组合梁斜拉桥的技术发展

闫 旭

（安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 发展概况

组合梁斜拉桥的发展与组合结构及斜拉桥的发展密不可分，是两者均发展到一定的阶段后相互结合的产物。在组合结构方面，20世纪30年代焊接技术的发明，为真正意义上组合结构的发展创造了有利的条件。20世纪30年代至60年代为欧美、日本等国家组合结构的前期实践阶段。70年代，组合结构联合委员会，总结了20世纪60年代组合结构发展中所取得的经验，编制了组合结构模范准则，作为各国编制规范时的指导性文件，进一步促进了组合结构桥梁的发展。在斜拉桥方面，1956年，由Dischinger设计主跨183 m的瑞典Stro..msund桥建成，拉开了现代斜拉桥发展的序幕。该桥主梁是将混凝土板搁置在钢主梁的上翼缘，但混凝土行车道板仅承受车轮的局部荷载，并不参与主梁的总体受力。

现代组合梁斜拉桥的概念是在1980年由德国著名桥梁专家莱翁哈特（Leonhardt）教授在弗洛里达州跨越坦帕（Tampa）湾的日照桥（Sunshine Skyway）投标方案中提出的[1,2]。现代组合梁斜拉桥的基本特征有如下两个方面：（1）采用剪力焊钉使桥面板与钢梁形成整体共同受力，使加劲主梁成为真正意义上的组合结构；（2）采用等于梁段长度的密索距，使斜拉桥本身具备了现代斜拉桥的一般特征。这座桥的设计理念随后用于加拿大的安娜西斯（Annacis）桥，该桥在1986年以465m的主跨保持了当时的世界纪录。

组合梁斜拉桥与钢斜拉桥相比，由于利用混凝土受压，主塔附近加劲梁的抗压性能得到改善；桥梁抗弯与整体刚度加大；增大了桥面局部刚度，很好地解决了钢箱梁钢桥面疲劳及桥面铺装易损坏的问题。与混凝土斜拉桥相比，则具有自重较轻、结构静力性能较为稳定等优点。因此，组合梁斜拉桥在世界范围内得到了广泛的应用。

2 结构形式与特点

2.1 约束体系

钢-混组合梁应用于桥梁工程中要解决的一个重要课题就是处于负弯矩区的混凝土板如何承受拉应力，防止发生有害裂缝的问题。在组合梁斜拉桥中常选用塔墩固结、塔梁分离的飘浮、半飘浮体系。

半飘浮体系在塔墩处加设了两个竖向支座，对主梁的平面和空间位移增加了约束，对结构静力反应影响很小，仅对主塔附近局部区域主梁弯矩有一定影响，所以只需局部加强支承区段的主梁断面。事实上，目前工程实践中已经出现了取消塔梁交界处支座的趋势。

飘浮体系塔墩固结、塔梁分离，主梁除边墩、辅助墩处有支承外，其余全部由拉索作为支承，成为在纵向可稍作浮动的具有多点弹性支承的梁。在满载时，由于全长跨内没有竖向支承，塔柱处主梁不出现负弯矩峰值；温度及混凝土收缩、徐变内力均较小；在密索情况下，主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力较均匀，而且拉索的拉力也能均匀分布，能较为有效地解决边跨斜拉索的松弛问题[1]。

公路组合梁斜拉桥可采用全飘浮体系，而对铁路组合梁斜拉桥而言，由于对变形及振动有更高的要求，采用全飘浮体系是否合适，值得怀疑[3]。

塔梁墩固结体系除独塔斜拉桥以外应用较少，加拿大Golden Ears桥[4]为四塔五跨双索面组合梁斜拉桥，则采用了该体系，见图1。

图1 加拿大Golden Ears桥

2.2 主梁型式

组合钢板梁用于斜拉桥在世界各地有很多实例，其中，采用两片工字形钢主梁与横梁形成梁格系，翼板上设置焊钉连接件与混凝土板结合形成整体，是最典型的一种。

1991年，上海市建成的南浦大桥是我国第一座钢-混凝土组合梁斜拉桥。该桥借鉴了加拿大的安娜西斯（Annacis）桥和美国贝当桥（Baytown）的实践经验，在桥面板抗裂等方面做了改进。其后，杨浦大桥、青州闽江大桥、哈尔滨四方台大桥、重庆观音岩长江大桥、武汉二七长江大桥等均采用这种形式。其中，上海杨浦大桥[5]建成时为斜拉桥跨径的世界之最。

组合钢板梁斜拉桥一般采用实腹式横梁，英国塞文二桥标准横梁为桁架结构，可取得更优的经济性能，见图2。

图2 英国塞文二桥桥面系

2005年，我国建成的东海大桥主航道桥[6]首次采用了钢箱组合梁斜拉桥的结构型式，随后曹妃甸工业区1#桥[7]亦采用该主梁型式。西班牙Escaleritas斜拉桥[8]采用圆弧箱形组合梁型式，台州市椒江二桥[9]主梁则采用了半封闭双箱组合梁。

Himi Yume桥是世界上第一座波形钢腹板PC主梁矮塔斜拉桥[10]，见图3。与普通的混凝土箱梁相比，波形钢腹板PC主梁的自重可减轻25%～30%。目前，建设中的南昌朝阳大桥也采用了类似的主梁型式。

图3 Himi Yume桥

2.3 索面布置

组合梁斜拉桥可采用单索面、双索面、四索面等多种布置型式，其中单索面往往与箱型组合梁配合使用，双索面则可与钢板、钢箱、钢桁组合梁配合使用。

香港汀九桥[5]（见图4）主梁使用四索面斜拉索承托，大大缩减了主梁的横向跨距。扁平的主梁及其边缘设置的整流罩有助于提升桥梁的抗风稳定性（通航净高61 m，设计风速80 m/s阵风、50 m/s平均风速）。美国弗雷德·哈特曼桥（Fred Hartman Bridge）[10]（见图5），采用分离式主梁满足了整个结构体系的空气动力学要求（最大设计风速在桥面处为 71 m/s）。

图4 香港汀九桥

图5 美国弗雷德·哈特曼桥

两座桥虽均为四索面斜拉桥，但桥面系略有不同。由于汀九桥采用独柱型塔，为抵抗单幅桥拉索的横向水平分力，分幅桥面需用横梁相联系。哈特曼桥两幅桥面则完全分离，仅主塔、基础横向共同受力。

3 施工技术

组合梁斜拉桥桥面一般采用悬臂拼装方式施工。钢主梁、横梁和预制混凝土板都可采用小构件，易于运输和安装。钢梁现场焊接或栓接，预制混凝土板现场湿接头连接。但是，搁置桥面板的搭接处易成为耐久性的薄弱环节，而先在钢梁节段上浇筑混凝土桥面板，再进行钢混组合整体节段安装的工艺较好地解决了钢混结合面的耐久性问题，当然，这个工艺的不足是影响钢混两种材料充分发挥各自优势性能，并对施工机具要求相对较高。希腊里翁-安蒂里翁桥[11]即采用了该工艺，如图6所示。

较小跨径的组合梁斜拉桥可采用支架法施工，另有组合梁斜拉桥采用顶推法施工。法国塞塞勒桥（Seyssel Bridge）采用了主梁与辅助主塔拼装后一起顶推的施工工艺，后续建造的米劳高架斜拉桥（Millau Viaduct）将顶推施工方法推进到世人瞩目的新高度。

图6 希腊里翁-安蒂里翁桥节段施工

4 技术动态

4.1 主梁型式多样化

最近，有日本学者提出一种新型组合梁斜拉桥加劲梁型式[12]，以钢管混凝土代替工字形钢梁或箱形钢梁，方案构思详见图7。

图7 钢管混凝土主梁斜拉桥方案

西南交通大学莫时旭在其博士论文[13]中提出了钢箱-混凝土主梁斜拉桥的设计构思，根据主梁的受力特点确定在钢箱中全截面填充混凝土、部分截面填充混凝土、不填充混凝土。

另外，有学者提出了FRP-混凝土组合桥面板主梁斜拉桥的设计构思[14]。该种桥面板自重约为钢筋混凝土桥面板的70%，因此，其在斜拉桥中的应用可显著提高斜拉桥上、下部结构的经济性能。

4.2 跨径发展

目前，世界上最大跨度组合梁斜拉桥为福州青洲闽江大桥，跨度为605 m，其次为杨浦大桥的602 m。更大的跨度采用开口截面组合梁，但因受其自身抗扭刚度所限，不能适应抗风要求而难以突破。组合钢板梁斜拉桥能适应700 m的主孔跨度，这已为多个工程所证实。但是，认为超过700 m的斜拉桥应当选择钢桥面型式，是基于传统钢板组合梁抗风性能不足而得出的。箱型截面组合梁可弥补开口截面组合梁的不足，东海大桥主航道桥最先采用箱型截面组合梁建成了主跨420 m斜拉桥，目前即将建成的椒江二桥主航道斜拉桥也采用钢箱组合梁，其跨度为480 m。这些桥梁在满足抗风需求的同时展现了技术经济优势。因此，组合梁斜拉桥最大跨度有望进一步提高是显而易见的。

随着斜拉桥相较悬索桥适用范围的不断扩大，组合梁斜拉桥相比钢斜拉桥的适用范围也需重新界定。700 m以上特大跨径组合梁斜拉桥方案时有提出，相信在不久的将来会有所突破。

5 结语

组合梁斜拉桥出现至今已有30多年的历史，随着组合结构及斜拉桥的不断发展，组合梁斜拉桥的实践也在不断深入，并在桥梁技术与经济等方面展现了良好的竞争力。当前，人们对组合梁斜拉桥的研究主要集中于关键部位的受力特性、合理成桥及施工状态的确定、几何及材料非线性影响，以及结构稳定、动力特性、可靠度、全寿命的合理构造等方面。在工程实践方面，随着计算分析理论与方法的进步、结构的改进与新结构的推出，以及新材料与施工方法的发展，组合梁斜拉桥在不同的跨度领域与不同的结构和桥型形成竞争。所有这些努力将使组合梁斜拉桥的设计与施工更趋合理、经济、耐久。

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