简析斜拉桥的优缺点

陈于德

[摘 要]拉桥是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。由于施工环境恶劣、施工工序多、施工工艺复杂，大跨径斜拉桥在整个施工过程中将面临各种风险，极易出现各种事故。本文主要对斜拉桥的优缺点进行了分析。

[关键词]斜拉桥；承载内力；优缺点

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.02.039

斜拉桥是由高强度鋼索（拉索）、塔柱和主梁构成的组合体系。基本构想是，利用由塔柱引出的斜向拉索悬吊跨越桥孔的主梁，使主梁像跨径显著缩小的多跨弹性支承连续梁那样工作。

1 斜拉桥的优点

1.1 跨越能力大

连续梁桥与斜拉桥的承载内力与变形对比可见，因拉索提供多点弹性支承，使主梁弯矩、挠度显著减小，斜拉桥的跨越能力大大增强。

斜拉桥的经济合理适用跨径范围，目前较普遍的看法为200～800m。斜拉桥和其他桥型在材料用量上的比较，每平方米桥面的混凝土用量，当L≥100m后，斜拉桥最省；钢材用量，在L≥150m后，混凝土斜拉桥也是最省的。至于钢斜拉桥，当L>300m后，其用钢量比悬索桥稍多。墩台混凝土用量，斜拉桥总是最少的。

1.2 建筑高度小

主梁轻巧，其高通常为跨径的1/100～1/50，既能充分满足桥下净空需要，又有利于降低引道填土工程量。

1.3 受力合理

斜索拉力的水平分力为主梁提供预压力，可提高主梁的抗裂性能。

1.4 设计构思多样性

没有一种桥型能像斜拉桥那样演变出千姿百态的造型。由于塔、索、梁的组合多样性，为设计的构思提供广阔的变化空间，可适应多种不同的使用要求与桥址自然条件。

1.5 悬臂法施工方便安全

悬臂施工法是斜拉桥普遍采用的方法，特别适用于净高很大的大跨径斜拉桥，有悬臂拼装、悬臂浇筑或悬拼与悬浇相结合诸种。悬臂施工阶段应充分发挥斜拉索的效能，以尽量减轻挂篮承重；通过索力调整使主梁受力均匀合理，是保障经济、安全的重要措施。

1.6 刚度大

与悬索桥相比，斜拉桥的竖向刚度与抗扭刚度均较大，抗风振稳定性好，且无须大型锚碇，故在适用跨径范围内，悬索桥总造价将比斜拉桥超过20%～30%。

斜拉桥的拉索直接支在桥塔上，而悬索桥的吊索则悬挂在支承于桥塔间的柔性承重主缆上，故两者结构风动力性能差别很大。资料分析表明：对跨径相同悬桥塔下均设铰支承的三跨连续的斜拉桥和悬索桥，当中跨承有相当60%恒载的均布活载时，其中跨挠度比为1∶1.55，边跨挠度比为1∶3.85，而桥塔顶水平位移与中跨跨径之比，悬索桥为0.25%，斜拉桥为0.1%，相差1倍以上。

当风（通常是非恒定的）绕过桥梁时总会形成非定常的气流，这种速度和方向随时间变化的气流作用就是风的动力作用，它将引致低风速的共振和较大风速的颤振，后者当风速超过颤振临界风速时，桥梁的弯曲与扭转振动的振幅就会无限扩大直至吹毁桥梁。

斜拉桥的风动力性能虽因结构刚度良好，扭转与竖弯曲频率比较大而较悬索桥为优，但在强风地区、大跨径和桥宽较小的情况下也不可忽视。目前，混凝土斜拉桥的自重为14kPa，而钢斜拉桥自重轻，仅3.4kPa，故风振对后者的影响更大。

保证桥梁风振稳定性的基本办法是提高临界风速Vcr并采取适当的减小风振措施。当Vcr≥60m/s时，风振毁坏概率仅为1/2000。我国《公路斜拉桥设计规范》规定，桥梁临界风速宜取设计风速的1.2～1.5倍，以保证风振安全。

1.7 桥型美观

高昂的桥塔、坚劲的斜索和轻盈的主梁相结合，似曼妙竖琴和远航的征帆，充分体现当代桥梁力与美的高度和谐。目前，雄伟飘逸的塔墩固结飘浮体系和稳健挺拔的塔梁固结单索面体系竞相媲美。

2 斜拉桥的缺点

2.1 设计计算困难

由于斜拉桥设计构思要考虑的变量很多，包括塔墩、索面、主孔跨径L与分跨比m、桥宽B、塔高H、主梁的梁高h和几何特性（截面积A、惯性矩I）、塔载面积S与惯性矩Jx和Jy、拉索索距λi、倾角ai、钢索换算弹性模量E、混凝土弹性模量Eb、辅助墩设置等，因此，寻求技术经济合理的桥型方案是很不容易的。

桥型方案的好坏差别很大。为搞好设计构思，通常应将上述变量进行分类，把那些依据具体条件与可靠经验就能判断的变量首先固定，再将通过工程推理和简化分析就可得到的结果确定下来，然后剩余下来的不能迅速判断和需与其他因素综合权衡的变量通过优化获取。

斜拉桥结构计算复杂困难，即使应用现代化的计算机计算手段也往往要耗费大量机时，主要原因如下：

（1）斜拉桥系高次超静定组合结构，对目前广泛采用的密索体系计算更复杂。

（2）斜拉桥非线性影响突出，主要有斜索重要效应、结构大变形效应和塔、梁弯矩轴力组合效应等。

（3）配合施工过程控制需进行倒拆法与正装法结构分析。斜拉桥在施工过程中，结构图式不断演进变化直至成桥，为使施工完成后的成桥实际受力状态与设计预想基本相符，必须按既定的不同施工阶段拟订计算简图，计算各阶段产生的内力、应力与位移，以便适时进行索力调整和主梁标高控制，保证结构合理受力与施工安全。

（4）斜拉桥动力分析（抗风、抗地震）需采用空间结构进行。斜拉桥抗风分析常需通过风洞试验模型验证，而抗震验算时应将峰值高而持续时间短的地震波和峰值较低而持续时间较长的地震波分别输入，进行分析比较。当然，最好是采用桥址当地地震台的地震波谱。

2.2 施工技术要求高

斜拉桥工序繁复，高空作业多，施工过程控制严格。

2.3 连接构造较复杂

索与塔、梁的连接构造较复杂，索锚抗疲劳性能和钢索防护措施有待不断改进。

总之，斜拉桥结构体系的选用，应根据地形地质条件、支座吨位、施工方法、行车平顺性和抗风、抗震要求等因素综合考虑。随着我国经济发展，材料、机械、设备工业相应发展，这为我国修建大跨径斜拉桥和悬索桥提供了有力保障。再加上广大桥梁工程师们的精心设计和施工，使我国修建桥梁水平已跻身于世界先进行列。

参考文献：

[1]马晓强.预应力混凝土桥梁施工质量控制[J].价值工程，2011（9）.

[2]蒋天勇.碳纤维预应力筋及拉索锚固系统的试验研究和理论分析[D].长沙：湖南大学，2008：41-43.

[3]盛洪飞.桥梁墩台与基础工程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005：91-94.

[4]客货共线铁路桥涵工程施工技术指南.TZ203-2008[M].北京：中国铁道出版社，2009.