大跨度橋梁結構體系設計優化

李 龍 胡湘艷 劉 鵬 郭紅鑠

(湖南交通工程學院 交通運輸工程學院，湖南 衡陽 421001)

20世紀30年代以來，隨著社會發展的需求，世界上大跨徑橋梁建設發展突飛猛進。不同橋型大跨徑橋梁的發展，日益被各國橋梁界人士所關注。20世紀90年代以來，隨著世界經濟和科學技術的高速發展，大跨度橋梁的建設出現了前所未有的高潮，大跨度橋梁在公路交通中的角色越來越重要。懸索橋的最大跨徑已經達到1991m(日本明石海峽大橋)，斜拉橋的最大跨徑達到1104m(俄羅斯島大橋)。而限制橋梁發展的一個原因就是結構體系設計問題，而不斷增多的大跨度橋梁工程數量致使其結構形式逐步向多樣化、復雜化發展。但隨著大跨度橋梁使用年限的增長和運輸量的增多，導致橋梁結構出現了或多或少的問題，結構優化問題越發突出。因此，必須對大跨度橋梁結構實行優化設計，進而避免相關質量問題及安全問題的出現，促進我國交通事業的平穩發展。本文針對大跨度橋梁結構體系模型進行設計，對傳統結構模型進行優化，設計出跨度大，結構安全的橋梁模型，對橋梁結構的發展具有重要的指導意義。

1 大跨度橋梁發展現狀

我國幅員遼闊、地形復雜，隨著經濟和科技的發展，對大跨度橋梁的需求也日益凸顯，現如今大跨度橋梁技術比較成熟，橋梁跨越能力越來越強，比如矮寨特大懸索橋，主跨為1176m的跨峽谷大橋；武漢楊泗港長江大橋，主跨跨徑1700m，為世界最大跨度雙層公路懸索橋；蘇通大橋，主跨跨徑1088m，是世界位居第二大跨徑斜拉橋；重慶朝天門長江大橋，主跨552m，為世界第一大跨徑拱橋。以及正在建設的南京仙新路大橋，主跨跨徑1760m的單跨懸索橋；常泰過江通道，為世界上首座一橋三用的過江通道，集六車道高速公路、城際鐵路和一級公路于一體，橫跨長江的主航道橋主跨長達1176m，將成為世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋。由此可以看出目前大跨度橋梁主要是懸索橋、斜拉橋、拱橋，這三種橋型跨越能力強，技術較為成熟。限制大跨度橋梁進一步發展主要有兩個因素：一是輕質、高強的新型材料；二是橋梁結構體系優化更新。但是新材料的開發利用仍舊不能滿足大跨度橋梁的需求，所以大跨度橋梁的進一步發展，需要對橋梁結構體系進行優化，設計出更加穩定合理的結構體系。

2 大跨度橋梁結構模型設計

2.1 斜拉-拱橋

斜拉-拱橋根據斜拉橋、拱橋各自的有點進行設計，其結構模型如圖1所示。

(a)斜拉橋

(b)拱橋

(c)斜拉-拱橋圖1 斜拉-拱橋的結構模型

索-拱結構最初應用在一些建筑中，比如體育館等，近幾年隨著大跨度橋梁的發展，索-拱結構開始出現在橋梁結構中。拉索是一種輕質、高強的柔性結構，只能承受拉力作用，抗震性能相對較差；拱結構以受壓為主，拱腳水平推力較大，對地基基礎要求較高。斜拉-拱橋充分發揮兩種結構的優勢，且能夠彌補彼此的缺點，揚長避短，造型優美。斜拉-拱結構與單斜拉、拱結構相比，由于拉索與拱相連，通過控制拉索的水平傾角以及預應力調整拱結構中的壓力和最大彎矩，使主梁內力分布更均勻合理，從而可以降低拱肋的橫截面積，降低結構自重，使結構具有更好的穩定性與剛度，充分利用了索受拉、拱受壓的結構特性，結構更加合理，跨越能力增大。

斜拉-拱橋在我國橋梁中已有應用，例如湘潭蓮城大橋(湘江四橋)(圖2)采用了雙索斜拉-飛燕式鋼管混凝土拱橋橋型，主拱采用中承式雙肋無鉸平行拱，斜拉索以扇形布置。主拱圈的作用提高了斜拉橋的剛度，拉索內力減小，降低索塔高度；而索塔既能傳遞拉索內力，突破傳統飛燕式拱橋的造型，又能在施工過程中作為纜索吊塔和扣索塔架使用；通過調整斜拉索的預張力，可以調整拱圈軸線減小拱圈壓力、彎矩以及拱腳的水平推力。

圖2 湘潭蓮城大橋(湘江四橋)

2.2 斜拉-懸索橋

斜拉-懸索體系橋梁顧名思義是由斜拉橋和懸索橋組合而成的橋梁，主要由主纜、吊桿、加勁梁、斜拉索、主塔、副塔以及基礎等組成。斜拉-懸索體系的研究由來已久，從1883年約翰·埃·羅勃林提出羅勃林體系開始，斜拉-懸索體系橋梁經歷多次修正，具有代表性的主要有羅勃林體系、狄辛格體系、修正的狄辛格體系、斯坦因曼形式、林同炎形式、吉姆辛形式以及斜拉-自錨式懸索體系。

近年來，學者們更熱衷于研究斜拉-自錨式懸索體系的應用。斜拉-自錨式懸索體系橋梁主跨一定范圍內為懸吊結構，橋面荷載由吊桿傳遞給主纜，再由主纜傳遞給主塔以及基礎，同時部分橋面荷載由拉索傳遞給主塔和基礎，故與同跨徑橋梁相比，主纜相對較短，內力減小，降低錨碇混凝土用量以及主塔高度。所以，采用自錨式斜拉-懸索體系可以降低工程造價，懸臂施工段縮短，增加結構剛度和抗震、抗風穩定性，施工安全性能提高，跨越能力明顯增強。

現在大多數斜拉-懸索橋仍處于理論研究階段，當然也有部分橋梁提出斜拉-懸索體系并被采納，比如大連莊河市建設大橋(圖3)、漢中龍崗大橋(圖4)均采用了自錨式斜拉-斜拉體系橋梁。

圖3 大連莊河市建設大橋模型

圖4 漢中龍崗大橋模型

2.3 懸索-拱橋

1992年我國學者初醒悟在全國橋梁結構學術大會首次提出懸索-拱橋的構想，并對其靜力位移、低階固有頻率、振型等各方面進行了分析。

懸索-拱橋以懸索和拱圈作為主要受力結構(圖5)，拱圈為承壓的剛性結構，懸索為受拉的柔性結構，故由懸索承擔橋面結構的一期荷載，拱圈承擔橋面結構的二期荷載和活載，二者共同作用，具有造型優美、剛度大、穩定性強、跨越能力大等特點。在采用懸臂法或者轉體法進行施工時，需要在拱座設立較高的索塔，由于拱腳會產生較大的水平推力，所以往往需要設置錨固于邊跨端部的水平系桿，若將系桿轉換成自錨于邊跨端部的懸索結構，不僅可以平衡一部分拱腳的水平分力，還可以承擔一部分橋面豎向荷載，所以結構的跨越能力顯著增強。

圖5 懸索-拱橋

張家口通泰大橋(圖6)是世界上跨度最大的下承式鋼結構懸索拱橋，也是國內第一例主梁為下承式鋼結構懸索拱橋。

圖6 張家口通泰大橋

2.4 穩定型懸索橋

由于主纜為柔性結構，所以懸索橋存在穩定性差、變形大的缺點，因此有學者在普通懸索橋的基礎上在橋面下方增加了由倒張索和拉桿組成的倒張結構，稱為穩定性懸索橋(圖7)。由于倒張索與主纜結構中的預張拉力方向相反，所以穩定型懸索橋形成了預張拉結構，整體穩定性和剛度均有所提高。在設和施工中，可以通過調整倒張索的預張拉力對結構受力進行優化，由于穩定性懸索橋不再需要依靠結構自重所產生的重力剛度來維持橋梁的整體穩定性，因此與普通懸索橋相比可以通過優化加筋梁減輕橋面自重，節省造價。

圖7 穩定性懸索橋

3 結 語

綜上所示，大跨度橋梁體系也在不斷更新優化，研究理論也在不斷完善，但大多數仍處于理論研究階段，但隨著技術的不斷完善以及我國經濟與科技發展的需要，這些結構體系終將在未來的橋梁建設中大放光彩，促進我國橋梁建設的進一步發展。