曲线梁斜拉桥的结构特点与设计方法

李 清，曹 峰

（九江市城市规划市政设计院，江西 九江 332000）

0 引言

斜拉桥是最新型的现代桥梁结构型式，虽然其发展历史不是很长，但确因为结构受力明确、外形美观、跨越能力强等特点，被广泛地应用于公路桥梁和城市桥梁的建设中。随着桥梁建设技术的发展，即便是如斜拉桥此类重大型桥梁，也能够适应路线设计的要求，建设成曲线型式的斜拉桥结构，因而，在城市环境的曲线梁斜拉桥结构，因为其独特的美观造型、明确的结构受力特性、对地基基础要求低等特点，被越来越多地设计采用。

曲线梁斜拉桥结构，由于曲线梁显著的弯扭耦合效应，一般设计成曲线梁矮塔斜拉桥结构体系，梁体的弯扭耦合效应由主梁本身承担，而斜拉桥辅助梁体结构受力，形成造型美观的曲线梁矮塔斜拉桥结构。1980年ChristianMenn设计的甘特大桥就是曲线梁矮塔斜拉桥的先驱，该桥梁主跨174m，全长678m，由7塔8跨组成，混凝土箱梁通过预应力混凝土斜拉板悬挂在矮塔上。随后矮塔斜拉桥结构型式的设计特点被广泛研究，从而设计出了诸如瑞士SunnibergBridge,威尔士Swansea市的SailBridge等桥梁结构，推进了曲线梁矮塔斜拉桥的设计与应用[1,2]。

本文详细研究曲线梁矮塔斜拉桥的结构受力特点，分析主梁、拉索、索塔等主要构件的受力特点；其次，指出进行曲线梁矮塔斜拉桥设计的关键问题，如主梁的弯扭耦合效应，曲线梁构造对拉索索力影响、对索塔设计要点等；最后总结进行曲线梁矮塔斜拉桥设设计的要点和方法。

1 曲线梁斜拉桥的结构特点分析

曲线梁矮塔斜拉桥集聚了曲线梁桥及矮塔斜拉桥的结构特性，并综合运用两者的结构优势，成为适应道路曲线规划、景观需求的极具竞争力的大跨径桥型之一。首先分析曲线梁斜拉桥的结构特点，包含主梁、拉索和索塔的各自受力特性，分析其与曲线梁桥和矮塔斜拉桥的差异；其后，分析曲线梁斜拉桥结构体系特点及其空间受力行为。

1.1 曲线梁斜拉桥构件受力特性

曲线梁斜拉桥的主梁，最显著的受力特征是弯扭耦合效应，即梁体在发生竖向弯曲的同时，由于曲率的影响，内外梁体的刚度不同，便会在梁截面形成扭转的效应，扭转的同时又会导致梁体的弯曲变形[3]。由于弯扭耦合效应，弯桥的变形要比相同跨径的直桥要大，同时使得内外梁体在平衡荷载作用下产生不平衡的结构响应。其使用受到一定限制。

曲线梁斜拉桥的斜拉索，起到了弹性支撑主梁的作用，斜拉索的存在丰富了桥梁的施工工艺，悬臂施工技术城市斜拉桥施工建造的重要手段，如果配合斜拉桥进行曲线梁桥的施工，则可以因为拉索的存在，显著改善曲梁在施工过程中的因为内外梁体重量不一而产生的翻转倾覆问题，能够加大桥梁的建设跨径。同时，斜拉索的存在使得主梁受到弹性支撑作用，明显加大了原来曲线梁桥的跨越能力。

曲线斜拉桥的索塔，主要受到拉索的空间索力作用，使得其纵向、横向和竖向都受到显著的荷载作用。索力纵向分量使得索塔受到纵向弯曲效应，这与常规斜拉桥的索塔受力模式基本相同；索力横向分量使得索塔受到横向荷载作用产生横向屈曲，因此如果采用独柱索塔需要做成一定倾斜角度，使得横向荷载转移为索塔轴力，更多时候索塔设计成框架结构型式，以抵抗横向受力荷载；索力竖向分析使得索塔承受轴力作用，这与常规斜拉桥的受力特点也是相同的。

1.2 曲线梁斜拉桥体系受力特性

曲线梁斜拉桥的体系受力特点，最典型的就是斜拉索与曲线梁的协同受力模式。斜拉索对曲线梁体的支撑效应见图1，图1中显示了双塔曲线部分斜拉桥某一对索力产生的分力，水平分分力的大小除与曲率半径相关外，还与塔柱与主梁轴心线的相对位置有关。研究表明，曲线梁由于本身的弯扭耦合效应，在荷载作用下，主梁由跨中到支座会集聚扭矩，扭矩到支座处便会产生内外支座不同的支反力，严重状况还会产生倾覆。但在曲线部分斜拉桥中，主动施加的斜拉索竖向分力也是弯扭耦合的，可以通过调整内外侧索力的大小抵消主梁的弯扭耦合作用。

图1 曲线梁矮塔斜拉桥索力

曲线梁配合斜拉索同样改善了一般斜拉桥的相关受力性能，直斜拉桥在竖向平面受力良好，但是横向平面内，在风荷载作用下，结构的稳定性问题突出。曲线梁在横向平面内是弧形的，若在梁桥的两端设置横向水平支撑，则梁体横向受力特性近似于“平面拱”，极大提高水平方向的稳定性，改善了桥体结构的横向静力与动力响应。

虽然斜拉索的存在改善了曲线梁在施工及运营中的扭矩分布，但是斜拉索并不能直接减少扭矩的大小，当某种荷载施加后，结构只能通过内部的自我调整来减弱弯扭耦合效应，并非每个阶段都可以通过斜拉索调整内外梁体的不平衡力，所以，通过有限次的拉索张拉实现结构良好受力状态变得尤为重要。由于主梁轴线位于平面圆曲线上，斜拉索索面将是一个曲面，索力除了产生竖向和水平分力外，还要产生横桥向的分力，这将使主梁产生显著的横向弯曲，同时塔柱也要承担横桥向水平力，该作用随曲率半径的减小越来越明显，使全桥呈现非常明显的空间受力特性，对于索塔及主梁受力较为不利。

由此可知，斜拉桥是将曲线梁桥往大跨径方向发展的较好选择，曲线梁矮塔斜拉桥能够综合斜拉桥和曲线梁桥的各自优势，因此在实际工程中有较多应用。

2 曲线梁斜拉桥设计关键问题与方法

曲线梁斜拉桥独特的结构受力特点，在开展结构设计时就需要明确这些关键问题，并开展针对性的设计，满足结构受力安全与长期使用性能的要求[4]。

2.1 构件设计要求与方法

首先，曲线梁斜拉桥的主梁是曲线型式，具有非常显著的弯扭耦合效应，因此主梁的设计构造应该按照曲线梁的主梁设计方法开展，最好设计成能够抵抗弯矩和扭矩的箱梁结构型式，提高整体断面的受力稳定性；

斜拉索采用空间索面结构型式，由于斜拉索对于主梁的作用会产生横向弯曲，需要考虑曲梁的曲率特点选择拉索的布置间距，使得斜拉索索力横向分力作用下曲梁的面内受力呈现拱的受力特点；

索塔相对于常规斜拉桥的典型差异是横向弯曲，因此尽量将索塔设计成能够抵抗弯矩作用的桥梁型式。当结构跨径不大时可以采用独柱式索塔，并在横向设计成一定角度的倾斜，使得水平力和竖向力的合力与索塔倾斜角度相同，这样能够保证索塔基本承受轴向荷载作用。当结构跨径很大时，则应该设计成横向联系的框架索塔结构型式，能够最大程度抵抗索力作用下的索塔横向弯曲问题。

2.2 斜拉索与曲线梁的空间配置

在常规半径和跨径范围内，曲线梁外弧自重大，内弧自重小，会产生绕形心的扭转，且自重极度在纵桥向沿弧形分布，又将产生绕支承线的扭转效应，曲线外侧的支反力增大、内侧支反力减小，主梁承担弯矩及扭矩共同作用，称之为弯扭耦合效应。

斜拉索的存在能够调整内外梁的受力问题，显著降低弯扭耦合效应对主梁的影响，因此主梁结构可以设计成轻巧型，但需要考虑斜拉索横向分力作用下对曲线梁的面内受力。因此，需要根据曲线梁的跨径及曲率，设计适宜的斜拉索布置间距和成桥索力，使得主梁的受力变得稳定，提高其横向屈曲和竖向屈曲的稳定系数。

2.3 塔梁墩连接体系的设计

曲线梁矮塔斜拉桥的约束体系选择，是影响结构整体空间受力行为的一个重要问题。从塔、梁、墩的联结上来看，矮塔斜拉桥的塔梁墩连接体系主要有以下塔墩固结、塔梁固结和固结体系三种，见图2。

图2 塔梁墩连接方式

塔墩固结体系：该体系塔墩固结而塔梁分离，可看作是具有多点弹性支承的连续梁，由于有竖向支承，塔柱处主梁有峰值负弯矩，温度和收缩徐变内力大，设计中需要校核这些因素的影响程度；该体系的优点是索塔与桥墩的受力特点明确、设计简单。

塔梁固结体系：该体系塔、梁固结，主梁支承在桥墩上，也可视为具有多点弹性支撑的连续梁，该体系的特点是塔墩处的弯矩可降低，而且可减小主梁的轴向拉应力。但是主梁在墩顶处的转角位移会导致塔柱的倾斜，使主梁跨中的挠度和边跨的负弯矩显著增大，对结构受力不利，另外还需设置大吨位的支座，以支承上部结构的恒载、活载反力。

固结体系：该体系斜拉桥的特点是主梁、塔柱、桥墩三者互为固结，实际上形成了多点弹性支承的刚构体系，这种斜拉桥体系与塔梁固结体系相比，可以免除大型支座，而且结构的整体刚度很大，使主梁的挠度减小，该体系若采用双塔形式则温度应力较大，所以这种体系比较适合独塔或墩高较大的情况。塔梁墩固结体系斜拉桥一个最大的特点是主梁在固结处的负弯矩较大。

需要根据实际桥梁设计需求，如主梁跨径、曲率半径、索塔选型等，选择上述几种连接体系。

3 结语

随着我国桥梁建设技术的发展，以及景观设计的重要性，各种组合构造型式的桥梁越来越被设计者青睐，曲线梁斜拉桥就是典型案例。论文详细分析了曲线梁斜拉桥的结构受力特点，包括其主要组成构件：曲线梁、斜拉索、索塔的受力特性及其与常规斜拉桥的差别，其次研究了曲线梁斜拉桥的体系空间受力行为。最后，总结了曲线梁斜拉桥关键设计问题及方法，包括构件的设计选型、斜拉索与曲线梁配置、塔墩梁连接体系设计等。相关研究经验和设计要点总结，可以为曲线梁斜拉桥的设计实践提供参考。

参考文献：

[1]朱琴忠,王立新,高波,等.曲线梁部分斜拉桥空间性能分析研究[J].城市道桥与防洪,2013(7):291-294.

[2]刘康.曲率半径与塔高对混凝土曲线斜拉桥静力特性的影响分析[D].四川成都:西南交通大学,2017.

[3]刘兆光,胡盛.曲线梁桥设计的若干问题探讨[J].公路,2012(5):197-201.

[4]刘立民.曲率半径对曲线矮塔斜拉桥的影响分析[J].公路交通科技(应用技术版),2015(5):62.