纜索承重橋的體系比選

肖汝誠，姜 洋，項海帆

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092）

德國Leonhardt教授曾預(yù)計斜拉橋的極限跨度可達(dá)1 800m［1］.日本學(xué)者Nagai認(rèn)為斜拉橋跨徑的合理范圍應(yīng)在1 400 m 以內(nèi)，跨度過大時拉索的垂度效應(yīng)以及梁內(nèi)軸力的2 階效應(yīng)將使結(jié)構(gòu)性能弱化，從而影響斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性［2］.可以預(yù)期，斜拉橋?qū)⒃?00～1 400 m 的跨度范圍內(nèi)對其他橋型具有競爭優(yōu)勢.根據(jù)丹麥Gimsing 教授的研究，超過1 400m的斜拉橋可采用部分地錨式斜拉橋，利用較小的錨碇減小因梁中軸力過大而造成的不利影響，從而進(jìn)一步提升斜拉橋的經(jīng)濟(jì)跨越能力和對懸索橋的競爭力.

懸索橋的極限跨度一般認(rèn)為可達(dá)5 000～6 000m，但從實際航運要求看，3 500m已能滿足未來最大50萬t巨型海輪的航行要求［3］.根據(jù)直布羅陀海峽方案征集的結(jié)果看，在水深160m 修建塔墩超深水基礎(chǔ)的情況下，3 500m將是多塔懸索橋主跨的經(jīng)濟(jì)跨度.然而面對技術(shù)日益成熟的隧道方案，深水基礎(chǔ)的巨大難度和造價，將使大跨度懸索橋的競爭力居于下風(fēng).

由于難以克服深水錨碇基礎(chǔ)的技術(shù)困難，上世紀(jì)修建的許多懸索橋如英國Severn橋，為了將錨碇放在岸上而被迫增加了跨度.然而，因交通需要而稍后增建的Severn二橋改用了跨度較小的斜拉橋，不僅能滿足通航要求，而且經(jīng)濟(jì)性能更好.隨著斜拉橋跨越能力的提高，COWI公司設(shè)計的智利Chacao橋已用更經(jīng)濟(jì)的多塔斜拉橋代替原來的多塔懸索橋方案［4］.規(guī)劃中的德國—丹麥之間的費馬恩海峽橋，為提高和隧道方案的競爭力，也放棄了一孔2 000 m的懸索橋方案，而選用四塔三跨780 m 的桁架疊合梁斜拉橋方案，以避免懸索橋深水錨碇［5］.

在本世紀(jì)內(nèi)，我國將面臨建設(shè)跨越渤海灣、瓊州海峽、臺灣海峽等工程的世界性難題，合理選擇橋型并解決好各種橋型建造中的關(guān)鍵問題，不僅關(guān)系到橋隧之爭的成敗，更關(guān)系到我國橋梁技術(shù)水平的提高［6－7］.本文將通過各種纜索承重體系在經(jīng)濟(jì)性、可施工性等方面的比較，得出各種體系的適用跨徑，并探討不同跨徑范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)體系的合理選擇.

1 斜拉橋與懸索橋基本體系的比較

基本體系是指雙塔三跨布置的纜索體系橋梁，主要由4 種受力構(gòu)件——索、梁、塔和錨碇構(gòu)成.在安全度滿足要求的前提下，評判體系優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能、耐久性、橋跨布置靈活性、可施工性以及結(jié)構(gòu)剛度等.其中，各種體系的耐久性、橋跨布置靈活性和可施工性可以體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性能之中，而結(jié)構(gòu)剛度則體現(xiàn)了體系的力學(xué)性能.在施工可以實現(xiàn)且結(jié)構(gòu)的耐久性和剛度能夠滿足使用要求的情況下，選擇何種橋梁體系則由其經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)劣決定.

1.1 力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能

斜拉橋和懸索橋的用鋼量可以通過與具有相同理論用鋼量的兩種等跨徑純纜索體系［8］（圖1）比較來說明，圖中P為均布荷載，h為懸索體系的矢高.不難看出，懸索橋更接近于圖1a所示的懸索體系，增設(shè)的加勁梁只起傳力作用.通過對國內(nèi)外主跨800 m 以上鋼箱梁懸索橋用鋼量的統(tǒng)計，橋面單位面積用鋼量一般為420～580kg·m－2，在2 000m 跨度內(nèi)用鋼量隨跨徑的變化不大［9］.而斜拉橋的加勁梁則代替了純纜索體系中的水平索受力（圖1b），從而使拉索用鋼量大大降低，僅相當(dāng)于同跨徑懸索橋的60%左右.斜拉橋跨徑小于500m 時，主梁軸力對鋼箱梁設(shè)計的影響不明顯，主梁的多功能性提高了斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能.在小于400m 的跨徑范圍內(nèi)，主梁可以采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；在小于700 m 的跨徑范圍內(nèi)，可以采用結(jié)合梁，更能夠提高其經(jīng)濟(jì)性能.隨著跨徑的進(jìn)一步增加，主梁軸力迅速增加，軸力引起的應(yīng)力成為加勁梁強度和穩(wěn)定性的控制因素，由此增大了主梁的用鋼量.如蘇通大橋近塔處加勁梁用鋼量超過800kg·m－2，從而降低了斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能.

圖1 具有全部受拉構(gòu)件的純纜索體系的基本形式Fig.1 Basic forms of cable supported structural system with tension members

橋塔也是影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要構(gòu)件.從受力上看，由于地錨懸索橋邊跨主纜對塔頂?shù)募s束作用，塔頂水平變位較小，只要橋塔具有合適的柔度，便能使橋塔在較均勻的受壓狀態(tài)下工作.而斜拉橋則不然，塔上不平衡水平力主要由橋塔承擔(dān)，并在塔內(nèi)產(chǎn)生巨大的彎矩，橋塔必須有很好的抗彎能力，因此其橫斷面尺寸較懸索橋大.從橋塔的高度來看，懸索橋塔頂與跨中的高差由矢跨比確定，合理的矢跨比一般為1／12～1／9.而斜拉橋的高差則由最外索與主梁的夾角確定，一般最小取為20°左右，相當(dāng)于矢跨比為1／6～1／5.可見，斜拉橋的塔高在相同跨度時為懸索橋塔高的1.5～2.0 倍，加上其斷面尺寸較懸索橋大，因此其橋塔造價將高于懸索橋橋塔.

懸索橋主纜需由龐大的錨碇錨固，在陸地上重力式錨碇的造價一般占懸索橋造價的25%左右.如果錨碇需要建在水中，則造價還將大幅增加.而斜拉橋的拉索直接分散錨固在梁上，形成自錨體系.

從耐久性方面看，懸索橋的主纜不可更換，是控制全橋壽命的關(guān)鍵構(gòu)件，其養(yǎng)護(hù)就顯得尤為重要，必須采用先進(jìn)的除濕系統(tǒng)，從而增加了造價.

圖2是根據(jù)我國目前已建纜索承重橋梁的材料用量和造價［10］，經(jīng)過理論推導(dǎo)給出了在一定條件下斜拉橋和懸索橋單位橋面面積造價隨跨徑變化時的對比關(guān)系.由圖可以看出，當(dāng)錨碇條件為岸上巖石時，跨度超過900m 的懸索橋就會占優(yōu)；對于岸上軟土錨碇，則跨度1 100m 以上才對斜拉橋占優(yōu).隨著跨度的增加，斜拉橋塔、梁的用材指標(biāo)快速上升，斜拉橋和懸索橋的經(jīng)濟(jì)性對比將發(fā)生逆轉(zhuǎn).從這個意義上看，斜拉橋的跨度適用范圍不是由其極限跨徑確定的，而是由其力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能確定的.

圖2 斜拉橋和懸索橋單位橋面面積造價與跨徑關(guān)系Fig.2 Relationship between the span and the costs of per unit surface area of the deck of the cable stayed bridges and the suspension bridges

但若遇到軟土地基或錨碇必須設(shè)置在水中的情況，懸索橋的造價將大幅增加.根據(jù)以往經(jīng)驗，一般淺水基礎(chǔ)較陸上基礎(chǔ)造價提高一倍，而深水基礎(chǔ)造價則成倍增加.圖2中水中錨碇懸索橋的造價曲線是指水中錨碇為岸上錨碇造價兩倍時的曲線，此時斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢范圍將擴(kuò)大.

1.2 橋跨布置及其他

從布跨上看，懸索橋邊跨布置的靈活性大，除三跨懸索橋外，還可以布置成單跨和雙跨（圖3），邊中跨比一般為0.2～0.5.而斜拉橋邊跨要平衡中跨，邊中跨比一般為0.35～0.50.對于主跨相同的兩種橋型而言，斜拉橋的總長度則更長.

圖3 懸索橋的邊跨布置形式Fig.3 Arrangement of side span for suspension bridges

當(dāng)跨越同一水域時，為了避免水中錨碇，必須增大懸索橋的跨度；而斜拉橋的主跨跨度則可根據(jù)通航要求而定，相對較小.例如，1964 年通車的英國Forth懸索橋，為利用地形采用隧道式錨碇，將主跨增加到1 006m；由于交通量的增長和主纜鋼絲的腐蝕問題，于2007年決定在Forth橋附近新建一座橋梁代替舊橋，新建方案采用了雙向分孔通航的三塔四跨斜拉橋，跨徑布置為325 m＋650 m＋650 m＋325m，如圖4所示.斜拉橋方案既滿足了通航要求，又減小了主跨跨徑，從而降低了全橋造價.

圖4 Forth二橋效果圖Fig.4 The second Forth road bridge

對地質(zhì)條件的適應(yīng)性上，懸索橋錨碇若建在軟土地基上，有時可能會因軟基蠕變造成安全隱患，而且造價很高.這些也都是影響其競爭力的因素.

懸索橋是2階穩(wěn)定體系，不對稱荷載作用下的變形較大，其剛度主要由恒載狀態(tài)下主纜的初應(yīng)力提供，與矢跨比有關(guān).隨著橋梁跨徑的增大，結(jié)構(gòu)自重同步增加，因而結(jié)構(gòu)剛度下降較緩慢.斜拉橋由于拉索的支承，與橋塔形成三角形穩(wěn)定體系，因此主跨在千米以下時剛度大.但隨著跨徑的增大，長拉索的垂度效應(yīng)增大，主梁因軸力增大而“軟化”，斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度快速下降.盡管如此，主跨小于1 400 m時，相同跨徑下斜拉橋的剛度仍大于懸索橋.

對同跨度斜拉橋和懸索橋的4大基本構(gòu)件施工特點比較如下：

（1）錨碇.無論是隧道錨還是重力錨都是一項重大的基礎(chǔ)工程，在地質(zhì)條件好的錨位施工錨碇，技術(shù)相對成熟.但如果錨碇地處軟基或只能設(shè)置在水中，沉井、沉箱等深水基礎(chǔ)以及水面以下錨碇的施工均十分困難，將成為懸索橋建設(shè)的控制因素.而斜拉橋無需設(shè)置錨碇，對于水文和地質(zhì)條件的適應(yīng)性強，這是斜拉橋的一大優(yōu)勢.

（2）橋塔.斜拉橋橋塔較懸索橋高，體量大，隨著跨度的增加，橋塔高度增大，精確定位及保證施工期的穩(wěn)定性都有一定難度.而懸索橋橋塔的施工方法與斜拉橋基本相同，但橋塔體量小.一般情況下，懸索橋的索塔施工難度略低.

（3）懸索橋牽引導(dǎo)索、貓道的架設(shè)和主纜的張掛及編制等與斜拉橋拉索施工均有成熟的施工工藝和方法.但斜拉橋的跨度增加時，超長索重量增加、垂度變大，增加了一定的施工難度.

（4）懸索橋架梁不需要大型輔助施工設(shè)備，也不存在體系轉(zhuǎn)換過程，施工過程中風(fēng)險較小.斜拉橋一般采用懸臂法施工，隨著跨度增加，懸臂長度不斷增大，其施工難度和風(fēng)險逐漸增加.

從施工方面看，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工難度一般要大于懸索橋，超大懸臂施工有一定的難度和風(fēng)險；而懸索橋錨碇施工的難度較大，尤其錨碇處在軟基或水中時，可能成為全橋建造的控制因素.

2 斜拉橋和懸索橋與其他纜索承重橋的比較

隨著跨度的增大，要充分利用斜拉橋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有利的一面，就要在結(jié)構(gòu)體系上作變化，通過降低斜拉橋索塔高度，改善其受力性能來降低塔的造價.這樣的體系就是部分地錨斜拉橋（圖5）和斜拉懸吊協(xié)作體系（圖6）.前者可有效降低主梁最大壓力，后者不僅可降低主塔高度，改善主塔受力，同時可以減小主梁壓力，改善總的經(jīng)濟(jì)性能.

2.1 結(jié)構(gòu)剛度比較

部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系的結(jié)構(gòu)剛度隨自錨斜拉梁段長度與主跨比例的改變而改變.由于懸索橋與其他體系在1 400 m 附近形成競爭，因此對主跨1 400 m 的纜索承重橋進(jìn)行分析，從而比較各種體系結(jié)構(gòu)剛度的相對大小.

圖7a為主跨1 400m 的部分地錨斜拉橋在活載作用下主梁撓度極值與地錨段主梁長度的關(guān)系曲線［11］.地錨段主梁長度Lac為0時，結(jié)構(gòu)退化為斜拉橋；地錨段主梁長度為1 400m 時，結(jié)構(gòu)退化為全地錨斜拉橋體系.跨中地錨段主梁自重由地錨拉索平衡，隨著地錨段主梁長度的增大，減小了自錨梁段的軸向力，提高了結(jié)構(gòu)剛度.但地錨段主梁長度超過800m 后，自錨段主梁邊跨長度已經(jīng)很小，結(jié)構(gòu)剛度開始逐漸降低.由圖可見，部分地錨斜拉橋的剛度要優(yōu)于同跨徑的自錨斜拉橋，當(dāng)?shù)劐^段長度在400～1 100m 范圍時，部分地錨斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度大且變化平緩，為地錨段主梁長度的最佳取值區(qū)域.

圖7b為主跨1 400 m 的斜拉懸吊協(xié)作體系在活載作用下主梁撓度極值與懸吊段主梁長度的關(guān)系曲線.懸吊段主梁長度Lac為0時，結(jié)構(gòu)退化為斜拉橋；懸吊段主梁長度為1 400m 時，結(jié)構(gòu)退化為懸索橋.如圖所示，主跨同為1 400m 的斜拉橋和懸索橋相比較，斜拉橋的剛度更大.當(dāng)懸吊長度由0逐漸增大到200m 時，由于懸吊長度很小，所需主纜直徑也很小，主纜的重力剛度對于結(jié)構(gòu)剛度的影響不明顯，反而使得結(jié)構(gòu)的總體豎向剛度下降；懸吊長度繼續(xù)增加后，跨中懸吊部分的短吊索代替了自錨斜拉橋的長斜拉索，同時由于主纜具有較大的重力剛度，因此結(jié)構(gòu)總體豎向剛度開始逐漸增大，主梁位移減小；隨著新增吊索逐漸加長，這一優(yōu)勢逐漸減小，超過某一比例限值后結(jié)構(gòu)總體豎向剛度反而開始下降.由圖可見，當(dāng)懸吊段長度在400～1 000 m 范圍時，結(jié)構(gòu)剛度綜合了斜拉橋剛度較大和地錨剛度較大兩方面的優(yōu)點取得最大值，結(jié)構(gòu)剛度要優(yōu)于斜拉橋和懸索橋，為最佳協(xié)作區(qū).

圖7 主梁撓度極值與地錨、懸吊段主梁長度關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between deflection extremum of the beam and the lengths of earth－anchor or suspension parts

2.2 經(jīng)濟(jì)性比較

本世紀(jì)我國的橋梁建設(shè)面臨著瓊州海峽、臺灣海峽等跨海工程的巨大挑戰(zhàn)，在與隧道的競爭中，選擇合適的橋型組合關(guān)系到“橋隧之爭”的成敗.

意大利墨西拿海峽橋為主跨3 300 m 的懸索橋，造價30億美元，約合每公里30 億元人民幣.上海崇明越江隧道為10 億元·km－1，瓊州海峽隧道預(yù)計造價為25 億元·km－1，因此我國盾構(gòu)隧道的造價約在10～25 億元·km－1的范圍內(nèi)（視地質(zhì)和水深情況而異），相對應(yīng)的橋梁單位面積造價為3～8萬元·m－2.根據(jù)我們的研究和預(yù)測，給出了各種斜拉和懸索體系以及混合體系的單位橋面造價與跨徑關(guān)系的預(yù)測圖（圖8）.

由圖8可以看出：

（1）主跨小于1 100m 時，斜拉橋具有優(yōu)勢，不同跨徑范圍內(nèi)可采用相應(yīng)的主梁結(jié)構(gòu)形式，其中鋼主梁斜拉橋的適用跨徑為700～1 400m；

（2）跨度超過900 m 后，巖石錨懸索橋始終占優(yōu)，但此橋型對于橋位處的水文地質(zhì)條件要求高，因此適用性受到很大限制；

圖8 各種橋型單位面積造價與跨徑關(guān)系預(yù)測圖Fig.8 Relationship between the cost of per unit surface area of the deck and the span for various kinds of bridge

（3）岸上錨碇懸索橋的適用跨徑為1 100～2 300m，在此跨度范圍內(nèi)部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系可以與之競爭，尤其部分地錨斜拉橋在1 100～1 600m、斜拉懸吊協(xié)作體系在1 400～1 800 m 跨度內(nèi)更具優(yōu)勢，而當(dāng)跨度超過1 800m 后，岸上錨碇懸索橋占優(yōu)；

（4）跨度超過2 300m 時，一般是跨海工程的需要，錨碇可能設(shè)在水中，與部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系相比，淺水錨碇懸索橋開始占據(jù)優(yōu)勢；

（5）跨度超過3 000m 后，與隧道相比，單一主跨橋梁方案已經(jīng)不占優(yōu)勢；

（6）可以預(yù)計，橋隧競爭區(qū)將落在橋梁主跨約1 000～3 000m 的跨度范圍內(nèi).

3 多塔纜索承重橋

多塔纜索承重體系包括多塔斜拉橋、多塔懸索橋和多塔協(xié)作體系等橋型.

如圖9所示，多塔斜拉纜索體系是不穩(wěn)定的，而多塔懸索纜索體系是2階穩(wěn)定，由于中間橋塔沒有邊跨主纜的錨固作用，只能通過中塔塔頂較大的水平位移，使兩側(cè)主纜的矢跨比發(fā)生變化而得到平衡.兩個體系的中塔都缺少有效的水平約束，導(dǎo)致整體剛度不足.中塔失去纜索體系約束后，其不平衡水平力主要由塔身來承受，所以中塔塔身將承受巨大彎矩，并產(chǎn)生很大的塔頂位移，主梁的撓度因此增大，中塔與主梁的受力惡化.

圖9 多塔斜拉和多塔懸索纜索體系變形示意圖Fig.9 Deformation of multi－span cable－stayed and suspension bridges

為了提高纜索承重橋的整體剛度，常規(guī)的方法是提高中塔的縱向抗推剛度.但僅靠中塔塔柱截面增大，對于提高其抗推剛度作用不大.只有通過改變纜索系統(tǒng)或采用新的橋塔形式才能增強塔頂水平約束，解決結(jié)構(gòu)的剛度問題.

如圖10a所示（圖中虛線為橋梁中心線，體系為對稱結(jié)構(gòu)），采用柱形中間塔柱，將所有塔頂用縱向水平纜索連結(jié)起來，能夠獲得足夠的體系剛度.但隨著跨徑的增大，水平索的垂度效應(yīng)更加明顯，降低了其約束效率，因此這種方法只能用在中小跨徑橋梁上.另外加設(shè)水平纜索顯得較為凌亂，影響了橋梁景觀，因此工程中很少應(yīng)用.

圖10 提高多塔纜索體系剛度措施Fig.10 Measures to increase the stiffness of multispan cable supported bridges

如圖10b所示，中間橋塔設(shè)計成三角形，這種橋塔有兩根斜的塔柱，可以獲得足夠的水平抗推剛度.但在增加橋塔工程量的同時，也加大了橋塔基礎(chǔ)的規(guī)模，增大了下部基礎(chǔ)的造價.對于多塔懸索橋體系，采用完全剛性橋塔還需要采取一定的構(gòu)造或體系措施來解決主纜與鞍座間的滑移問題.

綜合比較以上兩種方案，采用三角型橋塔方案經(jīng)濟(jì)性能更好.對于采用三角形結(jié)構(gòu)橋塔的多塔體系，其中間塔較之傳統(tǒng)雙塔體系橋塔所需材料均要增大1倍以上.由前文對斜拉橋和懸索橋橋塔經(jīng)濟(jì)性能的比較可知，多塔斜拉橋的橋塔所需費用更多.

多跨斜拉橋是自錨體系，無需錨碇，對水文、地質(zhì)條件適應(yīng)性強.多跨懸索橋為地錨體系，需要設(shè)置大體積的錨碇，對于長距離跨海工程而言，需要解決深水錨碇的設(shè)計和施工問題.但多塔懸索橋隨著一聯(lián)跨數(shù)的增多，錨碇費用將平攤到單位橋長，其經(jīng)濟(jì)性能有所提高.主跨跨徑越大，一聯(lián)橋塔數(shù)量越多，多塔懸索橋比多塔斜拉橋就越有優(yōu)勢.初步估算，三塔斜拉橋的優(yōu)勢跨徑在1 100 m 以內(nèi)，四塔以上的優(yōu)勢跨徑在1 000 m 以內(nèi)，具體跨徑還要視橋位和布跨情況而定.

與雙塔體系類似，為了充分利用斜拉橋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有利的一面，可以考慮采用多塔斜拉懸吊協(xié)作體系.多塔協(xié)作體系的斜拉部分長度比多塔斜拉橋短，降低了主塔高度并減小了主梁軸向壓力；與多塔懸索橋相比，僅跨中部分梁段恒載由主纜承受，減小了主纜和錨碇尺寸.因此多塔協(xié)作體系改善了這兩種橋型的一些受力性能，其優(yōu)勢跨徑在1 100m 以上.

為了進(jìn)一步驗證上述分析，對主跨跨徑均為1 000m 的四塔五跨多塔斜拉橋、多塔懸索橋和多塔協(xié)作體系進(jìn)行對比分析，各方案總體布置見圖11.各方案的中塔與邊塔均為混凝土橋塔且結(jié)構(gòu)形式相同，主梁采用流線型鋼箱梁，全寬均為39.1m，主要計算參數(shù)見表1，關(guān)鍵截面的受力見表2.

圖11 主跨1 000m 多塔纜索體系方案（單位：m）Fig.11 Proposals for multi－span cable supported bridges with main span of 1 000m（unit：m）

表1 主要計算參數(shù)表Tab.1 The main design parameters

由表2可知，恒載下多塔協(xié)作體系的中塔塔頂主纜軸力僅為多塔懸索橋的一半，因此所需的錨碇規(guī)模和施工難度比懸索橋小，降低了主纜和錨碇的用量.但在活載作用下中塔塔頂主纜兩側(cè)軸力差比多塔懸索橋更大，兩種體系均需要采取一定的構(gòu)造或體系措施提高纜鞍防滑安全系數(shù).

在恒活載共同作用下，邊塔和中塔塔底軸力各體系差別不大；邊塔塔底彎矩，多塔斜拉橋最大；中塔塔底彎矩，多塔懸索橋最大.活載作用下的塔頂位移，多塔斜拉橋遠(yuǎn)大于其他兩種體系，多塔協(xié)作體系則與多塔懸索橋相差很小.多塔纜索體系的中塔較邊塔受力惡化，多塔協(xié)作體系橋塔的受力以及塔高均介于其他兩種橋型之間.綜合比較邊塔與中塔的力學(xué)性能，在滿足塔身應(yīng)力和保持足夠彎曲剛度的條件下，協(xié)作體系的橋塔材料用量最為經(jīng)濟(jì).

活載作用下的跨中主梁撓度多塔懸索橋最大，而多塔斜拉橋最?。坏慊钶d共同作用下，多塔斜拉橋主梁的彎矩極值最大，多塔懸索橋的最小.

通過以上對比分析可知，多塔協(xié)作體系的力學(xué)性能介于多塔斜拉橋和多塔懸索橋之間，具有更好的適應(yīng)性.主跨跨徑在千米以下時，可與多塔斜拉橋進(jìn)行力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能的比選；當(dāng)主跨跨徑超千米后，多塔斜拉橋逐漸失去原有的經(jīng)濟(jì)性，此時多塔協(xié)作體系可與多塔懸索橋進(jìn)行比選.

表2 3種體系關(guān)鍵截面受力比較Tab.2 Comparison of forces in the key sections among the three systems

綜上所述，由于主纜不能更換、必須增加防腐費用以及水中錨碇基礎(chǔ)技術(shù)的困難，懸索橋在千米以下已處于劣勢.許多海峽工程如能避開深水區(qū)，并采用分孔航道的布置，如費馬恩海峽和瓊州海峽西線都可用主跨千米以內(nèi)的多塔斜拉橋解決.如果公鐵同時過海峽，剛度相對較大、抗風(fēng)性能又好的斜拉橋?qū)⒏欣?，也能滿足30萬t海輪的通航要求，并且對隧道方案具有競爭優(yōu)勢.如果平均水深超過150m 的海峽，如直布羅陀海峽，則只能采用跨度3 000m 左右的多塔連續(xù)懸索橋，但在經(jīng)濟(jì)性上難以和隧道匹敵.

可見，懸索橋的適用范圍已受到限制，小于1 000m時比不過斜拉橋；大于2 000m 時將面對隧道方案的有力競爭；而在1 000～2 000m 范圍內(nèi)，隨著水深的增加，采用部分地錨斜拉橋或斜拉懸吊協(xié)作體系，錨碇體量相對于懸索橋減小，施工難度也有所降低，因此懸索橋也不占優(yōu)勢.除非水中錨碇的技術(shù)有所突破，使造價降低.目前，懸索橋的使用可能只限于地形適合1孔或2孔跨越，且岸上錨碇處地質(zhì)條件又有利的特殊情況，如舟山西堠門大橋.臺灣海峽通道也只有采用多塔斜拉橋，以避免60～80m水深的錨碇基礎(chǔ)，才能對隧道方案具有競爭力［12］.

4 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)受力特點出發(fā)，分析了纜索承重橋的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能，并就其耐久性、橋跨布置的靈活性、可施工性以及結(jié)構(gòu)剛度等方面開展討論.對于雙塔三跨的纜索承重橋，得出以下主要結(jié)論：

（1）主跨小于1 100m 時，斜拉橋在經(jīng)濟(jì)性能、結(jié)構(gòu)剛度、抗風(fēng)性能以及拉索可更換性等方面較其他橋型具有優(yōu)勢，是優(yōu)先選擇的體系.

（2）在1 100～1 800m跨度范圍內(nèi)，斜拉橋、協(xié)作體系和岸上錨碇的懸索橋這3種體系有競爭，可考慮錨碇和基礎(chǔ)處水深及其他因素比較確定；主跨超過1 800m時，懸索橋與隧道形成競爭，因此要慎用懸索橋.

（3）對于多塔纜索承重橋，隨著每聯(lián)跨數(shù)增加，懸索橋的競爭力提高，其他橋型的優(yōu)勢跨徑有所減小，但在千米以內(nèi)，斜拉橋仍具有優(yōu)勢.

（4）為提高纜索承重橋?qū)λ淼婪桨傅母偁幜?，需要對以下兩個方面進(jìn)行深入研究——加強對深水基礎(chǔ)的研發(fā)，降低各種纜索承重橋的適用跨徑；對淺水錨碇的施工技術(shù)進(jìn)行研究，為懸索橋和部分地錨斜拉橋及協(xié)作體系做好技術(shù)儲備.

橋位地質(zhì)水文條件、橋跨布置形式以及新材料的發(fā)展和施工新技術(shù)的發(fā)明，都會改變上述結(jié)論.在新一輪建橋工程中，應(yīng)充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，揚長避短，用最合理的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)新的跨越.

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