斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀及常見問題淺析

1、斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀及常見問題淺析徐燈飛夏德俊(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院四川成都611756莊晴(內(nèi)江師范學(xué)院四川內(nèi)江641112摘要:本文主要論述了斜拉橋在近些年發(fā)展建設(shè)中取得的成就,分析了斜拉橋在結(jié)構(gòu)、布置、選材和審美方面,以及簡(jiǎn)單介紹了斜拉橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工建設(shè)方面遇到的難題及采取的必要措施。斜拉橋因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和審美上優(yōu)勢(shì),以及大量的建設(shè)嘗試和研究,斜拉橋以后勢(shì)必還會(huì)有更大的發(fā)展。關(guān)鍵詞:斜拉橋;布置形式;橋梁結(jié)構(gòu)體系;斜拉橋?qū)徝酪?我國斜拉橋建設(shè)取得的成就自1979年建成的第一座斜拉橋主跨只有76米云陽橋以來,經(jīng)過30多年的飛速發(fā)展,現(xiàn)今我國斜拉橋無論是在規(guī)模和跨度方面,還是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技

2、術(shù)都取得了巨大的成就。目前我國已經(jīng)是世界上斜拉橋數(shù)量最多、跨度最大的國家。2008年建成的蘇通大橋全長(zhǎng)1088米,成為世界上最長(zhǎng)的斜拉橋,這也是我國歷史上工程規(guī)模最大、建設(shè)條件極為復(fù)雜的特大型橋梁工程。目前我國已經(jīng)建成的世界級(jí)的大跨度斜拉橋還有:2005年建成的南京長(zhǎng)江三橋,是國內(nèi)第一座鋼塔斜拉橋,也是世界上第一座弧線形鋼塔斜拉橋; 2009年香港建成的雙塔斜拉橋昂船洲大橋,主跨長(zhǎng)1018米,為世界第二長(zhǎng);2010年建成的鄂東長(zhǎng)江大橋,主橋主跨為926米,位居混合梁斜拉橋世界第二位等等.我國斜拉橋的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也已經(jīng)跨入世界的先進(jìn)行列,并取得了顯著的成績(jī):(1斜拉索制造工藝實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化和工廠

3、化及防護(hù)技術(shù)不斷完善;(2斜拉橋的施工技術(shù)逐步完善;(3用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工過程控制等。目前我國的斜拉橋正在向新型結(jié)構(gòu)、大跨度、輕質(zhì)和美觀等方向發(fā)展,以更好的適應(yīng)交通、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全的要求。二.斜拉橋整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)斜拉橋又稱為斜張橋,是用許多拉索將主梁直接拉在橋塔上的一種組合受力體系的橋梁,其主體結(jié)構(gòu)由斜拉索、索塔、主梁組成。在斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中,索塔主要是承壓,斜拉索受拉,梁體主要承受彎矩,外荷載主要由主梁和斜拉索承受,并由斜拉索將受力傳遞給索塔。主梁由一根根拉索拉起,等于在梁內(nèi)設(shè)置了許多支撐點(diǎn),可以將其看作由拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁,這種結(jié)構(gòu)能夠非常有效的減小梁體內(nèi)彎矩,從而降

4、低主梁的高度,減輕結(jié)構(gòu)重量,節(jié)省建筑材料,有利于斜拉橋向大跨度方向發(fā)展。斜拉橋相對(duì)懸索橋有較大的剛度,在抵抗風(fēng)載、地震、豎向活載的作用方面有優(yōu)勢(shì)。三.斜拉橋的布置:1.斜拉橋整體布置:常見的布置形式有:獨(dú)塔雙跨式、雙塔三跨式和多塔多跨式。(1相對(duì)于雙塔三跨式,獨(dú)塔雙跨式斜拉橋主跨徑較小,而且常采用雙跨不等的非對(duì)稱形式,使結(jié)構(gòu)整體受軸向力為主,以充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢(shì),這種布置形式在跨越中小河流和城市通道中較常用;(2斜拉橋布置成雙塔三跨式時(shí),具有較大的主跨徑,并便于通航、簡(jiǎn)化計(jì)算、方便施工,因此在大跨度橋中最為常見,適用于跨越海峽和寬度較大的河流、峽谷等。雙塔三跨橋一般布置成對(duì)稱結(jié)構(gòu),而且要調(diào)整好

5、邊跨和主跨的比例,這對(duì)于審美和控制整體剛度及拉索應(yīng)力有很大非常有利;(3多塔多跨式斜拉橋現(xiàn)在已經(jīng)很少采用,因?yàn)檫@種形式的橋中間塔頂處沒有端錨索來有效的限制其變位,采用多塔多跨式會(huì)使結(jié)構(gòu)的柔性增大,對(duì)抗風(fēng)不利。2.索塔索塔常見布置形式有:獨(dú)柱式、A字形、倒Y形、H形等。索塔的形狀和高度對(duì)審美、結(jié)構(gòu)剛度及整體穩(wěn)定性都有很重要的作用。索塔受力比較復(fù)雜,必須保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度。索塔的形式必須適合于拉索的布置,使傳力簡(jiǎn)單明確。主塔高度的決定應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況、主跨跨度、所選主塔的形狀、主梁截面形式以及景觀要求等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。3.斜拉索斜拉索常見的布置形式有:單索面、豎向雙索面和斜向雙索面。單索面應(yīng)用

6、較少,因?yàn)椴捎脝嗡髅媸抢鲗?duì)結(jié)構(gòu)抗扭不起作用,主梁需要采用抗扭剛度大的截面。采用雙索面時(shí),拉索的軸力可以抵抗較大的扭矩,所以主梁可以采用抗扭剛度較小的截面,而且雙索面對(duì)橋體抵抗風(fēng)力扭振非常有利,因此雙索面在大跨度斜拉橋中已經(jīng)成為主要的形式。4.主梁主梁常見的截面形式有:板式截面和箱形截面。主梁截面選取主要由斜拉索的布置形式和抗風(fēng)穩(wěn)定性情況所決定。板式截面的主梁構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工方便,一般適用于雙索面斜拉橋。箱形截面梁有抗彎、抗扭剛度大、收縮變形較小等特點(diǎn),能適應(yīng)許多不同形式的拉索布置,對(duì)懸臂施工非常有利,而且可以部分預(yù)制、部分現(xiàn)場(chǎng)澆筑,為施工方案提供了多種選擇,因此箱形截面主梁逐漸成為現(xiàn)代斜拉橋中

7、經(jīng)常采用的形式。另外,主梁按材料可以分為:預(yù)應(yīng)力混凝土梁、剛混凝土組合梁、鋼主梁和混合式梁。三.橋梁結(jié)構(gòu)體系斜拉橋結(jié)構(gòu)體系按塔、梁、墩的結(jié)合方式可分為漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系,這種體系的劃分,對(duì)復(fù)雜多變的斜拉橋結(jié)構(gòu),給出了十分簡(jiǎn)單明確的概念,大大方便了斜拉橋的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。(1漂浮體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是塔墩固結(jié)、塔梁分離,這種體系當(dāng)主跨滿載時(shí),在塔柱處主梁截面無負(fù)彎矩峰值。但在懸臂施工時(shí),為抵抗不平衡彎矩和剪力,塔柱處主梁應(yīng)臨時(shí)固結(jié)。這是目前我國大跨斜拉橋大多采用的。(2半漂浮體系,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是塔墩固結(jié)、主梁在塔墩上設(shè)有豎向支撐。墩頂設(shè)置可調(diào)高度的支座可消除大部分收縮、徐變產(chǎn)生的不利

8、影響。(3塔梁固結(jié)體系特點(diǎn)是將塔梁固結(jié)并支承在橋墩上。這種結(jié)構(gòu)可以減小主梁中央段承受的拉力,同時(shí)塔和梁受溫度應(yīng)力影響小,但這種結(jié)構(gòu)受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的跨中撓度和邊跨負(fù)彎矩,并且動(dòng)力性能不太好,對(duì)抗震和抗風(fēng)不利,不宜在大跨橋梁中應(yīng)用。(4鋼構(gòu)體系的特點(diǎn)是塔、梁、墩相互固結(jié),形成跨度內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不需要大型支座,同時(shí)結(jié)構(gòu)的剛度比較大,主梁撓度較小。其缺點(diǎn)是鋼構(gòu)體系動(dòng)力性能差,主梁固結(jié)處負(fù)彎矩較大。這種體系適合于獨(dú)塔斜拉橋。四.斜拉橋?qū)徝罉蛄鹤鳛榻煌ㄟ\(yùn)輸?shù)囊徊糠?給我們帶來了極大的便利,突出體現(xiàn)了其實(shí)用價(jià)值,同時(shí)橋梁不同造型還能帶給我們不同的美觀感受,激發(fā)了人們的廣泛關(guān)注和欣賞的熱

9、情。斜拉橋具有輕巧簡(jiǎn)潔、連續(xù)流暢和強(qiáng)勁力感等特點(diǎn),顯示出了巨大的藝術(shù)魅力。斜拉橋設(shè)計(jì)中必須注意必須注意橋體與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。斜拉橋由高聳挺拔的索塔、排列有致的拉索、筆直延伸的主梁組合而成,無形中給人一種氣勢(shì)磅礴,蒼勁有力的美感。設(shè)計(jì)中要學(xué)會(huì)根據(jù)環(huán)境合理選擇橋體的顏色,主塔的布置位置等,將橋梁的特色美融入環(huán)境中。斜拉橋在結(jié)構(gòu)上要比例協(xié)調(diào)并且穩(wěn)定均衡。要合理設(shè)計(jì)斜拉橋的高跨比和索塔的布置形式,在安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上追求美觀。布置勻稱合理的斜拉索能把主塔挺拔高聳的輪廓和主梁平直延伸的線條緊密聯(lián)系為一體,從而體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)美和曲折美。不同的塔身會(huì)給人以不同的視覺享受,獨(dú)柱式和A字式給人以高聳如云

10、,巍峨獨(dú)立的氣勢(shì)美;寶石形和倒Y形配合斜拉索的線條給人以韻律美。五.斜拉橋中的問題及常用措施:1.主梁中的軸力過大問題。斜拉索的水平分力會(huì)使主梁內(nèi)產(chǎn)生較大軸力,一方面提高了梁的抗裂性能,但另一方面施工時(shí)主梁根部軸力過大時(shí),主梁會(huì)有縱向、橫向的壓屈和失穩(wěn)危險(xiǎn),因此當(dāng)跨度很大時(shí)必須設(shè)臨時(shí)墩以減少伸臂長(zhǎng)度。2.斜拉索的應(yīng)力大小的控制。通過調(diào)節(jié)斜拉索的預(yù)應(yīng)力大小可以控制主梁內(nèi)的應(yīng)力分布,但斜拉索的應(yīng)力大小的控制是個(gè)難點(diǎn),需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計(jì)算以確定斜拉索的內(nèi)力大小,特別是當(dāng)拉索過長(zhǎng)時(shí),由于斜拉索的非線性影響,將大大增加梁、塔的彎矩,因此需要對(duì)斜拉索的非線性動(dòng)力性能按空間體系進(jìn)行分析研究。3.斜拉橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)計(jì)算和施工控制復(fù)雜。結(jié)構(gòu)計(jì)算需要采用有限元并且要用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算。橋梁及軟件專家已經(jīng)研究出了斜拉橋靜力分析、非線性靜力分析以及自動(dòng)調(diào)索施工控制等專用程序。4.超大跨斜拉橋的抗震、抗風(fēng)性能。當(dāng)跨度很大時(shí),斜拉橋受活載、地震、風(fēng)等作用的影響非常大,此時(shí)需采用許多必要措施:斜拉橋結(jié)構(gòu)宜采用全漂浮體系,塔、梁采用對(duì)稱的彈性約束體系,拉索安裝阻尼裝置等。當(dāng)然斜拉橋還存在許多其他問題,如拉索錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及受力計(jì)算、新