組合體系橋的發(fā)展與前景

蘇俊龍

摘要：隨著橋梁建設(shè)理論與體系的快速發(fā)展與橋梁的快速修建，以及新材料、新軟件、新工具的應(yīng)用，人們開始對橋梁有了基本交通功能以外的要求。更加美觀，甚至成為地標(biāo)性建筑成了現(xiàn)在人們對橋梁的另一大的關(guān)注點。組合體系橋以其新穎的結(jié)構(gòu)、耳目一新的視覺感受很好的迎合了這一要求。目前使用最多和最為成熟的組合體系橋有梁拱組合體系橋、自錨式懸索橋和矮塔斜拉橋。本文從這三類組合體系橋梁的產(chǎn)生、發(fā)展與前景來對其在以后橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行合理的評價，為以后對組合體系橋進(jìn)行大規(guī)模的研究和使用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

組合體系橋；產(chǎn)生；發(fā)展；前景

1 組合體系橋的產(chǎn)生與發(fā)展

1.1 梁拱組合體系橋

1.1.1梁拱組合體系橋的產(chǎn)生與發(fā)展

組合體系拱橋是在拱式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行受力方向的改變而得到的。在設(shè)計過程中，將鋼架、梁、拱等多種承載結(jié)構(gòu)組合在一起，或者將行車道板（梁）與拱組合，形成整體，承受荷載。

梁拱組合體系橋是目前組合體系橋梁中較為常見的一種，它的雛形在100年以前就產(chǎn)生于設(shè)計者的大膽試驗中。緊接著1858年，奧地利人蘭格爾獲得了剛性梁柔性拱的系桿拱橋?qū)＠Ｔ?9世紀(jì)末期，洛澤拱橋的先驅(qū)——透鏡形弦桿鐵路橋在德國的易北河上成功建造了，其主跨為96.35m，總共有10跨。

我國于20世紀(jì)初開始研究組合體系橋，金成棣（2000）教授用了大量的精力來研究梁拱組合體系橋的施工和設(shè)計。 [4]

劉世忠等（2009）運用自行設(shè)計的SMAD有限元軟件，建模和分析了具有V型橋墩的剛構(gòu)梁拱組合體系橋的受力，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。最終對于其所具有的溫度應(yīng)力、收縮徐變內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力帶來的不利影響，給出了解決方案。[7]

1.1.2 梁拱組合體系橋的特點

將梁結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)相組合，也就形成了梁拱組合體系橋。他具有梁和拱兩種結(jié)構(gòu)的特點，也就是及能承受較大拉力，又能保證結(jié)構(gòu)剛度值、極限承載力和材料利用度。[9]

1.2 自錨式懸索橋

1.2.1 自錨式懸索橋的產(chǎn)生與發(fā)展

19世紀(jì)60年代，奧地利工程師Josef Langer和美國工程師Charles Bender首次提出了自錨式懸索橋的構(gòu)想。20世紀(jì)初，設(shè)計師們開始對自錨式懸索橋進(jìn)行試驗。1915年，德國的設(shè)計師設(shè)計修建了第一座大型自錨式懸索橋——科隆—迪茲橋（圖1），該橋主跨為185m。

從那之后，美國和日本在其影響和啟發(fā)下，相繼修建了4座自錨式懸索橋，提高了施工技術(shù)。

在20世紀(jì)下半葉，自錨式懸索橋由于其跨越能力達(dá)不到要求、體系轉(zhuǎn)換存在問題、施工難度等缺點，開始受到冷落。之后一段時間，橋梁美學(xué)開始受重視，設(shè)計師重新審視自錨式懸索橋在結(jié)構(gòu)和環(huán)境相互協(xié)調(diào)以及藝術(shù)與文化的結(jié)合上的表現(xiàn)，對這一橋型進(jìn)行了新的嘗試。美國在舊金山的奧克蘭海灣建設(shè)了主跨為380m的自錨式懸索橋。這座橋是自錨式懸索橋發(fā)展史上一座里程碑，也標(biāo)志著21世界自錨式懸索橋建設(shè)頂峰的到來。[12]

中國在20世紀(jì)末的自錨式懸索橋發(fā)展高峰，進(jìn)步的很快。2002年我國建成了世界上第一座鋼筋混凝自錨式懸索橋——大連市金石灘金灣橋，該橋的加勁梁率先采用拱形，使懸索橋形成了吊拱體系，主纜的水平分力抵消了拱腳的推力。實現(xiàn)了在滿足跨中主拱的通航凈空要求的同時，又將主梁兩端高度降低，減少引橋長度，節(jié)約了成本。之后，佛山于2006年建成了當(dāng)時跨度最大的獨塔自錨式懸索橋——佛山平勝大橋，其主跨為350m；2010年，建成首座海上自錨式懸索橋——青島海灣大沽河航道橋。

1.2.2 自錨式懸索橋的特點

主纜的抗拉剛度和矢跨比與自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度有著正相關(guān)的關(guān)系；為了降低自錨式懸索橋的跨中彎矩，可以采用在加勁梁上設(shè)置拱度的方式?？紤]條件，如果允許的話，錨固在主纜上的加勁梁可以向外延伸一跨或者多跨，以提高結(jié)構(gòu)的性能；梁的受力性能受到吊桿間距的影響，且其關(guān)系是非線性的；在動力方面，由于懸索體系的存在，它的特點是振型密集、自振周期長。

1.3 矮塔斜拉橋

1.3.1 矮塔斜拉橋的產(chǎn)生與發(fā)展

矮塔斜拉橋，又名“部分斜拉橋”，它的主要受力構(gòu)件形狀和彎矩圖相似，滿足橋型要求。[16]

1988年，法國人馬秀佛特（Mathivat）教授首次正式提出矮塔斜拉橋這一橋型。日本對矮塔斜拉橋相當(dāng)重視，1994年，第一座矮塔斜拉橋——小田原港（OdawaraBlueway）橋在日本建成。按照馬秀佛特的設(shè)計，拉索穿過鞍座，錨固在主梁之上。[14]

之后，日本又開始研究將最新誕生的波形鋼腹板和體外預(yù)應(yīng)力運用在矮塔斜拉橋上。2000年，日本采用體外索方案，建成塔梁固結(jié)的士狩大橋，針對預(yù)應(yīng)力的施加。

東歐、韓國、美國等世界上其他國家也在對矮塔斜拉橋進(jìn)行研究和建設(shè)。

我國在矮塔斜拉橋領(lǐng)域的研究和建設(shè)起步比較晚，但是發(fā)展很快。2000年，我國建成世界上首座采用鋼桁架作為主梁的雙層矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋（圖2），該橋為公軌兩用橋，主跨為312m。

2001年，福建建成主跨為132m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁矮塔斜拉橋——漳州戰(zhàn)備大橋。在這之后，我國的矮塔斜拉橋技術(shù)發(fā)展速度越來越快，2014年，我國建成了目前國內(nèi)最大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋——大連長山大橋，主跨長達(dá)540m，采用的是雙塔雙索面形式。

1.3.2 矮塔斜拉橋的特點

主梁作為矮塔斜拉橋主要的受力構(gòu)件，其剛度很大，斜拉索起到一個調(diào)整和加勁的作用。斜拉索的恒載索力占總索力（恒載索力+活載索力）的比重較斜拉橋大，斜拉索的應(yīng)力變幅較小，疲勞問題不突出，因而斜拉索的容許應(yīng)力可取0.6，從而降低工程造價。矮塔斜拉橋較連續(xù)梁橋跨徑更大，成本更低，并且具有施工簡單的優(yōu)點；矮塔斜拉橋較普通斜拉橋具有材料成本低、主梁剛度大和施工容易等優(yōu)點。

2 組合體系橋存在的問題與發(fā)展前景

2.1 梁拱組合體系橋存在的問題與發(fā)展前景

計算方面：只有經(jīng)常接觸該類橋計算的設(shè)計師才能做到較快的通過力學(xué)公式，計算和分析，得到梁拱組合體系橋的各個結(jié)構(gòu)協(xié)作機理。另外，值得提到的一點是，對于拱形結(jié)構(gòu)，我們考慮的安全系數(shù)為4-5，而對于梁拱抗彎剛度比值較大的梁拱組合體系，具體的數(shù)值還需要在大量實驗和實踐的基礎(chǔ)之上，分析得出更為貼切的結(jié)果。

結(jié)構(gòu)和受力方面：單一的梁拱組合體系受力性能受到限制，主要只能用于中小跨徑的橋梁中，在加大跨徑方面，該體系還需要在結(jié)構(gòu)上做些改動；而針對橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)實穩(wěn)的問題，還需要在整體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行研究和改進(jìn)，比如加上風(fēng)撐等額外結(jié)構(gòu)物；由于主梁為混凝土梁，其收縮、徐變特性還需要得到更進(jìn)一步研究，改變結(jié)構(gòu)體系以減小收縮、徐變的影響。

在條件不同的地方，我們還需要在梁拱組合體系橋上做其他的改變。針對剛拱柔梁、剛拱剛梁和柔拱剛梁三類體系，不同施工階段，橋的受力情況和參數(shù)確定，還需要更為細(xì)致的研究，S. H. Ju（2003）采用了有限元分析的方法，分析了拋物線拱橋（系桿拱、上承式拱橋和提籃拱）的拱肋有效長度，得出了拱肋的傾斜角、轉(zhuǎn)動慣量、跨徑和矢高等參數(shù)的影響公式。

2.2 自錨式懸索橋存在的問題與發(fā)展前景

計算方面：（1）在考慮靜力荷載對自錨式懸索橋的幾何非線性影響時，考慮將接觸和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性分析加入進(jìn)去。（2）在自錨式懸索橋，特別是修建于海上的自錨式懸索橋的施工階段的的動力特性和抗震抗風(fēng)問題上，還需要加深研究和分析。

構(gòu)造方面：（1）考慮新材料和結(jié)構(gòu)在自錨式懸索橋上的適用性，比如CFRP主纜等新材料主纜和分離式的箱梁作為懸索橋的加勁梁等。（2）分析不同結(jié)構(gòu)、不同跨徑、不同主梁截面的自錨式懸索橋固有振動頻率。（3）在主纜錨固處改變結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低自錨式懸索橋造價。

施工方面：（1）需要加深在針對自錨式懸索橋施工中體系轉(zhuǎn)換問題和吊索張拉時的非線性過程分析上的研究。（2）優(yōu)化施工過程中吊桿張拉時的吊桿力施加，降低其盲目性。

2.3 矮塔斜拉橋存在的問題與發(fā)展前景

計算方面：（1）針對目前對跨徑的普遍高要求，我們還需要對大跨徑矮塔斜拉橋的受力性能進(jìn)行模擬和分析。（2）對斜拉索錨固處的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。（3）針對矮塔斜拉橋的不同情況下，計算出最合適的跨徑。

材料方面：（1）將目前最新的強度高、質(zhì)量輕、耐久性好的材料應(yīng)用于矮塔斜拉橋上。（2）加強在拉索所用材料上的疲勞研究，特別是在正式安裝上之后的疲勞模擬。

構(gòu)造方面：（1）將斜拉橋與更多的橋型結(jié)合起來是現(xiàn)在一大探究方向。（2）為了改善施工中對調(diào)節(jié)索力精度的高要求，對柔梁剛塔形式的矮塔斜拉橋進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析。（3）在拉索和預(yù)應(yīng)力優(yōu)化的程序上，由于施工和成橋階段的索力不一致所帶來的問題還需要解決。

3 結(jié)語

本文針對三種最為普遍的組合體系橋：梁拱組合體系橋、自錨式懸索橋、矮塔斜拉橋，進(jìn)行了產(chǎn)生、發(fā)展、存在問題以及前景的綜述?？偣膊殚喴话儆嗥墨I(xiàn)，從每種橋型的構(gòu)想產(chǎn)生到第一座成橋建成，從發(fā)展到前景，系統(tǒng)的描述和構(gòu)建了組合體系橋領(lǐng)域的框架。

目前是我國橋梁建設(shè)和發(fā)展的過渡階段，組合體系橋開始受工程師們的青睞，既能有梁的特點能承受較大拉力，又有拱的特點承受荷載潛力大的梁拱組合體系橋；不用修建龐大錨錠和隧道錨，且依然具有懸索橋美觀等優(yōu)點的自錨式懸索橋；跨越能力大、主梁剛度大、成本低的矮塔斜拉橋就開始出現(xiàn)在人們的視線之內(nèi)。

但是僅有這三類橋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能不滿足人類對橋梁事業(yè)發(fā)展的需要的。我們還需要在橋梁的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、外形、材料上下功夫，將受力特點不同的基本體系合理的組合起來，使橋梁的主要的承重構(gòu)件能具有較為合理的使用狀況，并提高其美觀性、跨越能力、耐久性等能力。針對目前高鐵技術(shù)的大發(fā)展和跨江、跨海的大跨徑橋梁的大修建，組合體系橋的研究和發(fā)展應(yīng)該更加往這些方面靠攏，滿足國家和人民的要求。

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