曲線梁斜拉橋的結構特點與設計方法

李 清，曹 峰

（九江市城市規劃市政設計院，江西 九江 332000）

0 引言

斜拉橋是最新型的現代橋梁結構型式，雖然其發展歷史不是很長，但確因為結構受力明確、外形美觀、跨越能力強等特點，被廣泛地應用于公路橋梁和城市橋梁的建設中。隨著橋梁建設技術的發展，即便是如斜拉橋此類重大型橋梁，也能夠適應路線設計的要求，建設成曲線型式的斜拉橋結構，因而，在城市環境的曲線梁斜拉橋結構，因為其獨特的美觀造型、明確的結構受力特性、對地基基礎要求低等特點，被越來越多地設計采用。

曲線梁斜拉橋結構，由于曲線梁顯著的彎扭耦合效應，一般設計成曲線梁矮塔斜拉橋結構體系，梁體的彎扭耦合效應由主梁本身承擔，而斜拉橋輔助梁體結構受力，形成造型美觀的曲線梁矮塔斜拉橋結構。1980年ChristianMenn設計的甘特大橋就是曲線梁矮塔斜拉橋的先驅，該橋梁主跨174m，全長678m，由7塔8跨組成，混凝土箱梁通過預應力混凝土斜拉板懸掛在矮塔上。隨后矮塔斜拉橋結構型式的設計特點被廣泛研究，從而設計出了諸如瑞士SunnibergBridge,威爾士Swansea市的SailBridge等橋梁結構，推進了曲線梁矮塔斜拉橋的設計與應用[1,2]。

本文詳細研究曲線梁矮塔斜拉橋的結構受力特點，分析主梁、拉索、索塔等主要構件的受力特點；其次，指出進行曲線梁矮塔斜拉橋設計的關鍵問題，如主梁的彎扭耦合效應，曲線梁構造對拉索索力影響、對索塔設計要點等；最后總結進行曲線梁矮塔斜拉橋設設計的要點和方法。

1 曲線梁斜拉橋的結構特點分析

曲線梁矮塔斜拉橋集聚了曲線梁橋及矮塔斜拉橋的結構特性，并綜合運用兩者的結構優勢，成為適應道路曲線規劃、景觀需求的極具競爭力的大跨徑橋型之一。首先分析曲線梁斜拉橋的結構特點，包含主梁、拉索和索塔的各自受力特性，分析其與曲線梁橋和矮塔斜拉橋的差異；其后，分析曲線梁斜拉橋結構體系特點及其空間受力行為。

1.1 曲線梁斜拉橋構件受力特性

曲線梁斜拉橋的主梁，最顯著的受力特征是彎扭耦合效應，即梁體在發生豎向彎曲的同時，由于曲率的影響，內外梁體的剛度不同，便會在梁截面形成扭轉的效應，扭轉的同時又會導致梁體的彎曲變形[3]。由于彎扭耦合效應，彎橋的變形要比相同跨徑的直橋要大，同時使得內外梁體在平衡荷載作用下產生不平衡的結構響應。其使用受到一定限制。

曲線梁斜拉橋的斜拉索，起到了彈性支撐主梁的作用，斜拉索的存在豐富了橋梁的施工工藝，懸臂施工技術城市斜拉橋施工建造的重要手段，如果配合斜拉橋進行曲線梁橋的施工，則可以因為拉索的存在，顯著改善曲梁在施工過程中的因為內外梁體重量不一而產生的翻轉傾覆問題，能夠加大橋梁的建設跨徑。同時，斜拉索的存在使得主梁受到彈性支撐作用，明顯加大了原來曲線梁橋的跨越能力。

曲線斜拉橋的索塔，主要受到拉索的空間索力作用，使得其縱向、橫向和豎向都受到顯著的荷載作用。索力縱向分量使得索塔受到縱向彎曲效應，這與常規斜拉橋的索塔受力模式基本相同；索力橫向分量使得索塔受到橫向荷載作用產生橫向屈曲，因此如果采用獨柱索塔需要做成一定傾斜角度，使得橫向荷載轉移為索塔軸力，更多時候索塔設計成框架結構型式，以抵抗橫向受力荷載；索力豎向分析使得索塔承受軸力作用，這與常規斜拉橋的受力特點也是相同的。

1.2 曲線梁斜拉橋體系受力特性

曲線梁斜拉橋的體系受力特點，最典型的就是斜拉索與曲線梁的協同受力模式。斜拉索對曲線梁體的支撐效應見圖1，圖1中顯示了雙塔曲線部分斜拉橋某一對索力產生的分力，水平分分力的大小除與曲率半徑相關外，還與塔柱與主梁軸心線的相對位置有關。研究表明，曲線梁由于本身的彎扭耦合效應，在荷載作用下，主梁由跨中到支座會集聚扭矩，扭矩到支座處便會產生內外支座不同的支反力，嚴重狀況還會產生傾覆。但在曲線部分斜拉橋中，主動施加的斜拉索豎向分力也是彎扭耦合的，可以通過調整內外側索力的大小抵消主梁的彎扭耦合作用。

圖1 曲線梁矮塔斜拉橋索力

曲線梁配合斜拉索同樣改善了一般斜拉橋的相關受力性能，直斜拉橋在豎向平面受力良好，但是橫向平面內，在風荷載作用下，結構的穩定性問題突出。曲線梁在橫向平面內是弧形的，若在梁橋的兩端設置橫向水平支撐，則梁體橫向受力特性近似于“平面拱”，極大提高水平方向的穩定性，改善了橋體結構的橫向靜力與動力響應。

雖然斜拉索的存在改善了曲線梁在施工及運營中的扭矩分布，但是斜拉索并不能直接減少扭矩的大小，當某種荷載施加后，結構只能通過內部的自我調整來減弱彎扭耦合效應，并非每個階段都可以通過斜拉索調整內外梁體的不平衡力，所以，通過有限次的拉索張拉實現結構良好受力狀態變得尤為重要。由于主梁軸線位于平面圓曲線上，斜拉索索面將是一個曲面，索力除了產生豎向和水平分力外，還要產生橫橋向的分力，這將使主梁產生顯著的橫向彎曲，同時塔柱也要承擔橫橋向水平力，該作用隨曲率半徑的減小越來越明顯，使全橋呈現非常明顯的空間受力特性，對于索塔及主梁受力較為不利。

由此可知，斜拉橋是將曲線梁橋往大跨徑方向發展的較好選擇，曲線梁矮塔斜拉橋能夠綜合斜拉橋和曲線梁橋的各自優勢，因此在實際工程中有較多應用。

2 曲線梁斜拉橋設計關鍵問題與方法

曲線梁斜拉橋獨特的結構受力特點，在開展結構設計時就需要明確這些關鍵問題，并開展針對性的設計，滿足結構受力安全與長期使用性能的要求[4]。

2.1 構件設計要求與方法

首先，曲線梁斜拉橋的主梁是曲線型式，具有非常顯著的彎扭耦合效應，因此主梁的設計構造應該按照曲線梁的主梁設計方法開展，最好設計成能夠抵抗彎矩和扭矩的箱梁結構型式，提高整體斷面的受力穩定性；

斜拉索采用空間索面結構型式，由于斜拉索對于主梁的作用會產生橫向彎曲，需要考慮曲梁的曲率特點選擇拉索的布置間距，使得斜拉索索力橫向分力作用下曲梁的面內受力呈現拱的受力特點；

索塔相對于常規斜拉橋的典型差異是橫向彎曲，因此盡量將索塔設計成能夠抵抗彎矩作用的橋梁型式。當結構跨徑不大時可以采用獨柱式索塔，并在橫向設計成一定角度的傾斜，使得水平力和豎向力的合力與索塔傾斜角度相同，這樣能夠保證索塔基本承受軸向荷載作用。當結構跨徑很大時，則應該設計成橫向聯系的框架索塔結構型式，能夠最大程度抵抗索力作用下的索塔橫向彎曲問題。

2.2 斜拉索與曲線梁的空間配置

在常規半徑和跨徑范圍內，曲線梁外弧自重大，內弧自重小，會產生繞形心的扭轉，且自重極度在縱橋向沿弧形分布，又將產生繞支承線的扭轉效應，曲線外側的支反力增大、內側支反力減小，主梁承擔彎矩及扭矩共同作用，稱之為彎扭耦合效應。

斜拉索的存在能夠調整內外梁的受力問題，顯著降低彎扭耦合效應對主梁的影響，因此主梁結構可以設計成輕巧型，但需要考慮斜拉索橫向分力作用下對曲線梁的面內受力。因此，需要根據曲線梁的跨徑及曲率，設計適宜的斜拉索布置間距和成橋索力，使得主梁的受力變得穩定，提高其橫向屈曲和豎向屈曲的穩定系數。

2.3 塔梁墩連接體系的設計

曲線梁矮塔斜拉橋的約束體系選擇，是影響結構整體空間受力行為的一個重要問題。從塔、梁、墩的聯結上來看，矮塔斜拉橋的塔梁墩連接體系主要有以下塔墩固結、塔梁固結和固結體系三種，見圖2。

圖2 塔梁墩連接方式

塔墩固結體系：該體系塔墩固結而塔梁分離，可看作是具有多點彈性支承的連續梁，由于有豎向支承，塔柱處主梁有峰值負彎矩，溫度和收縮徐變內力大，設計中需要校核這些因素的影響程度；該體系的優點是索塔與橋墩的受力特點明確、設計簡單。

塔梁固結體系：該體系塔、梁固結，主梁支承在橋墩上，也可視為具有多點彈性支撐的連續梁，該體系的特點是塔墩處的彎矩可降低，而且可減小主梁的軸向拉應力。但是主梁在墩頂處的轉角位移會導致塔柱的傾斜，使主梁跨中的撓度和邊跨的負彎矩顯著增大，對結構受力不利，另外還需設置大噸位的支座，以支承上部結構的恒載、活載反力。

固結體系：該體系斜拉橋的特點是主梁、塔柱、橋墩三者互為固結，實際上形成了多點彈性支承的剛構體系，這種斜拉橋體系與塔梁固結體系相比，可以免除大型支座，而且結構的整體剛度很大，使主梁的撓度減小，該體系若采用雙塔形式則溫度應力較大，所以這種體系比較適合獨塔或墩高較大的情況。塔梁墩固結體系斜拉橋一個最大的特點是主梁在固結處的負彎矩較大。

需要根據實際橋梁設計需求，如主梁跨徑、曲率半徑、索塔選型等，選擇上述幾種連接體系。

3 結語

隨著我國橋梁建設技術的發展，以及景觀設計的重要性，各種組合構造型式的橋梁越來越被設計者青睞，曲線梁斜拉橋就是典型案例。論文詳細分析了曲線梁斜拉橋的結構受力特點，包括其主要組成構件：曲線梁、斜拉索、索塔的受力特性及其與常規斜拉橋的差別，其次研究了曲線梁斜拉橋的體系空間受力行為。最后，總結了曲線梁斜拉橋關鍵設計問題及方法，包括構件的設計選型、斜拉索與曲線梁配置、塔墩梁連接體系設計等。相關研究經驗和設計要點總結，可以為曲線梁斜拉橋的設計實踐提供參考。

參考文獻：

[1]朱琴忠,王立新,高波,等.曲線梁部分斜拉橋空間性能分析研究[J].城市道橋與防洪,2013(7):291-294.

[2]劉康.曲率半徑與塔高對混凝土曲線斜拉橋靜力特性的影響分析[D].四川成都:西南交通大學,2017.

[3]劉兆光,胡盛.曲線梁橋設計的若干問題探討[J].公路,2012(5):197-201.

[4]劉立民.曲率半徑對曲線矮塔斜拉橋的影響分析[J].公路交通科技(應用技術版),2015(5):62.