組合梁斜拉橋的技術(shù)發(fā)展

閆 旭

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 發(fā)展概況

組合梁斜拉橋的發(fā)展與組合結(jié)構(gòu)及斜拉橋的發(fā)展密不可分，是兩者均發(fā)展到一定的階段后相互結(jié)合的產(chǎn)物。在組合結(jié)構(gòu)方面，20世紀(jì)30年代焊接技術(shù)的發(fā)明，為真正意義上組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。20世紀(jì)30年代至60年代為歐美、日本等國(guó)家組合結(jié)構(gòu)的前期實(shí)踐階段。70年代，組合結(jié)構(gòu)聯(lián)合委員會(huì)，總結(jié)了20世紀(jì)60年代組合結(jié)構(gòu)發(fā)展中所取得的經(jīng)驗(yàn)，編制了組合結(jié)構(gòu)模范準(zhǔn)則，作為各國(guó)編制規(guī)范時(shí)的指導(dǎo)性文件，進(jìn)一步促進(jìn)了組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。在斜拉橋方面，1956年，由Dischinger設(shè)計(jì)主跨183 m的瑞典Stro..msund橋建成，拉開了現(xiàn)代斜拉橋發(fā)展的序幕。該橋主梁是將混凝土板擱置在鋼主梁的上翼緣，但混凝土行車道板僅承受車輪的局部荷載，并不參與主梁的總體受力。

現(xiàn)代組合梁斜拉橋的概念是在1980年由德國(guó)著名橋梁專家萊翁哈特（Leonhardt）教授在弗洛里達(dá)州跨越坦帕（Tampa）灣的日照橋（Sunshine Skyway）投標(biāo)方案中提出的[1,2]?，F(xiàn)代組合梁斜拉橋的基本特征有如下兩個(gè)方面：（1）采用剪力焊釘使橋面板與鋼梁形成整體共同受力，使加勁主梁成為真正意義上的組合結(jié)構(gòu)；（2）采用等于梁段長(zhǎng)度的密索距，使斜拉橋本身具備了現(xiàn)代斜拉橋的一般特征。這座橋的設(shè)計(jì)理念隨后用于加拿大的安娜西斯（Annacis）橋，該橋在1986年以465m的主跨保持了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄。

組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋相比，由于利用混凝土受壓，主塔附近加勁梁的抗壓性能得到改善；橋梁抗彎與整體剛度加大；增大了橋面局部剛度，很好地解決了鋼箱梁鋼橋面疲勞及橋面鋪裝易損壞的問(wèn)題。與混凝土斜拉橋相比，則具有自重較輕、結(jié)構(gòu)靜力性能較為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，組合梁斜拉橋在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

2.1 約束體系

鋼-混組合梁應(yīng)用于橋梁工程中要解決的一個(gè)重要課題就是處于負(fù)彎矩區(qū)的混凝土板如何承受拉應(yīng)力，防止發(fā)生有害裂縫的問(wèn)題。在組合梁斜拉橋中常選用塔墩固結(jié)、塔梁分離的飄浮、半飄浮體系。

半飄浮體系在塔墩處加設(shè)了兩個(gè)豎向支座，對(duì)主梁的平面和空間位移增加了約束，對(duì)結(jié)構(gòu)靜力反應(yīng)影響很小，僅對(duì)主塔附近局部區(qū)域主梁彎矩有一定影響，所以只需局部加強(qiáng)支承區(qū)段的主梁斷面。事實(shí)上，目前工程實(shí)踐中已經(jīng)出現(xiàn)了取消塔梁交界處支座的趨勢(shì)。

飄浮體系塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁除邊墩、輔助墩處有支承外，其余全部由拉索作為支承，成為在縱向可稍作浮動(dòng)的具有多點(diǎn)彈性支承的梁。在滿載時(shí)，由于全長(zhǎng)跨內(nèi)沒(méi)有豎向支承，塔柱處主梁不出現(xiàn)負(fù)彎矩峰值；溫度及混凝土收縮、徐變內(nèi)力均較?。辉诿芩髑闆r下，主梁各截面的變形和內(nèi)力的變化較平緩，受力較均勻，而且拉索的拉力也能均勻分布，能較為有效地解決邊跨斜拉索的松弛問(wèn)題[1]。

公路組合梁斜拉橋可采用全飄浮體系，而對(duì)鐵路組合梁斜拉橋而言，由于對(duì)變形及振動(dòng)有更高的要求，采用全飄浮體系是否合適，值得懷疑[3]。

塔梁墩固結(jié)體系除獨(dú)塔斜拉橋以外應(yīng)用較少，加拿大Golden Ears橋[4]為四塔五跨雙索面組合梁斜拉橋，則采用了該體系，見(jiàn)圖1。

圖1 加拿大Golden Ears橋

2.2 主梁型式

組合鋼板梁用于斜拉橋在世界各地有很多實(shí)例，其中，采用兩片工字形鋼主梁與橫梁形成梁格系，翼板上設(shè)置焊釘連接件與混凝土板結(jié)合形成整體，是最典型的一種。

1991年，上海市建成的南浦大橋是我國(guó)第一座鋼-混凝土組合梁斜拉橋。該橋借鑒了加拿大的安娜西斯（Annacis）橋和美國(guó)貝當(dāng)橋（Baytown）的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在橋面板抗裂等方面做了改進(jìn)。其后，楊浦大橋、青州閩江大橋、哈爾濱四方臺(tái)大橋、重慶觀音巖長(zhǎng)江大橋、武漢二七長(zhǎng)江大橋等均采用這種形式。其中，上海楊浦大橋[5]建成時(shí)為斜拉橋跨徑的世界之最。

組合鋼板梁斜拉橋一般采用實(shí)腹式橫梁，英國(guó)塞文二橋標(biāo)準(zhǔn)橫梁為桁架結(jié)構(gòu)，可取得更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能，見(jiàn)圖2。

圖2 英國(guó)塞文二橋橋面系

2005年，我國(guó)建成的東海大橋主航道橋[6]首次采用了鋼箱組合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)型式，隨后曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋[7]亦采用該主梁型式。西班牙Escaleritas斜拉橋[8]采用圓弧箱形組合梁型式，臺(tái)州市椒江二橋[9]主梁則采用了半封閉雙箱組合梁。

Himi Yume橋是世界上第一座波形鋼腹板PC主梁矮塔斜拉橋[10]，見(jiàn)圖3。與普通的混凝土箱梁相比，波形鋼腹板PC主梁的自重可減輕25%～30%。目前，建設(shè)中的南昌朝陽(yáng)大橋也采用了類似的主梁型式。

圖3 Himi Yume橋

2.3 索面布置

組合梁斜拉橋可采用單索面、雙索面、四索面等多種布置型式，其中單索面往往與箱型組合梁配合使用，雙索面則可與鋼板、鋼箱、鋼桁組合梁配合使用。

香港汀九橋[5]（見(jiàn)圖4）主梁使用四索面斜拉索承托，大大縮減了主梁的橫向跨距。扁平的主梁及其邊緣設(shè)置的整流罩有助于提升橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性（通航凈高61 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速80 m/s陣風(fēng)、50 m/s平均風(fēng)速）。美國(guó)弗雷德·哈特曼橋（Fred Hartman Bridge）[10]（見(jiàn)圖5），采用分離式主梁滿足了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的空氣動(dòng)力學(xué)要求（最大設(shè)計(jì)風(fēng)速在橋面處為 71 m/s）。

圖4 香港汀九橋

圖5 美國(guó)弗雷德·哈特曼橋

兩座橋雖均為四索面斜拉橋，但橋面系略有不同。由于汀九橋采用獨(dú)柱型塔，為抵抗單幅橋拉索的橫向水平分力，分幅橋面需用橫梁相聯(lián)系。哈特曼橋兩幅橋面則完全分離，僅主塔、基礎(chǔ)橫向共同受力。

3 施工技術(shù)

組合梁斜拉橋橋面一般采用懸臂拼裝方式施工。鋼主梁、橫梁和預(yù)制混凝土板都可采用小構(gòu)件，易于運(yùn)輸和安裝。鋼梁現(xiàn)場(chǎng)焊接或栓接，預(yù)制混凝土板現(xiàn)場(chǎng)濕接頭連接。但是，擱置橋面板的搭接處易成為耐久性的薄弱環(huán)節(jié)，而先在鋼梁節(jié)段上澆筑混凝土橋面板，再進(jìn)行鋼混組合整體節(jié)段安裝的工藝較好地解決了鋼混結(jié)合面的耐久性問(wèn)題，當(dāng)然，這個(gè)工藝的不足是影響鋼混兩種材料充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)性能，并對(duì)施工機(jī)具要求相對(duì)較高。希臘里翁-安蒂里翁橋[11]即采用了該工藝，如圖6所示。

較小跨徑的組合梁斜拉橋可采用支架法施工，另有組合梁斜拉橋采用頂推法施工。法國(guó)塞塞勒橋（Seyssel Bridge）采用了主梁與輔助主塔拼裝后一起頂推的施工工藝，后續(xù)建造的米勞高架斜拉橋（Millau Viaduct）將頂推施工方法推進(jìn)到世人矚目的新高度。

圖6 希臘里翁-安蒂里翁橋節(jié)段施工

4 技術(shù)動(dòng)態(tài)

4.1 主梁型式多樣化

最近，有日本學(xué)者提出一種新型組合梁斜拉橋加勁梁型式[12]，以鋼管混凝土代替工字形鋼梁或箱形鋼梁，方案構(gòu)思詳見(jiàn)圖7。

圖7 鋼管混凝土主梁斜拉橋方案

西南交通大學(xué)莫時(shí)旭在其博士論文[13]中提出了鋼箱-混凝土主梁斜拉橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思，根據(jù)主梁的受力特點(diǎn)確定在鋼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，有學(xué)者提出了FRP-混凝土組合橋面板主梁斜拉橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思[14]。該種橋面板自重約為鋼筋混凝土橋面板的70%，因此，其在斜拉橋中的應(yīng)用可顯著提高斜拉橋上、下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能。

4.2 跨徑發(fā)展

目前，世界上最大跨度組合梁斜拉橋?yàn)楦Ｖ萸嘀揲}江大橋，跨度為605 m，其次為楊浦大橋的602 m。更大的跨度采用開口截面組合梁，但因受其自身抗扭剛度所限，不能適應(yīng)抗風(fēng)要求而難以突破。組合鋼板梁斜拉橋能適應(yīng)700 m的主孔跨度，這已為多個(gè)工程所證實(shí)。但是，認(rèn)為超過(guò)700 m的斜拉橋應(yīng)當(dāng)選擇鋼橋面型式，是基于傳統(tǒng)鋼板組合梁抗風(fēng)性能不足而得出的。箱型截面組合梁可彌補(bǔ)開口截面組合梁的不足，東海大橋主航道橋最先采用箱型截面組合梁建成了主跨420 m斜拉橋，目前即將建成的椒江二橋主航道斜拉橋也采用鋼箱組合梁，其跨度為480 m。這些橋梁在滿足抗風(fēng)需求的同時(shí)展現(xiàn)了技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。因此，組合梁斜拉橋最大跨度有望進(jìn)一步提高是顯而易見(jiàn)的。

隨著斜拉橋相較懸索橋適用范圍的不斷擴(kuò)大，組合梁斜拉橋相比鋼斜拉橋的適用范圍也需重新界定。700 m以上特大跨徑組合梁斜拉橋方案時(shí)有提出，相信在不久的將來(lái)會(huì)有所突破。

5 結(jié)語(yǔ)

組合梁斜拉橋出現(xiàn)至今已有30多年的歷史，隨著組合結(jié)構(gòu)及斜拉橋的不斷發(fā)展，組合梁斜拉橋的實(shí)踐也在不斷深入，并在橋梁技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等方面展現(xiàn)了良好的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前，人們對(duì)組合梁斜拉橋的研究主要集中于關(guān)鍵部位的受力特性、合理成橋及施工狀態(tài)的確定、幾何及材料非線性影響，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、動(dòng)力特性、可靠度、全壽命的合理構(gòu)造等方面。在工程實(shí)踐方面，隨著計(jì)算分析理論與方法的進(jìn)步、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與新結(jié)構(gòu)的推出，以及新材料與施工方法的發(fā)展，組合梁斜拉橋在不同的跨度領(lǐng)域與不同的結(jié)構(gòu)和橋型形成競(jìng)爭(zhēng)。所有這些努力將使組合梁斜拉橋的設(shè)計(jì)與施工更趨合理、經(jīng)濟(jì)、耐久。

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