斜拉桥的发展

中国斜拉桥的发展状态和关键技术

摘要：斜拉桥的发展引用着多种现代的高新技术，得以桥梁在大跨度的桥梁施工中，得以精确度的保证以及在规范要求的范围内，并且施工中必须考虑到外部环境的影响，所以接下来对以上的问题作以叙述。

关键词：斜拉桥全球卫新定位系统防护措施施工重点

斜拉桥又称斜张桥，上部结构由索、梁、塔三个主要组成部分构成，从其力学特点看，属于组合体系桥。斜拉桥依靠斜拉索支撑梁跨，类似于多跨弹性支承梁，梁内弯矩与桥梁的跨度基本无关，而与拉索间距有关。斜拉桥开始于17世纪，现在斜拉桥正处于发展的高峰期间，长度、跨度和持久性也在不断增加。

斜拉桥采用斜拉索来支撑主梁，使主梁变成多跨支撑连续梁，从而降低主梁高度、增大跨度。斜拉桥属于自锚结构体系，斜拉索对桥跨结构的主梁产生有利的压力，改善了主梁的受力状态。主要构造有基础、墩塔、主梁和拉索。其上的主梁是受弯构件，为多点弹性支撑，弯矩和挠度显著减小，斜拉索水平分力，提供对称的预应力，减缓主梁的压力。斜索是受拉构件，为主梁提供弹性支持，调整其索力、间距和数量，可调整桥梁内力分布及刚度，对斜拉索进行预张拉。

斜拉桥孔跨布置主要可分为双塔三跨式、独塔双跨式和多塔多跨式等三种形式。在特殊情况下，斜拉桥也可以布置成独塔单跨式或者混合式。

1、双塔三跨式

目前双塔三跨式最常用，形式有对称式和非对称式，适用在跨越较大的河流、海口及海面比较近的工程中。以下为双塔三跨式的例子，如图一所示。杭州湾跨海大桥建于2003年11月14日开工，2007年6月26日贯通，2008年5月1日启用。杭州湾跨海大桥是一座横跨中国杭州湾海域的跨海大桥，北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪水路湾，全长36公里，比连接巴林与沙特的法赫德国王大桥还长11公里，已经成为中国世界纪录协会世界最长的跨海大桥候选世界纪录，成为继美国的庞恰特雷恩湖桥和青岛胶州湾大桥是世界上最长的跨海大桥后世界第三长的桥梁。此桥的特点为两侧都建有辅助墩，目的是为了缓和端锚索应力集中或减少边跨主梁弯矩，增大桥梁总体刚度。杭州湾大桥的钢管桩制作过程中，每个工序都进行严格质量检查，对焊缝百分之百进行超声波检查，还有部分的需要进行射线照相。其中T形和十字形的焊缝及近桩顶焊缝作为重点检查。焊缝不允许有咬边、焊缝未融合、未焊透的情况表面气孔、弧坑、夹渣等外观缺陷，这些都是对桩的焊接要求，而且在做这桥的设计时，还得考虑到一些外在因素，因为作为海上建筑，必须考虑到海上的海风很大，桥墩放下的时候会因为海风的吹动而摇晃，可能导致放置的位置不精确，所以得用到精密仪器测量和GPS 定位导航系统，这个是近几年才开始开发使用在桥梁建筑上的科技技术使用。在建成的时候还得预防以后海上出现台风现象，因为美国就有桥在设计时未能够充分考虑到风力和风速的影响，导致桥在风的作用下，产生摇晃，导致桥的倒塌。钢管桩的制作已经需要考虑到防腐的问题，而且也要考虑到在运输的时候，防止桩与周围的摩擦。而且全球卫星定位系统在这里利用的地方也比较多。像这里外海沉桩施工过程中，因为在海上的施工，所以在岸上看上去距离远，常规的经纬仪和全站仪测量定位很难达到设计的要求，所以只有使用全球卫星定位系统在施

工过程中，一直使用着，这样才能在施工后才能保证规范要求。

图一

2、独塔双跨式

独塔双跨式适用于跨越中、小河流、谷地和城市道路或较大河流的主航道。江苏通州世纪大桥位于江苏著名通航运河，南通第一运河——通吕运河上，如图二所示。该桥主桥采用双跨独斜拱塔双索面预应力斜拉桥，主桥主梁共分成17个标准节段，节段长度6米，采用挂蓝悬浇施工；锚跨采用支架现浇施工。塔为钢结构“拱形”索塔，塔高约62米，塔向岸跨倾斜15度，塔身为箱形截面，纵桥向为变宽，横桥向为椭圆线形。跨径组合为110+80米，主桥36、6米。像这种独塔双跨式的桥梁，从构造上，大概可以分为桥梁一边地锚式，这样的主要受力类似于悬索桥的边跨时的构造受力，像这种独塔双跨地锚式的斜拉桥的的跨度达不到很长的要求。还有另一种就是利用桥墩的受力，然后再两边拉钢绞线钢丝，拉在桥墩两侧，这样的受力比较均匀于桥墩的两侧，不过这种在施工的时候，像这种比较高的桥墩。必须考虑到在拉索时，因为一侧受力过大，而导致桥梁因为弯矩过大而导致桥梁垮塌。这种的建筑看着比较优美，但是在桥梁跨度小时用这种形式的属于为浪费材料，在跨度大的时候用这种的桥梁构造又是属于较为危险的建筑，在以后的维修和防护比较麻烦，所以想这种的桥梁在现实中比较少利用。

图二

3、无背索式

由无背索式让我突然得到一个想法，我们既然有无背索式，那么我们为何不将它使用在武汉长江大桥上做设计，如今武汉长江大桥需要做一些改进，使得那么排水量大的船通过，那么我们可以在某一段作为截开点，在这个截开两侧分别使用无背索式，然后再加上现在的液压法在这两处，也就是在有大货船通过时，将一部分的桥梁直接通过液压的方式向上升起。但是这样的设计对桥墩的要求将会上升，以前建造的桥墩不知是否能够支撑得住这样设计的索塔所带来的压力，即使能够支撑得了，也不知道基础会不会因为压力的增大而导致不均匀的沉降。若像之前老师说的所有桥墩都增加几十米，那么所带来的影响会和前面所带来的影响相似处很多，所以我个人觉得如果需要对武汉长江大桥所做一些小小的修改的话，也许用这种开启式的会比较方便，如果用的是悬索桥的话，那么太浪费材料了，而且稍微的修改只是部分，而悬索桥在跨度达到千米左右时，用此桥型比较合理的选择。

无背索式的桥梁构造例如长沙洪山大桥，如图三所示的洪山大桥是目前世界上跨度最大的竖琴式无背索斜塔斜拉桥，也是世界上唯一高度超百米的混凝土斜塔桥。主梁采用的是钢箱梁，挑梁间距为4~5米，主塔倾角为58°，主跨206米，主塔桥面以上高度138米。主塔和主梁采用的是顶推法施工。由于不设背索，仅利用塔柱倾斜来平衡桥面恒载和活载，使结构的受力和设计变得十分特殊。为保证大桥的顺利施工采用了多项创新技术：1、主梁采用独特的脊骨梁形式和特殊的加劲方式，并从理论、施工、美观上综合考虑了竖琴式斜拉桥合理布局的问题；2、对超长悬臂组合梁进行大吨位预压，以满足这种特殊结构的受力要求；3、采用独特的拉索锚固方式，确保全桥整体受力良好；4、采用人行道高出车行道的方案，使行人倍感安全和舒适，同时塔内设观光电梯，塔顶有观景台以俯瞰长沙城，真正体现了人性化设计概念。

图三

4、多塔多跨式

前面列举的桥梁中都不是现在比较常见的桥，如今比较多出现的桥梁是多塔多跨式的桥梁，比如现在比较出名的米约大桥，如图四。这座桥超越了很多不可思议的构想，比如桥墩的高度。这种高度的桥墩就像一根细长杆竖立在地上，假如在施工过程中，一不小心哪侧的力稍微过大，那么将会产生特别大的弯矩，如此带来的后果是不堪设想的。而且像这种高空施工作业，也是一件特别棘手的工程。并且在施工过程中，每施工一段距离，必须用全球卫星定位系统来纠正在施工过程中可能会出现的一些偏差，从而保证桥梁在建成之时的精确度能够达到规范要求。在这桥上行车，站在大桥上向下俯瞰，桥底下是一望无际的云雾，整个大桥仿佛在云雾中横空出世，腾云驾雾，行走其间仿佛置身另一世界。其总设计师诺曼·福斯特再设计时着重考虑到风力的影响，特意将大桥桥面结构设计成三角形，以有效减少风阻。除了计算机模拟试验外，有关风力模拟户外试验从1997年就开始了，法国气象局专家甚至在图卢兹一带修建了一个人工山谷，然后向这个“山谷”灌水，水中夹杂了许多小颗粒，专家通过水流颗粒的变化模拟出塔恩河山谷可能出现的各种复杂风向，从而对大桥各种建筑结构的比例不断进行修改。最终大桥的设计使其可以抵御时速250公里的大风。如下图四就是米约大桥建成后的成果。

图四

5、千米斜拉桥关键影响因素及稳定性的考虑

像这种跨度比较长的斜拉桥，在很多设计上需要着重考虑。比如千米以上大跨度斜拉桥各构件的内力、基础反力及动力响应均较大,合理选择结构的支承体系, 通过静、动力分析合理选择减、隔震支座及动力阻尼装置,选择合适的动力阻尼参数,可以减小结构各构件的内力以及动力响应,提高结构的耐久性。斜拉桥上部结构塔、梁、索为主要受力构件,合理的塔形可增大抗风稳定性、减小下部结构规模, 由于跨大、塔高,主塔锚固区施工难度大、受力复杂、定位困难,须对主塔锚固区细部构造进行比较研究,选择合理的锚固形式。主梁承受压力、弯矩、扭矩共同作用,在脉动风和地震作用下还要发生振动。须选择抗弯及抗扭刚度大,气动外形好的主梁结构。结合建桥条件,首先应考虑采用钢与混凝土混合梁的可能性,以平衡边、中跨荷载,消除边跨负反力,减小塔根弯矩对斜索在梁上的锚固细节应对比研究目前常用的钢锚拉板式、锚箱式及锚管式等构造方式,对细节进行有限元及试验研究。千米以上超大跨斜拉桥最长斜拉索将超过 500 m,斜索垂度效应明显,除承受恒、活载作用外,还承受较大风力。应对平行钢丝索及平行钢绞线斜索进行受力比较,对锚头细节进行研究,对超长索的减、隔震措施进行研究。主塔大型深水基础规模及施工难度均较大,须对沉井及桩基础进行受力及经济性比较,结合桥位处地质、水流以及冲刷等自然条件,选择合理的基础形式。另外,还必须对船舶撞击进行数模分析,对失控船舶漂移对桥梁的影响进行研究,确定基础的船舶撞击力。对防撞设施进行研究,确保结构安全、耐久。

结构的静力稳定问题的研究分为两类，第一类稳定为分支点失稳问题；第二类为极值点失稳问题。对于一类稳定的安全系数评价,在规范中有规定对于二类稳定的安全系数评价规范没有规定,国内有的科研单位采用边缘纤维屈服准则作为极限强度判别标准,以结构构件边缘应力达到屈服强度时的荷载与实际荷载的比值作为稳定安全系数。斜拉桥的主塔和主梁都是压弯构件,千米级跨度的斜拉桥结构内力大,主塔高约300m,主梁长约2000m,主塔高耸以及主梁薄壁高强材料的运用,施工中主梁超大伸臂安装,使得稳定问题与强度问题同等重要。因此,必须对结构在独塔自立、最大单双伸臂、成桥状态等各控制工况在施工荷载、风力以及运营荷载作用下进行一类稳定分析。

6、结语

由以上各种桥梁的设计和施工等等，我们可以看出，现代斜拉桥在设计施工时，桥梁的跨度不断在扩大，而且在施工过程中，不断引用新的技术，很多以往的就技术在这种跨海或者高桥墩的设计时，引用以前的技术对这种的设计的施工过程中，由于距离或者高度的问题，在使用时会被环境的影响偏大，而且可能会在施工完后无法达到规范的要求，所以新技术必须引进，新的想法设计必须出现，只要是不影响安全问题和不触及规范边缘问题的，在外国规范中都是可以允许的，所以米约大桥的出现是一种突破性的桥梁设计，这些桥梁都用到全球卫星定位系统，这样可以保证施工过程中和施工完成后的精确度，不至于在施工完成后会有出现桥梁偏移量过大的问题。跨度如此之大的桥梁，在设计时也应考虑到抗震的危害，因为现在地震在我们生活中的影响算是特别大的，很多桥就是忽略地震、风力等自然灾害而导致桥毁的严重后果。

随着大规模基础设施的建设和综合国力的提高,跨江跨海的千米级公路、铁路斜拉桥的建设将不断地提到议事日程,对千米级斜拉桥的结构受力行为和设计关键技术的认识也将不断深入。就像苏通长江大桥的出现正是证实我国实力在不断提升，对规范的要求也是不断的提升，可以与国外的大多数桥梁争锋。

参考文献：

1、董军桥梁工程

2、孙建平矮塔斜拉桥施工关键技术

3、中交公路规划设计院苏通长江公路大桥跨江大桥工程初步设计

4、几种常见形式斜拉桥的浅析及设计计算

5、斜拉桥的施工

6、斜拉桥的构造

7、百度文科斜拉桥