大跨径组合梁斜拉桥概念设计

陈 亮，邵长宇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

斜拉桥按加劲梁用材不同，可分为钢斜拉桥、混凝土斜拉桥和钢-混凝土组合梁斜拉桥。组合梁斜拉桥为组合结构及斜拉桥范畴的交集，是斜拉桥及组合结构各自发展到一定程度后的必然结果。斜拉桥的主梁采用组合结构，兼有混凝土结构和钢结构的优点：一方面解决了混凝土主梁的腹板及底板容易开裂，以及钢主梁正交异性钢桥面疲劳及铺装易损的难题；另一方面，主梁承受轴向压力，发挥了混凝土材料的优势。因此，组合梁斜拉桥具有较好的受力性能。

组合梁为斜拉桥结构体系内的重要构件，承受轴向压力及弯矩作用，与组合梁式桥相比，在受力特点上有较大区别。另外，正因为主梁结构型式的不同，组合梁斜拉桥与钢斜拉桥、混凝土斜拉桥相比，在受力性能、设计方法上亦有所不同。概念设计为桥梁设计之魂，本文重点明确大跨度组合梁斜拉桥概念设计中应考虑的主要技术问题。

1 合理跨径界限

目前，世界上最大跨度组合梁斜拉桥为望东长江大桥的638 m。传统认为，超过700 m的斜拉桥应当选择钢桥面型式。实际上，该结论是基于传统钢板组合梁抗风性能的不足而得出。更大的跨度采用开口截面组合梁，受主梁自身抗扭刚度所限，较难适应桥面风速较高情况下抗风稳定性要求。由表1可见，流线形组合箱梁弥补了开口形组合板梁的不足，具有较高的风致稳定性。因此，组合梁斜拉桥最大跨度有望较大提高是显而易见的。

组合梁桥面重量约为钢箱梁桥面的1.5～1.8倍，钢斜拉桥正交异性桥面板及其铺装费用相对较高，组合梁斜拉桥拉索、基础等造价相对较高。定性而言，场地地质条件越好、地震烈度越低时，组合梁斜拉桥经济上越有优势。世界著名桥梁专家Pet er R.Tayl or认为在目前的技术条件下组合梁斜拉桥预计设计跨径为 1 000 m[1]，H ol ger Svensson认为组合梁斜拉桥经济跨径范围为400～900 m[2]。笔者从结构静力强度、静力稳定、颤振稳定等多方面论证了800～900 m组合梁斜拉桥的可行性及良好的力学性能[3]。在经济性能方面，通过与同等跨径钢箱梁斜拉桥相比，认为一般条件下，组合梁斜拉桥的经济跨径可达900 m[4]。以上研究，极大地扩展了组合梁斜拉桥与钢斜拉桥之间的跨径竞争范围。

2 总体布置及主要参数

2.1 主梁型式

在组合梁斜拉桥合理跨径范围内，不同断面型式组合主梁亦各有其力学及经济合理区间。可根据场地风速条件及经济性，分别选用组合钢板梁、半封闭组合箱梁、整体式组合箱梁，如见图1（a）、（b）、（c）所示。一方面应注意使钢底板的材料性能充分发挥，另一方面须满足颤振稳定性要求。在600 m以下跨径一般采用组合钢板梁，在800 m以上跨径一般采用扁平流线形整体式组合钢箱梁断面，中间桥跨范围则可采用分离式组合箱梁。当斜拉桥跨径超越千米级，常规混凝土桥面板组合梁斜拉桥由于自重原因，经济优势将不复存在，静力稳定也将成为突出问题。目前正在发展带组合桥面板的组合梁斜拉桥新型结构，如图1（d）所示，将进一步拓展组合梁斜拉桥的适用跨径。

表1 800 m主跨组合梁斜拉桥颤振稳定性

图1 大跨组合梁斜拉桥典型主梁断面

大跨径斜拉桥一般都采用空间双索面布置型式，为主梁提供了较强的抗扭能力，此时梁高可尽量采用较小值，以取得较大的宽高比来减少风阻和涡振。但梁高也不能过小，适当的梁高可增强斜拉桥的鲁棒性，并保证在巨大轴压力下的屈曲问题。对千米级组合梁斜拉桥，尤其是在场地风速较大地区，轴力及横向风作用下近塔区主梁角点应力往往为设计控制因素[3]。此时，增加主梁宽度，可显著改善静横风下主梁受力性能。另外，结合建设条件及孔跨布置，根据配重等需要，边跨可采用混凝土梁断面。

2.2 桥塔型式

对中等跨度斜拉桥塔形选择余地相对较大，但对600 m以上大跨斜拉桥，一般选用倒Y形、钻石形、A形3种塔形，以配合空间索面的布置。不同桥塔不仅受力性能、造价不同，而且塔柱的形状将影响基础的尺寸，对总造价的影响更为显著。钻石形索塔虽然下塔柱受力性能相对较差，但显著的特点是下塔柱内收使得基础较小，在一定的跨径范围内可节省工程造价。对更大跨径斜拉桥，由于基础规模较大，采用A型桥塔则有其合理性。

塔跨比为斜拉桥重要设计参数。对特大跨径斜拉桥，拉索、桥塔上风载占有较大比例。当场地风速较高时，宜适当降低主塔高度以减小风载。

2.3 辅助墩的设置

一般而言，辅助墩对于大跨斜拉桥有着不可忽视的作用，不仅可以改善成桥状态下的静、动力性能，同时还可争取边跨提前合拢，提高最不利悬臂施工状态的风致稳定性。但是，辅助墩的设置对组合梁斜拉桥在收缩徐变影响方面有其不利的一面。以目前的建桥经验，600 m以下组合梁斜拉桥可不设置辅助墩，如希腊里翁-安蒂里翁桥[5]及青洲闽江大桥。分析研究表明，对600 m以上特大跨组合梁斜拉桥，设置2个辅助墩与1个辅助墩相比，在活载作用下，斜拉桥刚度提高不是很大，对塔、梁受力性能的改善幅度亦非常有限，通常设置1个辅助墩即可满足要求。当然，对800 m以上组合梁斜拉桥，可根据施工方面的要求，考虑更多辅助墩的设置。

2.4 斜拉索及布置

1 860 M Pa扭绞型平行钢丝拉索为桥梁行业重点发展的方向，目前技术已经成熟，并已在嘉绍跨江大桥、港珠澳大桥得到了应用。大跨径斜拉桥采用高强钢丝，可以减少拉索用量从而改善经济性能，减小斜拉索的直径从而减小风载，降低最大单索重量从而降低运输、架设难度，应积极推广使用。

对现代大跨斜拉桥而言，斜拉桥的整体刚度由拉索变形控制，结构体系的力学平衡甚至较少需要主梁及主塔的抗弯刚度。当中跨作用荷载时，力通过对应拉索传递到塔顶，然后通过锚索传递到锚墩（边墩或辅助墩），边跨内部其他拉索几乎不承受荷载。边跨作用荷载时，力通过边跨对应拉索传递到塔顶，并通过锚索索力的减小来平衡。由此可见，锚索对斜拉桥的整体刚度具有重要意义，应尽量布置于边墩及辅助墩附近，从而改善斜拉桥结构的整体力学性能。

2.5 塔梁约束体系

现代斜拉桥是多跨连续的柔性结构，不同的建桥条件需要不同的约束体系，以使结构的位移﹑静力和动力反应最佳。对特大跨径斜拉桥而言，塔梁纵向约束是一个关键问题，一般宜采用纵向弹性（阻尼）约束体系。纵向风、活载引起的塔底弯矩及梁端位移随纵向约束刚度的增加而减小，主梁收缩徐变、温度引起的塔底弯矩则随纵向约束刚度的增加而增加。应通过参数分析，使结构受力及位移响应最优。

3 受力特点及影响因素

组合梁斜拉桥桥面板剪力滞后、混凝土收缩徐变、钢混界面滑移、施工过程、非线性等多种效应互相关联，精细化分析才能对其准确模拟。概念设计中应抓住主要矛盾，适当简化。

3.1 剪力滞后效应

目前各国规范对梁式桥桥面板有效宽度作了规定，但该规定并不适用于组合梁斜拉桥。组合梁斜拉桥主梁不仅承受弯矩而且承受轴力，因此分别对应有弯矩有效分布宽度及轴力有效分布宽度。弯矩有效分布宽度与有效跨度有关，而轴力有效分布宽度与拉索水平轴力的扩散相关。理论上讲，桥轴向同一位置有效分布宽度在不同施工阶段及成桥阶段不断变化，而且由于在正常使用状态及承载能力状态下主梁轴力、弯矩所占比例不同，桥面板有效宽度也理应有所区别。

同时考虑主梁两种有效分布宽度，在设计计算中会带来不便。相比之下，在弯矩和轴力共同作用下桥面板有效宽度系数更易于实际操作。对组合梁斜拉桥桥面板统一有效宽度系数的研究表明，重庆江津观音岩长江大桥在0.75～0.95之间[6]，武汉二七路长江大桥在0.748～0.916之间[7]。文献[8]基于美国已建18座组合梁斜拉桥基本参数，在理论分析基础上，拟合出适合于组合梁斜拉桥的修正有效分布宽度折线图（见图2）。认为有效宽度仅与主梁竖向支座的纵向间距、桥面板板厚及桥面实际宽度有关。值得注意的是，主塔处主梁有无竖向支座，对该区域桥面板有效宽度影响较大。与国内相关研究相比，除支座附近有效宽度更为不利以外，国内外研究结论总体上较为吻合。

3.2 收缩徐变效应

图2 组合梁斜拉桥桥面板有效分布宽度

组合梁斜拉桥混凝土收缩徐变有其自身规律，其整体时变响应总体上是不利的，在结构设计时必须考虑。以两塔斜拉桥为例，成桥后混凝土收缩徐变将引起索力的变化，特别是边跨拉索索力会较大幅度减小。索力改变将使主塔上塔柱水平力不再平衡，塔顶向中跨偏移，塔底出现向中跨侧顺桥向弯矩，主梁中跨下挠，全长出现不同程度的负弯矩及轴向拉力。相应地，主梁桥面板产生不同程度的拉应力，钢主梁压应力则有较大幅度的增加。独塔斜拉桥则由于结构体系的不同，收缩徐变的影响相对较小。

组合梁斜拉桥主梁在承受负弯矩或轴向拉力时会表现出其不利的一面，为了减轻组合梁的收缩徐变效应，最直接的办法是延长混凝土桥面板龄期。另外，不同结构体系下组合梁斜拉桥的时效响应有所不同。在主塔处设置竖向支座时，主塔收缩徐变将使梁塔交接处主梁产生局部负弯矩峰值。设置辅助墩除使辅助墩附近主梁出现负弯矩峰值外，将使组合梁斜拉桥的整体时变效应更为明显。在体系确定时，单纯从时变效应角度来讲，全飘浮体系（主塔处无支座、不设置辅助墩）较其他体系更为合理[9]。

3.3 连接件设计及其滑移效应

混凝土桥面板与钢梁之间一般采用剪力钉连接，结合成整体后共同受力。对大跨组合梁斜拉桥，一方面应考虑剪力钉自身受力，另一方面需考虑其柔性对结构整体受力是否产生影响。

组合梁斜拉桥界面连接件设计时，应考虑竖向荷载、拉索索力、预应力、收缩徐变等荷载的作用及其组合，尤其应注意辅助墩处、拉索锚固点、预应力束端部等位置的剪力钉合理布置。在实际工程设计时，关于剪力钉滑移，主要是要考虑其对剪力钉自身受力的影响，而基本不需考虑对主梁钢结构及混凝土桥面板等其他结构静力响应的影响[10]。

3.4 非线性及稳定

对大跨斜拉桥，基于非线性有限元施工过程模拟得到的成桥状态，是进行结构运营荷载、动力、稳定等方面精确分析的基础。非线性分几何非线性及材料非线性。关于拉索垂度、P-δ、大位移等几何非线性效应，组合梁斜拉桥与其他斜拉桥并无本质上的区别。混凝土材料的徐变、塔梁间纵向非线性约束、钢混界面滑移等均属于材料非线性范畴。精确计算时，应对各项非线性效应进行同步计算，简单的叠加原理不再适用。千米级组合梁斜拉桥几何非线性效应研究表明，几何非线性使结构活载效应均有不同程度增加，影响系数在15%以内，收缩徐变工况几何非线性的影响相对较小，影响系数在5%以内。

随着斜拉桥跨径的不断增大，桥塔高耸化、主梁纤细化使稳定问题更为突出。在不同的施工阶段及成桥阶段，不同斜拉桥在不同的荷载条件下，塔、梁均可能成为稳定控制因素。由于主梁自重原因，对千米级组合梁斜拉桥应重点关注主梁面内失稳问题。

4 合理成桥及施工状态

合理成桥状态是缆索承重桥梁设计中最关键的问题，包括几何构形和在恒载、索力及预应力作用下的内力分布，通常由结构的功能需求和设计者的经验确定。对钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、组合梁斜拉桥，在合理成桥状态确定时，应采用不同的原则。对钢斜拉桥，可考虑运营期活载等的作用，通过调整成桥状态，使最不利组合下结构内力分布得到优化，达到节约钢材的目的[11]。对混凝土斜拉桥，主梁存在徐变问题，往往采用刚性支点连续梁法确定成桥状态，致力于徐变效应最小化。组合梁斜拉桥混凝土桥面板同样存在徐变问题，成桥状态一般按刚性支点连续梁法近似确定。采用该方法时，为防止桥面板开裂，可在主梁轴力较小区段布置一定的预应力钢筋，按不容许开裂的方法设计。当然，也可以通过索力调整的方法，在成桥时将主梁预设一定的正弯矩。

传统的组合钢板梁斜拉桥技术成熟，常采用先安装工字形钢梁，再分块吊装预制桥面板，然后浇注湿接缝形成整体。对超大跨径组合钢箱梁斜拉桥则一般采用节段全断面整体预制方法。对钢斜拉桥及混凝土斜拉桥，理论上每根斜拉索可仅张拉一次即得到刚性支点连续梁下的成桥状态，组合梁斜拉桥由于存在钢混结合步骤，通常需采用两步张拉法[12]。结合前的初次张拉索力应尽量避免使不利的弯曲应力及变形锁定在钢主梁内，结合后的第二次张拉索力则可根据成桥状态倒退分析得到。施工控制中两步张拉法可使徐变的不利影响及不确定性降至最低，桥面线形更易控制，以顺利地实现理想成桥状态。

5 结语

大跨度组合梁斜拉桥概念设计是桥梁工程前期工作中一个十分重要的环节，离不开桥梁工程师对其性能的正确理解及准确把握，对工程的合理性、经济性、耐久性具有重要的意义。组合梁斜拉桥最大跨径在较长的时间内停留在600 m左右，由于其良好的适用性，相信在不远的将来，跨径会有较大的突破。