斜拉桥技术发展综述

高 金

(上海勘测设计研究院建筑市政分院，上海市200434)

1 概述

斜拉桥是由上部结构的主梁、拉索和索塔及下部结构的桥墩、桥台四种基本构件组成的组合体系桥梁，在受力上以主梁受轴向力、拉索受拉和索塔受压为主。

斜拉桥的构思可以追溯到17世纪，但由于受当时科技水平的限制，在三百多年的漫长岁月中没有得到很大发展，又因为19世纪20年代前后修建的几座斜拉桥的坍塌事故，使斜拉桥的发展在相当长一段时期内处于被遗弃的状态。20世纪30年代，德国工程师Dischinger研究设计了第一座现代斜拉桥——跨径74.7 m+183.0 m+74.7 m的新斯特雷姆伍特Stroemsund桥，于1955年在瑞典建成。接着，1957年德国杜塞尔多夫建成了杜塞尔多夫北莱茵河桥，跨径组成为108m+260m+108 m，它们都采用稀索和钢主梁结构，这是早期现代斜拉桥的共同特点，从此斜拉桥得到迅速发展。1962年委内瑞拉建成的马拉开波桥是第一座现代混凝土斜拉桥，跨径布置为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桥，至今仍保持着混凝土斜拉桥的最大跨径纪录。

斜拉桥在我国的发展始于1975年四川省云阳县跨径76 m的钢筋混凝土斜拉桥，在取得了设计和施工经验之后，全国各地开始修建斜拉桥。1991年建成的423 m跨度的上海南浦大桥，标志着中国在斜拉桥设计和施工方面已进入世界先进水平。截至2011年，国内已经建成的400 m以上跨度的斜拉桥有30余座，最具代表性的世界最大跨度斜拉桥——苏通长江大桥于2008年建成，将斜拉桥跨度的世界纪录提高到1 088 m。

表1和表2分别列出国内外已建斜拉桥的跨径布置及桥宽等统计资料。

2 总体布置及结构体系

斜拉桥的总体布置一般从经济角度考虑，其类型是多种多样的，最典型的跨径布置有独塔双跨式和双塔三跨式，在特殊情况下也可布置成独塔单跨式、双塔单跨式及多塔多跨式。拉索的疲劳强度是边跨和主跨跨径允许比值的判断标准，施工和成桥全桥刚度是影响跨径比的另一重要因素，一般情况下，双塔三跨式斜拉桥边跨与主跨的跨比可取0.25～0.5，从经济角度考虑宜取0.4，独塔双跨式斜拉桥可取0.5～1.0。当双塔三跨式斜拉桥边跨与主跨的跨比小于0.5、独塔双跨式斜拉桥采用不对称布置时，边跨应设置端锚索，以平衡两跨间的索力差，控制塔顶位移，还应注意边跨端部的压重，当跨比更小时，可采用地锚式。当斜拉桥的边孔设在岸上或浅滩，边孔高度不大或不影响通航时，在边孔设置辅助墩（锚固墩），可以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。当桥面标高高、边孔水深等原因使设辅助墩施工困难或造价较高时，可采用外边孔的构造形式。

表1 国外已建斜拉桥跨径布置及桥宽等统计资料表（单位：m）

表2 国内已建斜拉桥跨径布置及桥宽等统计资料表（单位：m）

拉索是斜拉桥的主要承重构件之一，对主梁有弹性支承作用，对整个斜拉桥的结构刚度和经济合理性起着重要作用。拉索索面在空间可布置成单索面和双索面，双索面可分为竖直双索面和倾斜双索面，在索面内又有辐射形、竖琴形及扇形三种基本型式。辐射形拉索用量最省，索塔弯矩小，塔高低，但塔顶构造复杂，应力集中现象突出，因此，辐射形拉索布置已日趋减少。竖琴形布置构造简单，加强了索塔的顺桥向刚度，对减少索塔的弯矩和提高索塔的稳定性有利，但拉索倾角小，对主梁的支承效果差，拉索用量较多，又无法形成漂浮体系，故一般仅用于中小跨径斜拉桥中。扇形布置兼有辐射形和竖琴形的优点，又可灵活布置，特别在大跨径斜拉桥中，需要提高抗扭刚度及抗风振稳定性和抗地震稳定性要求高的情况下，是采用最多的一种索型。采用混凝土主梁时索距宜采用4～12 m，采用钢主梁时索距宜取8～24 m。

斜拉桥的主梁一般有两种布置型式，即：连续体系和非连续体系。连续体系主梁为连续梁或连续刚构；非连续体系主梁在斜拉桥的主跨中央，带有一个简支挂孔或剪力铰，这时主梁成为单悬臂梁或T形刚构体系（主跨440 m的西班牙卢纳巴里奥斯桥和我国湖北郧阳汉江桥即为该类体系）。由于剪力铰设计、施工和养护较困难，通常避免采用这种主梁布置。

双塔三跨式斜拉桥的塔高与跨径之比宜取0.18～0.25，独塔双跨式斜拉桥的塔高与跨径之比宜取0.3～0.45，矮塔斜拉桥塔高约为跨度的1/8～1/12。

根据主梁、拉索、索塔和桥墩的不同结合方式可将斜拉桥分为：漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系；根据拉索的锚拉体系不同形成四种结构体系：自锚式斜拉桥、地锚式斜拉桥、部分地锚式斜拉桥、无背索斜拉桥。斜拉桥的主梁可采用混凝土主梁、钢主梁、叠合梁、混合梁、波折钢腹板叠合梁及钢桁梁。

索塔的造型和相应的受力条件必须满足强度、刚度和稳定性要求。经常采用的顺桥向主塔结构形式有：单柱型、A字型和倒Y型等；横桥向主塔结构形式有：单柱型、双柱型、门形、梯形、A形、倒V形、倒Y形、菱形（包括宝石花形）等。斜拉索的主要类型有：平行钢筋索、钢丝索（平行钢丝股索、平行钢丝索、半平行钢丝索）、钢绞线索（平行钢绞线索、半平行钢绞线索）、封闭式钢缆、单股钢绞缆、碳纤维复合材料（CFRP）斜拉索。拉索在塔上的锚固形式大体可分为：预应力、钢锚箱及钢横梁锚固三类。

3 设计分析

斜拉桥是复杂高次超静定结构，其设计分析包括：静力分析、动力分析、施工控制分析、局部分析。钢主梁斜拉桥尚需进行疲劳验算。斜拉桥存在着材料非线性影响和结构几何非线性影响。材料非线性主要指混凝土在长期荷载作用下的徐变影响，以及拉索锚固区局部应力考虑塑性重分布的影响；结构几何非线性主要包括索的变形受到垂度的影响和考虑主梁和塔的轴力效应的大挠度理论。

斜拉桥的内力变形分析一般是把空间结构简化为平面结构，采用平面杆系有限元法，将结构离散化，把索以直杆代替，索的抗弯刚度计为零，索的垂度用修正弹性模量的方法使它线性化，按小挠度理论计算，确定其内力与变形后再乘以荷载横向分布系数来考虑结构的空间效应；在作斜拉桥的精确计算和特大跨斜拉桥的静力计算时，可把斜拉桥直接按空间结构来分析，主梁用梁单元或更为精确的板单元来模拟，并考虑结构几何非线性影响。

在外荷载作用下，斜拉桥的梁和塔都承受很大的压力，当压力到达一定值时，就可能产生平面屈曲或出平面的弯扭屈曲，可按空间杆系屈曲的有限元法进行精确计算。

拉索锚固区的局部应力分析一般按照圣维南假定从整体结构中取出锚固点前后各一个梁高或半个梁宽的节段作为锚固体，指定边界位移和受力状态，按弹性阶段受力来分析。若有预应力，则把预应力作为外力考虑。

风力对桥梁结构可以构成三种基本振动，即：竖向弯曲振动、侧向弯曲振动、扭转振动，在实际结构物上可能是几种振动的组合。对风力影响的分析除考虑可能引起破坏的临界风速外，还应考虑到低风速时的共振。一般分析时都将风的作用分为静力作用和动力作用两种情况来考虑。静力作用中升力的危害性最大，它不仅可将梁向上吸，而且还会产生一个升力矩，导致桥梁侧倾失稳和扭转发散失稳；动力作用包括涡流激振、自激振动及斜拉索的风雨激振,在严寒地区还包括结冰拉索驰振。涡流激振还没有完善的理论方法，主要通过风洞试验选择扰动最小的截面型式来减小它的影响。自激振动有两种：驰振和颤振，后者是主要的，驰振主要发生在斜拉索和非流线形截面的主梁上，颤振主要发生在比较扁平但还不够扁平的主梁截面上，当风速超过任何一种自激振动的临界风速时，振幅就会无限扩大而导致桥梁破坏。在大跨斜拉桥的抗风问题上，采用空间索面和流线型断面主梁后,主梁的颤振稳定性问题已经基本解决,而斜拉索风致振动及控制是至今尚未彻底解决的危害严重的问题。风雨激振是一种下雨时才能见到的风振现象，是一种固、液、气三态耦合的复杂现象，其形成机理仍没有定论。目前已经进入细致深入研究阶段，研究手段主要有现场观测、风洞试验（人工降雨试验和人工水线试验）和理论分析。目前控制拉索风雨激振的措施有三种：空气动力学措施、结构措施、机械阻尼措施[1]。

桥梁结构在地震波激励下的强迫振动是随机振动，求解结构地震反应的方法主要有三种：静力法、反应谱法、动力时程分析法。静力法不考虑地面运动的特性和结构本身的动力特性，惯性力作为静力作用在结构上，可能会导致对结构抗震能力的错误判断。反应谱法计算结构地震反应首先要计算结构的动力特性和各阶振型参与系数，然后按各阶振型对某项反应的贡献程度进行线性叠加，得出这次反应的最大值，这种方法使用简便，在中、小桥的抗震设计和大跨度桥梁的地震反应估算中应用广泛,是当前各国规范首推的抗震设计方法。动力时程分析法是直接输入地震加速度时程，对结构进行地震时程反应分析，计算出一系列离散时间上的结构响应，是公认的精确分析方法。地震发生时,由于行波效应、局部场地效应、部分相干效应的影响，大跨度斜拉桥的地面各支承点所受到的地震波激励是不一致的，因此，在地震反应分析中必须考虑各支承点的不一致激励，即非一致激励问题。国内外对非一致激励大跨度桥梁的地震反应问题的研究结果表明：对大跨度斜拉桥结构而言,反应谱法只能在初步设计中使用；动力时程分析法尽管计算复杂，但仍然是一种非常适用的分析方法；随机振动法理论日趋成熟，但离实际工程应用仍有一定距离；一致地震动激励不能控制大跨度桥梁结构的抗震设计，应该进行非一致激励下结构的地震反应分析，对带有减、隔震装置的大跨度桥梁结构，非一致激励效应更不容忽视；大跨度桥梁的非一致激励地震反应分析问题非常复杂，考虑地震动空间变化对结构地震反应的影响是准确评价大跨度斜拉桥抗震性能的重要环节。

时程分析的计算程序很多，如SAP-V程序中的动力分析部分（仅限于线弹性分析）、ADINA和NONSAP程序（可进行空间非线性地震反应分析）、同济大学研发的NSRAP程序（有多点激励功能、可进行几何非线性和材料非线性分析、可考虑桩-土-结构相互作用、有橡胶支座、伸缩缝单元线性和非线性模块）。

斜拉桥的恒载内力与施工方法和程序密切相关，施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的不断变化，结构内力和变形亦不断变化。因此需要对斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析验算，求得斜拉索张拉吨位和主梁挠度、塔柱位移等施工控制参数的理论计算值，并在施工中加以有效的管理和控制。对绝大多数斜拉桥，施工计算采用平面结构分析已能满足实际架设控制的要求。在分析计算中要考虑斜拉索的非线性影响（用修正弹性模量法）和混凝土收缩、徐变的影响，必要时，还必须对施工过程中最危险的状态进行抗震抗风验算，还应单独计算温度变化对斜拉桥在不同结构体系状态下的影响。施工过程的理论计算有倒拆法和正算法，倒拆法是由成桥状态出发，按照与实际施工步骤相反的顺序，进行逐步倒退计算而获得各施工阶段的控制参数。由于倒拆法无法进行徐变计算，因此常用正装倒拆来迭代计算。正算法是采用与斜拉桥施工相同的顺序，依次计算各阶段架设时结构的施工内力与位移。正算法常用的计算原则有刚性支承连续梁法和指定应力法。刚性支承连续梁法是在施工过程中及成桥后多次张拉拉索索力，使斜拉桥主梁在恒载状态下的内力与相应的刚性支承连续梁的内力大体相近。指定应力法常用的有五点（四点）为零法、零弯矩悬拼法，五点（四点）为零法是由刚性支承连续梁法发展而来的，计算原则为主梁悬臂端挠度保持为零，随后的4（3）个节点的主梁弯矩亦保持为零；零弯矩悬拼法适用于预制块件悬臂拼装，新增索力的垂直分力与现安装预制构件的重力相等，同时通过在主梁的纵向施加预应力使得拼装面上的弯矩为零。

随着斜拉桥跨径的增大，钢主梁应用的越来越多，钢斜拉桥的疲劳性能研究也成为重点课题。钢桥疲劳设计时，疲劳荷载应是其使用寿命期内实际承受的运行荷载的总和，通常以荷载谱的形式来表示。目前对桥梁疲劳荷载问题的处理方法基本有三种：（1）参照外国规范给出的疲劳荷载模型，BS5400、AASHTO、Eurcode等均对疲劳荷载进行了明确规定。（2）数值模拟的方法，即通过交通调查和参数估计，建立疲劳荷载谱，在此基础上应用Monte-Carlo法产生汽车车型、车辆虚拟车流，再进行影响线（面）加载得到关心构件的应力历程。（3）由桥梁结构关键点监测数据识别疲劳荷载（润扬大桥、东海大桥主航道段和樱珠山段）。疲劳寿命预测方法有传统的疲劳分析方法、基于断裂力学的分析方法和基于损伤力学的分析方法，目前各国的桥梁设计规范中大部分都采用第一种方法。

4 施工方法及施工控制

斜拉桥的施工方法，除考虑现有的施工技术水平及施工设备、桥址地质、水文等因素外，还应考虑斜拉桥的结构体系、索型、索距和主梁截面型式等。根据斜拉桥的组成部分，可以将斜拉桥的施工分为主梁施工、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、悬臂法、顶推法、平转法。支架法适用于桥下净空低、搭设支架方便且不影响桥下交通的情况，或跨径和规模较小的斜拉桥；悬臂法是最常用的，混凝土主梁可采用悬臂浇筑法和悬臂拼装法，钢主梁和叠合梁多采用工厂加工制造，现场起吊拼装；也可在支架上施工边跨主梁，中跨主梁采用悬臂施工的方法，即单悬臂施工法；顶推法需在跨内设置若干临时支墩，且在顶推过程中，主梁要反复承受正负弯矩，因此顶推法只适用于桥下净空较低、修建临时支墩造价不高、且不影响桥下交通、抗拉和抗压能力相同、能承受反复弯矩的钢斜拉桥主梁的施工；平转法是适用于桥址地形平坦、墩身较矮及结构体系适合整体转动的中小跨径斜拉桥，或桥下净空有较高的通航通行要求无法使用其他方法的特殊情况。塔柱混凝土施工一般采用就地浇筑，模板和脚手平台常用支架法、滑模法、爬模法或大型模板构件法。

斜拉桥施工控制主要包括两个方面：（1）根据选定的施工方法对施工的每一阶段进行理论计算，求得各施工阶段施工参数的理论计算值，形成施工控制文件。（2）针对实际施工过程中由于种种因素所引起的理论计算值与实测值不一致的问题，采用一定的方法在施工中加以控制、调整，以使成桥后结构内力及外形达到设计预期值。施工参数的理论计算采用前述的倒拆法和正算法计算；施工控制应进行应力和变形双控，变形控制方面主要是控制拉索的长度、索塔的垂直度及主梁的线形等。施工测试包括变形测试、应力测试和温度测试三方面。变形测试主要是测试主梁的挠度、主梁轴线的偏离和索塔塔柱水平位移的变化情况；应力测试主要是测定拉索索力、支座反力、主梁和塔柱应力在施工过程中的变化情况；温度测试观测梁、塔、拉索的温度及主梁挠度、塔柱位移等随气温和时间变化的规律。施工实践证明，单纯控制索力和标高虽是片面的，但两者同时控制又很难实施。一般对于采用悬臂施工的斜拉桥，在主梁悬臂架设阶段，以主梁标高控制为主，在二期恒载施工时，以索力控制为主，假如主梁刚度较小，则拉索张拉时应以高程测量控制，而当主梁刚度较大或主梁与桥墩固结，施工中就应以拉索张拉力控制，根据标高的实测情况对索力作适当的调整。施工调整的方法有一次张拉法、多次张拉法、设计参数识别修正法、卡尔曼滤波法。一次张拉法是在施工过程中每一根拉索张拉到设计索力后不再重复张拉，对施工中出现的主梁挠度和塔顶位移偏差不用索力调整，而是通过与下一梁段的接缝转角进行调整，或任偏差自由发展，直至跨中合龙时用压重等方法强迫合龙；多次张拉法是在整个施工过程中，对拉索进行分期分批张拉，最后达到设计索力，使结构在各施工阶段的内力较为合理；设计参数识别修正法是根据施工中结构应力和挠度等的实测值，对斜拉桥的主要参数进行估计，然后把修正过的设计参数反馈到控制计算中，求得新的施工索力和挠度的理论期望值，以此消除理论计算值与实测值偏差中的主要部分；卡尔曼滤波法是以最优终点控制原理为理论依据对斜拉桥进行施工控制和调整，即以挠度预定值作为状态变量，以索力调整值作为控制变量，以结构内能最小化作为控制指标，代入最优终点控制问题计算程序中，即可求得使挠度达到预定值时应做的索力调整值。卡尔曼滤波法除能简单有效地控制结构的内力和变形外，还能较正确地预报下一阶段结构的表现，该法是一个相当有效的施工控制与调整方法，已在斜拉桥施工中得到广泛应用。

5 发展与展望

斜拉桥由于其景观新颖、跨越能力强、设计理论完善、施工技术先进，其发展速度非常迅速。随着主跨超千米的苏通大桥和香港昂船洲大桥的建成，我国的斜拉桥建设技术已达到世界领先水平。但是随着跨径的不断增大，超大跨斜拉桥的发展仍然面临许多技术难题和挑战，主要有超大跨斜拉桥的结构体系及其力学性能问题；拉索锚固结构的设计及受力分析；轻质、高强、耐腐蚀性高性能材料的开发；大跨斜拉桥抗灾性能及措施研究；施工技术的研究和施工过程控制系统的完善等，都需要人们继续研究和解决。另外，斜拉桥与其他桥型的组合也是一个发展方向，例如斜拉桥与悬索桥的结合，这两种结构相互协作、优势互补，适用于大跨径桥梁。

[1]郭蹦.《斜拉桥设计中拉索抗风问题研究综述》[J].城市道桥与防洪，2008（8）.