斜拉橋技術發展綜述

高 金

(上海勘測設計研究院建筑市政分院，上海市200434)

1 概述

斜拉橋是由上部結構的主梁、拉索和索塔及下部結構的橋墩、橋臺四種基本構件組成的組合體系橋梁，在受力上以主梁受軸向力、拉索受拉和索塔受壓為主。

斜拉橋的構思可以追溯到17世紀，但由于受當時科技水平的限制，在三百多年的漫長歲月中沒有得到很大發展，又因為19世紀20年代前后修建的幾座斜拉橋的坍塌事故，使斜拉橋的發展在相當長一段時期內處于被遺棄的狀態。20世紀30年代，德國工程師Dischinger研究設計了第一座現代斜拉橋——跨徑74.7 m+183.0 m+74.7 m的新斯特雷姆伍特Stroemsund橋，于1955年在瑞典建成。接著，1957年德國杜塞爾多夫建成了杜塞爾多夫北萊茵河橋，跨徑組成為108m+260m+108 m，它們都采用稀索和鋼主梁結構，這是早期現代斜拉橋的共同特點，從此斜拉橋得到迅速發展。1962年委內瑞拉建成的馬拉開波橋是第一座現代混凝土斜拉橋，跨徑布置為160 m+5×235 m+160 m；1991年建成的主跨530 m的挪威斯卡特恩圣特橋，至今仍保持著混凝土斜拉橋的最大跨徑紀錄。

斜拉橋在我國的發展始于1975年四川省云陽縣跨徑76 m的鋼筋混凝土斜拉橋，在取得了設計和施工經驗之后，全國各地開始修建斜拉橋。1991年建成的423 m跨度的上海南浦大橋，標志著中國在斜拉橋設計和施工方面已進入世界先進水平。截至2011年，國內已經建成的400 m以上跨度的斜拉橋有30余座，最具代表性的世界最大跨度斜拉橋——蘇通長江大橋于2008年建成，將斜拉橋跨度的世界紀錄提高到1 088 m。

表1和表2分別列出國內外已建斜拉橋的跨徑布置及橋寬等統計資料。

2 總體布置及結構體系

斜拉橋的總體布置一般從經濟角度考慮，其類型是多種多樣的，最典型的跨徑布置有獨塔雙跨式和雙塔三跨式，在特殊情況下也可布置成獨塔單跨式、雙塔單跨式及多塔多跨式。拉索的疲勞強度是邊跨和主跨跨徑允許比值的判斷標準，施工和成橋全橋剛度是影響跨徑比的另一重要因素，一般情況下，雙塔三跨式斜拉橋邊跨與主跨的跨比可取0.25～0.5，從經濟角度考慮宜取0.4，獨塔雙跨式斜拉橋可取0.5～1.0。當雙塔三跨式斜拉橋邊跨與主跨的跨比小于0.5、獨塔雙跨式斜拉橋采用不對稱布置時，邊跨應設置端錨索，以平衡兩跨間的索力差，控制塔頂位移，還應注意邊跨端部的壓重，當跨比更小時，可采用地錨式。當斜拉橋的邊孔設在岸上或淺灘，邊孔高度不大或不影響通航時，在邊孔設置輔助墩（錨固墩），可以改善結構的受力狀態，增加施工期的安全。當橋面標高高、邊孔水深等原因使設輔助墩施工困難或造價較高時，可采用外邊孔的構造形式。

表1 國外已建斜拉橋跨徑布置及橋寬等統計資料表（單位：m）

表2 國內已建斜拉橋跨徑布置及橋寬等統計資料表（單位：m）

拉索是斜拉橋的主要承重構件之一，對主梁有彈性支承作用，對整個斜拉橋的結構剛度和經濟合理性起著重要作用。拉索索面在空間可布置成單索面和雙索面，雙索面可分為豎直雙索面和傾斜雙索面，在索面內又有輻射形、豎琴形及扇形三種基本型式。輻射形拉索用量最省，索塔彎矩小，塔高低，但塔頂構造復雜，應力集中現象突出，因此，輻射形拉索布置已日趨減少。豎琴形布置構造簡單，加強了索塔的順橋向剛度，對減少索塔的彎矩和提高索塔的穩定性有利，但拉索傾角小，對主梁的支承效果差，拉索用量較多，又無法形成漂浮體系，故一般僅用于中小跨徑斜拉橋中。扇形布置兼有輻射形和豎琴形的優點，又可靈活布置，特別在大跨徑斜拉橋中，需要提高抗扭剛度及抗風振穩定性和抗地震穩定性要求高的情況下，是采用最多的一種索型。采用混凝土主梁時索距宜采用4～12 m，采用鋼主梁時索距宜取8～24 m。

斜拉橋的主梁一般有兩種布置型式，即：連續體系和非連續體系。連續體系主梁為連續梁或連續剛構；非連續體系主梁在斜拉橋的主跨中央，帶有一個簡支掛孔或剪力鉸，這時主梁成為單懸臂梁或T形剛構體系（主跨440 m的西班牙盧納巴里奧斯橋和我國湖北鄖陽漢江橋即為該類體系）。由于剪力鉸設計、施工和養護較困難，通常避免采用這種主梁布置。

雙塔三跨式斜拉橋的塔高與跨徑之比宜取0.18～0.25，獨塔雙跨式斜拉橋的塔高與跨徑之比宜取0.3～0.45，矮塔斜拉橋塔高約為跨度的1/8～1/12。

根據主梁、拉索、索塔和橋墩的不同結合方式可將斜拉橋分為：漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結體系和剛構體系；根據拉索的錨拉體系不同形成四種結構體系：自錨式斜拉橋、地錨式斜拉橋、部分地錨式斜拉橋、無背索斜拉橋。斜拉橋的主梁可采用混凝土主梁、鋼主梁、疊合梁、混合梁、波折鋼腹板疊合梁及鋼桁梁。

索塔的造型和相應的受力條件必須滿足強度、剛度和穩定性要求。經常采用的順橋向主塔結構形式有：單柱型、A字型和倒Y型等；橫橋向主塔結構形式有：單柱型、雙柱型、門形、梯形、A形、倒V形、倒Y形、菱形（包括寶石花形）等。斜拉索的主要類型有：平行鋼筋索、鋼絲索（平行鋼絲股索、平行鋼絲索、半平行鋼絲索）、鋼絞線索（平行鋼絞線索、半平行鋼絞線索）、封閉式鋼纜、單股鋼絞纜、碳纖維復合材料（CFRP）斜拉索。拉索在塔上的錨固形式大體可分為：預應力、鋼錨箱及鋼橫梁錨固三類。

3 設計分析

斜拉橋是復雜高次超靜定結構，其設計分析包括：靜力分析、動力分析、施工控制分析、局部分析。鋼主梁斜拉橋尚需進行疲勞驗算。斜拉橋存在著材料非線性影響和結構幾何非線性影響。材料非線性主要指混凝土在長期荷載作用下的徐變影響，以及拉索錨固區局部應力考慮塑性重分布的影響；結構幾何非線性主要包括索的變形受到垂度的影響和考慮主梁和塔的軸力效應的大撓度理論。

斜拉橋的內力變形分析一般是把空間結構簡化為平面結構，采用平面桿系有限元法，將結構離散化，把索以直桿代替，索的抗彎剛度計為零，索的垂度用修正彈性模量的方法使它線性化，按小撓度理論計算，確定其內力與變形后再乘以荷載橫向分布系數來考慮結構的空間效應；在作斜拉橋的精確計算和特大跨斜拉橋的靜力計算時，可把斜拉橋直接按空間結構來分析，主梁用梁單元或更為精確的板單元來模擬，并考慮結構幾何非線性影響。

在外荷載作用下，斜拉橋的梁和塔都承受很大的壓力，當壓力到達一定值時，就可能產生平面屈曲或出平面的彎扭屈曲，可按空間桿系屈曲的有限元法進行精確計算。

拉索錨固區的局部應力分析一般按照圣維南假定從整體結構中取出錨固點前后各一個梁高或半個梁寬的節段作為錨固體，指定邊界位移和受力狀態，按彈性階段受力來分析。若有預應力，則把預應力作為外力考慮。

風力對橋梁結構可以構成三種基本振動，即：豎向彎曲振動、側向彎曲振動、扭轉振動，在實際結構物上可能是幾種振動的組合。對風力影響的分析除考慮可能引起破壞的臨界風速外，還應考慮到低風速時的共振。一般分析時都將風的作用分為靜力作用和動力作用兩種情況來考慮。靜力作用中升力的危害性最大，它不僅可將梁向上吸，而且還會產生一個升力矩，導致橋梁側傾失穩和扭轉發散失穩；動力作用包括渦流激振、自激振動及斜拉索的風雨激振,在嚴寒地區還包括結冰拉索馳振。渦流激振還沒有完善的理論方法，主要通過風洞試驗選擇擾動最小的截面型式來減小它的影響。自激振動有兩種：馳振和顫振，后者是主要的，馳振主要發生在斜拉索和非流線形截面的主梁上，顫振主要發生在比較扁平但還不夠扁平的主梁截面上，當風速超過任何一種自激振動的臨界風速時，振幅就會無限擴大而導致橋梁破壞。在大跨斜拉橋的抗風問題上，采用空間索面和流線型斷面主梁后,主梁的顫振穩定性問題已經基本解決,而斜拉索風致振動及控制是至今尚未徹底解決的危害嚴重的問題。風雨激振是一種下雨時才能見到的風振現象，是一種固、液、氣三態耦合的復雜現象，其形成機理仍沒有定論。目前已經進入細致深入研究階段，研究手段主要有現場觀測、風洞試驗（人工降雨試驗和人工水線試驗）和理論分析。目前控制拉索風雨激振的措施有三種：空氣動力學措施、結構措施、機械阻尼措施[1]。

橋梁結構在地震波激勵下的強迫振動是隨機振動，求解結構地震反應的方法主要有三種：靜力法、反應譜法、動力時程分析法。靜力法不考慮地面運動的特性和結構本身的動力特性，慣性力作為靜力作用在結構上，可能會導致對結構抗震能力的錯誤判斷。反應譜法計算結構地震反應首先要計算結構的動力特性和各階振型參與系數，然后按各階振型對某項反應的貢獻程度進行線性疊加，得出這次反應的最大值，這種方法使用簡便，在中、小橋的抗震設計和大跨度橋梁的地震反應估算中應用廣泛,是當前各國規范首推的抗震設計方法。動力時程分析法是直接輸入地震加速度時程，對結構進行地震時程反應分析，計算出一系列離散時間上的結構響應，是公認的精確分析方法。地震發生時,由于行波效應、局部場地效應、部分相干效應的影響，大跨度斜拉橋的地面各支承點所受到的地震波激勵是不一致的，因此，在地震反應分析中必須考慮各支承點的不一致激勵，即非一致激勵問題。國內外對非一致激勵大跨度橋梁的地震反應問題的研究結果表明：對大跨度斜拉橋結構而言,反應譜法只能在初步設計中使用；動力時程分析法盡管計算復雜，但仍然是一種非常適用的分析方法；隨機振動法理論日趨成熟，但離實際工程應用仍有一定距離；一致地震動激勵不能控制大跨度橋梁結構的抗震設計，應該進行非一致激勵下結構的地震反應分析，對帶有減、隔震裝置的大跨度橋梁結構，非一致激勵效應更不容忽視；大跨度橋梁的非一致激勵地震反應分析問題非常復雜，考慮地震動空間變化對結構地震反應的影響是準確評價大跨度斜拉橋抗震性能的重要環節。

時程分析的計算程序很多，如SAP-V程序中的動力分析部分（僅限于線彈性分析）、ADINA和NONSAP程序（可進行空間非線性地震反應分析）、同濟大學研發的NSRAP程序（有多點激勵功能、可進行幾何非線性和材料非線性分析、可考慮樁-土-結構相互作用、有橡膠支座、伸縮縫單元線性和非線性模塊）。

斜拉橋的恒載內力與施工方法和程序密切相關，施工階段隨著斜拉橋結構體系和荷載狀態的不斷變化，結構內力和變形亦不斷變化。因此需要對斜拉橋的每一施工階段進行詳盡的分析驗算，求得斜拉索張拉噸位和主梁撓度、塔柱位移等施工控制參數的理論計算值，并在施工中加以有效的管理和控制。對絕大多數斜拉橋，施工計算采用平面結構分析已能滿足實際架設控制的要求。在分析計算中要考慮斜拉索的非線性影響（用修正彈性模量法）和混凝土收縮、徐變的影響，必要時，還必須對施工過程中最危險的狀態進行抗震抗風驗算，還應單獨計算溫度變化對斜拉橋在不同結構體系狀態下的影響。施工過程的理論計算有倒拆法和正算法，倒拆法是由成橋狀態出發，按照與實際施工步驟相反的順序，進行逐步倒退計算而獲得各施工階段的控制參數。由于倒拆法無法進行徐變計算，因此常用正裝倒拆來迭代計算。正算法是采用與斜拉橋施工相同的順序，依次計算各階段架設時結構的施工內力與位移。正算法常用的計算原則有剛性支承連續梁法和指定應力法。剛性支承連續梁法是在施工過程中及成橋后多次張拉拉索索力，使斜拉橋主梁在恒載狀態下的內力與相應的剛性支承連續梁的內力大體相近。指定應力法常用的有五點（四點）為零法、零彎矩懸拼法，五點（四點）為零法是由剛性支承連續梁法發展而來的，計算原則為主梁懸臂端撓度保持為零，隨后的4（3）個節點的主梁彎矩亦保持為零；零彎矩懸拼法適用于預制塊件懸臂拼裝，新增索力的垂直分力與現安裝預制構件的重力相等，同時通過在主梁的縱向施加預應力使得拼裝面上的彎矩為零。

隨著斜拉橋跨徑的增大，鋼主梁應用的越來越多，鋼斜拉橋的疲勞性能研究也成為重點課題。鋼橋疲勞設計時，疲勞荷載應是其使用壽命期內實際承受的運行荷載的總和，通常以荷載譜的形式來表示。目前對橋梁疲勞荷載問題的處理方法基本有三種：（1）參照外國規范給出的疲勞荷載模型，BS5400、AASHTO、Eurcode等均對疲勞荷載進行了明確規定。（2）數值模擬的方法，即通過交通調查和參數估計，建立疲勞荷載譜，在此基礎上應用Monte-Carlo法產生汽車車型、車輛虛擬車流，再進行影響線（面）加載得到關心構件的應力歷程。（3）由橋梁結構關鍵點監測數據識別疲勞荷載（潤揚大橋、東海大橋主航道段和櫻珠山段）。疲勞壽命預測方法有傳統的疲勞分析方法、基于斷裂力學的分析方法和基于損傷力學的分析方法，目前各國的橋梁設計規范中大部分都采用第一種方法。

4 施工方法及施工控制

斜拉橋的施工方法，除考慮現有的施工技術水平及施工設備、橋址地質、水文等因素外，還應考慮斜拉橋的結構體系、索型、索距和主梁截面型式等。根據斜拉橋的組成部分，可以將斜拉橋的施工分為主梁施工、塔柱施工、斜拉索施工三部分。主梁的施工方法一般采用支架法、懸臂法、頂推法、平轉法。支架法適用于橋下凈空低、搭設支架方便且不影響橋下交通的情況，或跨徑和規模較小的斜拉橋；懸臂法是最常用的，混凝土主梁可采用懸臂澆筑法和懸臂拼裝法，鋼主梁和疊合梁多采用工廠加工制造，現場起吊拼裝；也可在支架上施工邊跨主梁，中跨主梁采用懸臂施工的方法，即單懸臂施工法；頂推法需在跨內設置若干臨時支墩，且在頂推過程中，主梁要反復承受正負彎矩，因此頂推法只適用于橋下凈空較低、修建臨時支墩造價不高、且不影響橋下交通、抗拉和抗壓能力相同、能承受反復彎矩的鋼斜拉橋主梁的施工；平轉法是適用于橋址地形平坦、墩身較矮及結構體系適合整體轉動的中小跨徑斜拉橋，或橋下凈空有較高的通航通行要求無法使用其他方法的特殊情況。塔柱混凝土施工一般采用就地澆筑，模板和腳手平臺常用支架法、滑模法、爬模法或大型模板構件法。

斜拉橋施工控制主要包括兩個方面：（1）根據選定的施工方法對施工的每一階段進行理論計算，求得各施工階段施工參數的理論計算值，形成施工控制文件。（2）針對實際施工過程中由于種種因素所引起的理論計算值與實測值不一致的問題，采用一定的方法在施工中加以控制、調整，以使成橋后結構內力及外形達到設計預期值。施工參數的理論計算采用前述的倒拆法和正算法計算；施工控制應進行應力和變形雙控，變形控制方面主要是控制拉索的長度、索塔的垂直度及主梁的線形等。施工測試包括變形測試、應力測試和溫度測試三方面。變形測試主要是測試主梁的撓度、主梁軸線的偏離和索塔塔柱水平位移的變化情況；應力測試主要是測定拉索索力、支座反力、主梁和塔柱應力在施工過程中的變化情況；溫度測試觀測梁、塔、拉索的溫度及主梁撓度、塔柱位移等隨氣溫和時間變化的規律。施工實踐證明，單純控制索力和標高雖是片面的，但兩者同時控制又很難實施。一般對于采用懸臂施工的斜拉橋，在主梁懸臂架設階段，以主梁標高控制為主，在二期恒載施工時，以索力控制為主，假如主梁剛度較小，則拉索張拉時應以高程測量控制，而當主梁剛度較大或主梁與橋墩固結，施工中就應以拉索張拉力控制，根據標高的實測情況對索力作適當的調整。施工調整的方法有一次張拉法、多次張拉法、設計參數識別修正法、卡爾曼濾波法。一次張拉法是在施工過程中每一根拉索張拉到設計索力后不再重復張拉，對施工中出現的主梁撓度和塔頂位移偏差不用索力調整，而是通過與下一梁段的接縫轉角進行調整，或任偏差自由發展，直至跨中合龍時用壓重等方法強迫合龍；多次張拉法是在整個施工過程中，對拉索進行分期分批張拉，最后達到設計索力，使結構在各施工階段的內力較為合理；設計參數識別修正法是根據施工中結構應力和撓度等的實測值，對斜拉橋的主要參數進行估計，然后把修正過的設計參數反饋到控制計算中，求得新的施工索力和撓度的理論期望值，以此消除理論計算值與實測值偏差中的主要部分；卡爾曼濾波法是以最優終點控制原理為理論依據對斜拉橋進行施工控制和調整，即以撓度預定值作為狀態變量，以索力調整值作為控制變量，以結構內能最小化作為控制指標，代入最優終點控制問題計算程序中，即可求得使撓度達到預定值時應做的索力調整值。卡爾曼濾波法除能簡單有效地控制結構的內力和變形外，還能較正確地預報下一階段結構的表現，該法是一個相當有效的施工控制與調整方法，已在斜拉橋施工中得到廣泛應用。

5 發展與展望

斜拉橋由于其景觀新穎、跨越能力強、設計理論完善、施工技術先進，其發展速度非常迅速。隨著主跨超千米的蘇通大橋和香港昂船洲大橋的建成，我國的斜拉橋建設技術已達到世界領先水平。但是隨著跨徑的不斷增大，超大跨斜拉橋的發展仍然面臨許多技術難題和挑戰，主要有超大跨斜拉橋的結構體系及其力學性能問題；拉索錨固結構的設計及受力分析；輕質、高強、耐腐蝕性高性能材料的開發；大跨斜拉橋抗災性能及措施研究；施工技術的研究和施工過程控制系統的完善等，都需要人們繼續研究和解決。另外，斜拉橋與其他橋型的組合也是一個發展方向，例如斜拉橋與懸索橋的結合，這兩種結構相互協作、優勢互補，適用于大跨徑橋梁。

[1]郭蹦.《斜拉橋設計中拉索抗風問題研究綜述》[J].城市道橋與防洪，2008（8）.