于增大了偏心距的体外索，充分发挥抵抗负弯矩的能力，节约钢材。斜拉索的水平分力相当于混凝土的预压力。斜拉桥主梁受力模式上可以理解为弹性支撑连续梁，高跨比小，自重轻，提高跨径，可以实现较大的跨越能力。斜拉桥是具有较高超静定次数的复杂结构。

2.1.2构造

1.斜拉索

斜拉索包括索体和两端的锚具两部分，索体是承受拉力，锚具是将拉力传递给主梁和索塔。

斜拉索是斜拉桥的主要构件之一，因此选用良好的材料以及精心制造是非常重要的。对斜拉索有以下一些要求：

（1）承载能力高

（2）稳定的高弹性模量，增加结构刚度

（3）紧密的横截面，易于使端部穿过预埋管道，便于防腐处理，并减小风阻力

（4）高疲劳强度

（5）容易防腐

（6）容易操纵和安装，要求便于弯曲成盘

（7）价格便宜

斜拉索的种类包括：平行粗钢筋索、螺旋形钢丝绳、封闭式旋钮钢缆、平行钢丝股索与平行钢丝索，半平行钢丝索等。

2.主梁

斜拉桥的主梁宜在全长范围内布置成连续体系。

斜拉桥的主梁形式包括：混凝土梁、钢箱梁、结合梁等。

混凝土斜拉桥主梁截面有实心板截面、边箱梁截面、箱形截面、带斜撑箱形截面和肋板式截面。

钢梁斜拉桥主梁截面有箱形截面、板式截面、分离式边箱截面和钢板梁截面。组合梁一般只适用于双索面斜拉桥。

组合梁斜拉桥主梁截面宜采用工字形钢主梁其中加小纵梁截面形式，跨径较大时也可采用边钢箱梁截面形式。

3.索塔

索塔用以锚固拉索，并将其索力可靠地传递给下部结构，其形状对斜拉桥的景观至关重要。索塔施工精度要求很高，其轴线与轮廓尺寸对施工要求严格。索塔内部钢筋密集，预应力束纵横。索塔均绝大部分采用混凝土塔，也有部分采用刚塔柱。

斜拉桥的混凝土塔柱可分为实体柱与空心柱。混凝土索塔应根据施工需要在索塔内配置型钢作为劲性骨架。

桥塔采用钢结构的塔柱以日本最多，大多数刚塔柱的界面作成矩形空心箱式，箱式四周的各主壁板上均布置有竖向加劲梁。钢索塔国内设计较少，但已开始采用。斜拉桥钢索塔纵桥向结构形式，一般可设计成单柱形，在需要将索塔的纵向刚度设计得较大时，也可将其设计成倒V形与倒Y形。

4.附属工程

包括桥面铺装、支座、抽湿系统、防雷放空航道等。

桥面铺装可采用沥青混凝土或水泥混凝土铺装，并应设置防水层。钢梁桥面铺装宜采用沥青混凝土铺设。桥面铺装层应与钢梁顶面有效粘结。

斜拉桥应结合支座的设置方式合理选择其支座类型和限位装置。边跨端支点支座或辅助墩承受正负反力的支座应进行特殊设计。支座处应预留支座更换时放置千斤顶的空间，并对该部位加强配筋。

斜拉桥主梁、索塔为钢箱梁结构时，为防止闭口钢箱结构每部发生锈蚀，宜设置内部抽湿系统。

2.1.3施工

斜拉桥由桥塔、主梁和斜拉索三大部分组成。各部分的结构可采用的材料和形式多种多样。因此其施工的方法也有很多种。斜拉桥的施工可以采用传统的施工方法，如支架法，还能借助斜拉索的联合作用采用悬臂法和顶推法来简化和减轻施工机具，特殊条件下跨线施工可采用平转法。大跨度全斜拉桥比较适用的事悬臂法，有时也辅以支架法。

1.主塔

混凝土主塔施工要点：桩基与承台→塔座施工→下塔柱施工→下横梁施工→中塔柱施工→上横梁施工→上塔柱施工→塔顶建筑施工→主塔竣工

混凝土下塔柱、中塔柱、上塔柱，一般可采用支架法、滑模法、爬模法施工。

钢主塔施工要点：钢主塔施工，应对垂直运输、吊装高度、起吊吨位等施工方法做充分的考虑。刚主塔应考虑工厂分段焊接加工，事先进行多段立体试拼接合格后方可出厂。主塔在现场安装，常常采用现场焊接接头、高强度螺栓连接、焊接和螺栓混合连接的方式。经过工厂加工制造和立体试拼装的钢塔，在正式安装时应予以测量控制，并及时用填板或对螺栓孔进行扩孔来调整轴线和方位，防止加工误差、受力误差、安装误差、温度误差、测量误差的积累。

2.主梁

斜拉桥主梁施工方法与梁式桥基本相同，大体上可分为支架法、顶推法、平转法和悬臂法。

支架法

有在支架上现浇、在临时支墩间设托架现浇、在临时支墩上架设预制梁段等几种施工方法。其最突出的优点是施工简单方便，能够确保结构的线型满足设计要求，但仅适用于桥下净空低、搭设支架不影响桥下的交通情况。

顶推法

顶推法的特点是施工时需在跨间设置若干临时支墩，顶推过程中主梁要反复承受正、负弯矩。该法较适用于桥下净空较低、修建临时支墩造价不大、支墩不影响桥下交通、抗压与抗拉能力相同能承受反复弯矩的钢斜拉桥主梁的施工。对混凝土斜拉桥主梁而言，由于拉索水平分力能对主梁提供免费预应力，如在拉索张拉前顶推主梁，临时支墩间距又超过主梁负担自重弯矩能力时，为满足施工需要，要设置临时预应力束，在经济上不合算。

平转法

将上部构造分别在两岸或一岸顺河流方向的矮支架上现浇，并在岸上完成所有的安装工序（落架、张拉、调索等），然后以墩、塔为圆心，整体旋转到桥位合拢。平转法适用于桥址地形平坦，墩身较矮和结构体系适合整体转动的中小跨径斜拉桥。近年来的许多跨铁路线斜拉桥，一般采用转体施工法。

悬臂法

悬臂施工法分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法。悬臂拼装法是先在塔柱区现浇(对采用钢箱梁的斜拉桥为安装）一段起始梁段，主要是用于放置起吊设备，然后再用起吊设备从塔柱的两侧依次对称地拼装梁体节段。悬臂浇筑法则是在塔柱两侧用挂篮逐段对称地浇注混凝土。

3.斜拉索

由于伸臂架设法的开发和进步，斜拉桥可利用斜索来进行伸臂施工，索梁同时并进，甚至塔、索梁同时并进，还可利用斜索对主梁施加预应力来调整弯矩。架设后的最终状态可与成桥后所要求的线性基本吻合。

斜拉索的架设包括设置锚固部件、架设斜拉索、斜拉索张拉和调整以及斜拉索防护等施工工序、斜拉索两端的锚固件应按设计要求精确定位。一般将桥塔一侧的锚固部件分批起吊就位，如为混凝土塔柱时则现在地面用钢构架作临时固定后再整体或分批起吊就位。位于主梁一侧的锚固部件，如主梁为钢架构，则在工厂内事先安装就位，可利用移动式挂篮的构架，或利用模板作支点来予以固定。

2.2悬索桥

2.2.1结构

悬索桥正如其名称，具有从桥的一端悬挂到另一端的强大缆索。缆索“悬挂”在塔的顶部，两头由锚碇“锚固”。常规的悬索桥利用主缆及吊索组成的悬挂体系，将荷载作用传递到桥塔、锚旋。其主要组成包括加劲梁、吊杆(索）、主缆、桥塔和锚碇。

加劲梁提供桥面，直接承受荷载；吊索(或称吊杆)连接主缆与加劲梁，将荷载传递给主

缆；主缆以桥塔及支墩为支承，两端锚固于锚碇，将吊索传递来的荷载传递给桥塔和锚碇；桥塔支承主缆并将荷载通过基础传递给地基；锚碇锚固主缆索股，承受主缆拉力，支承于地基上，或嵌固于岩体中，分别称为重力式锚碇和隧道式锚碇。

悬索桥的传力途径简洁，结构构造简单，受力明确，跨径越大，材料耗费越少，桥的造价越低。主要承载构件主缆由高强度的钢丝组成，承受拉力，材料利用效率最高。主塔主要承受压力，以及量值不大的弯矩，材料利用效率也较高。加劲梁的主要作用就是承担车辆和行人荷载，将它们传递给相邻的吊杆，因此对其刚度要求不高，可以做得相对较柔，能完成分配荷载的作用即可。一般采用竖直吊杆，加劲梁不像斜拉桥的主梁那样还要承担很大的轴向压力，因此其对悬索桥向更大跨度发展不产生制约。桥塔只有相应跨径斜拉桥桥塔高度的一半，因此稳定性更高。锚碇的大小可根据需要增加，只是工程量方面的增加，没有任何技术上的难度和制约因素。

2.2.2构造

1.主缆

一般全桥两根主缆，布置在行车道两边；少数大跨度悬索桥采用4根主缆的形式，个别桥梁布置单面索，只有一根主缆。一般布置为竖直平面，个别布置为斜面（曲面）。单链为主，仅在小跨度桥梁中布置有双链形式。主缆材料可为镀锌高强钢丝、镀锌钢丝绳。

2.桥塔

桥塔的结构是支承主缆，支承力包括压力以及水平不平衡力。对鞍座固定在塔顶的情况，桥塔通过顶部位移变动适应活载的变化，若鞍座为滚轴式的，桥塔为鞍座提供滚动平面，并承担部分水平不平衡力。

沿桥纵向桥塔结构类型分为刚性塔、柔性塔和摆柱式塔。大跨度悬索桥桥塔较高，为柔性塔。摆柱式桥塔若应用于大跨度悬索桥，施工时临时固结措施困难且费用较高，脚铰的造价和维护费用也大大增加，因此没有采用。

横桥向的结构类型按其腹杆的组合形式主要包括三种：桁架式、刚架式和混合式。

3.锚碇

锚碇可分为自锚式和重力式。

自锚式悬索桥将主缆锚固在主梁端部，常规悬索桥的主缆靠锚碇锚固。锚碇是对锚块基础、锚块、主缆锚固系统及防护系统的总称。

重力式锚碇由锚块、散索鞍支墩、锚室和基础组成；隧道式锚碇由锚塞体、散索鞍支墩、锚室组成，适用于锚碇处有坚实山体岩层可以利用的情况。

目前在悬索桥工程中较多采用重力式锚碇，重力式锚碇是利用其自身的质量平衡主缆的拉力。重力式锚碇的锚体大多做成实腹式，施工比较简单，受力也很可靠。

4.索鞍

为主缆提供支承并使主缆平顺的改变方向。按其作用的不同，大致可分为桥塔顶上的主索鞍、支架副索鞍和散索鞍。

按主索鞍的传力方式可分为两类：斜肋板直接传力式和纵横肋间接传力式。

按主索鞍的不同支座方式可分为四种：全铸式、全焊式、铸焊式和组合式。

5.吊索及索夹

吊索顺桥向布置可采用竖直布置形式和斜向布置形式。斜吊索与竖直吊索相比，斜吊索可与主缆、加劲梁形成桁架作用，提高全桥刚度及结构阻尼值。

6.加劲梁

中小跨度悬索桥中，主梁可以明显增加桥的刚度。这除了前述的重力刚度的原因外，一定刚度的主梁使荷载向相邻的吊杆分布，使荷载位置的位移减小了。主梁增加了桥的刚度，因此被称为加劲梁。

2.2.3施工

悬索桥施工时先施工锚碇，架设好主塔，再架设主缆，利用主缆假设加劲肋和桥面系。大的施工临时设施只有猫道。施工作业大都在空中进行，施工方便。具体施工过程可以分为锚碇施工和主塔施工、安装索鞍、架设猫道、架设主缆、安装索夹与吊索、吊装加劲梁段、刚接加劲梁端、桥面铺装等过程。

1.锚碇

锚碇可分为重力式锚碇和隧道式锚碇

若锚碇位置的地基承载力比较好，可建造重力式锚碇，一般采用明挖扩大基础。当位置在软土层时，可采用大型沉井或地下连续墙形式。

2.桥塔和索鞍

混凝土桥塔的施工一般可选择滑模法、翻模法、爬模法或提升支架法施工。

3.猫道

猫道作为悬索桥上部构造施工最重要的高空作业通道和作业场地，平行于主缆线形，在整个上部施工期间，猫道作为索股牵引、索股调整、主缆紧缆、索夹及吊索安装、钢箱梁吊装、主缆缠丝防护以及除湿系统等施工的作业平台。猫道相当于在主缆下形成一个临时的简易缆索桥，其作用是供主缆索股牵引和工作人员通行。帽猫道由承重索、扶手索、面层、横向通道及抗风索、锚固体系等组成。

按猫道承载索在塔顶的跨越形式，通常有分离式和连续式两种构造布置形式。欧洲国家一般采用空中纺线编缆（AS法）施工，惯于采用连续式；日本及我国多采用预制平行索法（PPWS法）施工，多用分离式。

4.主缆的架设

主缆的成形有空中纺线法（AS法）和预制平行索法（PPWS法）。空中纺线编缆法是利用牵引机械反复拽拉钢丝，在现场制作平行钢丝索股的施工方法，多在欧美国家采用。我国和日本等亚洲国家的大跨度悬索桥多采用预制索股法。

5.加劲梁的架设

悬索桥加劲梁常用的施工架设方法主要有4种：跨缆吊机架设法、缆索吊机架设法、桥面吊机悬臂拼装假设法和顶推架设法。

2.3钢管混凝土拱桥

2.3.1结构

钢管混凝土拱桥的主拱圈形式主要有肋式和桁式。肋式中又可分为单管、哑铃形，桁式中可分为横哑铃形桁式、多肢桁式、混合桁式以及集束式。钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥的主拱圈主要有箱肋、箱拱以及板拱。

钢管混凝土拱桥，按车承形式，可分为上承式、中承式和下承式。

2.3.2构造

1.主拱圈

主拱圈可分为钢管混凝土单管拱肋，钢管混凝土哑铃形拱肋，钢管混凝土桁拱，钢管混凝土劲性骨架箱梁和工字形肋以及钢管混凝土劲性骨架箱拱。钢管混凝土拱桥中，拱肋数量最多，跨径不打是拱肋可采用单管截面；肋拱桥中绝大部分为哑铃形断面；桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够发挥材料的特性；箱拱具有良好的抗弯抗扭性能，是钢筋混凝土拱的大跨径的主要形式。

2.无推力拱

钢管混凝土拱桥无推力结构中，刚性系杆刚性拱较为常用。拱梁组合体系桥梁利用行车系的纵梁作为拉杆，拱与梁在拱脚处刚结，支承于墩台支座上。一方面使梁共同承受荷载，从整体上节约材料；令一方面对墩台与基础的要求降低，从外部受力上类似于简支梁。拱梁

组合体系根据拱肋与系杆相对抗弯刚度的大小又分为柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱和刚性系杆刚性拱三类。

3.桥面系

上承式拱桥中，将桥面系与主拱之间的结构和桥面系合称为拱上建筑或拱上结构。石拱桥的拱上建筑多为公式结构，桥面结构接近于路面结构，这一部分的自重很大。现代拱桥的拱上建筑，则多采用梁板式结构，大大的减轻了自重，方便了施工，也是实现大跨度的必然。钢管混凝土拱桥除少数应用上承式外，大部分为中下承式。

梁板式桥面系的布置形式有三种，即横铺桥面板式、纵铺桥面板式和整体肋板式。

4.立柱、吊杆与系杆

立柱用于上承式拱桥和中承式拱桥上乘部分，是桥面系与主拱肋之间的传力结构。钢管混凝土拱桥的立柱主要形式有钢筋混凝土立柱和钢管混凝土立柱。

钢管混凝土中下承式拱桥一般采用柔性吊杆，吊杆材料有圆钢、高强钢丝和钢绞线。

系杆用于拱梁组合体系和钢架系杆拱中。

2.3.3施工

桥梁的施工方法可分为自架设方法和非自架设方法两大类。

自架设方法，是指在施工阶段将桥梁上部结构物分成若干组部分，按多个施工阶段现浇或拼装起来，而这些施工阶段的运输和架设均以已完成的结构部分作为支撑体系，直至全桥的完成。

非自架设方法则是借助临时的施工设施成桥的方法，主要有支架法、吊装法和转体法。

1.缆索吊装法

缆索吊装法时我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。当跨径不打时，拱肋分三段吊装，两边段吊装后斜扣索扣住，横向加浪风。

当跨径较大，钢管劲性骨架节段多、质量大时，缆索吊装方法需在传统方法的基础上加以改进，采用一些新技术、新工艺。

2.转体施工法

转体施工法是将拱圈分为两个半跨在两岸制作，通过转体合拢的一种施工方法。拱圈绕拱座做竖直旋转合拢的称为竖向转体施工法，拱圈绕拱座做水平旋转的称为平面转体施工法。

平衡重转体主要由平衡体系、转动体系(转轴、环道)和位控体系三部分组成。其平衡体系一般利用桥台或配重来平衡悬臂主拱，主拱与桥台一起转动。

转体施工方法也被广泛应用于钢管混凝土拱桥之中，当桥梁跨径相当时，钢管混凝土拱桥与钢筋混凝土拱桥相比，其转体质量是钢管骨架，因此比钢筋混凝土拱桥轻很多；当转体质量相当时，钢管混凝土拱桥的跨径就比钢筋混凝土拱桥大很多。