组合体系桥的发展与前景

苏俊龙

摘要：随着桥梁建设理论与体系的快速发展与桥梁的快速修建，以及新材料、新软件、新工具的应用，人们开始对桥梁有了基本交通功能以外的要求。更加美观，甚至成为地标性建筑成了现在人们对桥梁的另一大的关注点。组合体系桥以其新颖的结构、耳目一新的视觉感受很好的迎合了这一要求。目前使用最多和最为成熟的组合体系桥有梁拱组合体系桥、自锚式悬索桥和矮塔斜拉桥。本文从这三类组合体系桥梁的产生、发展与前景来对其在以后桥梁工程中的应用进行合理的评价，为以后对组合体系桥进行大规模的研究和使用提供理论依据。

关键词：

组合体系桥；产生；发展；前景

1 组合体系桥的产生与发展

1.1 梁拱组合体系桥

1.1.1梁拱组合体系桥的产生与发展

组合体系拱桥是在拱式结构的基础之上，进行受力方向的改变而得到的。在设计过程中，将钢架、梁、拱等多种承载结构组合在一起，或者将行车道板（梁）与拱组合，形成整体，承受荷载。

梁拱组合体系桥是目前组合体系桥梁中较为常见的一种，它的雏形在100年以前就产生于设计者的大胆试验中。紧接着1858年，奥地利人兰格尔获得了刚性梁柔性拱的系杆拱桥专利。在19世纪末期，洛泽拱桥的先驱——透镜形弦杆铁路桥在德国的易北河上成功建造了，其主跨为96.35m，总共有10跨。

我国于20世纪初开始研究组合体系桥，金成棣（2000）教授用了大量的精力来研究梁拱组合体系桥的施工和设计。 [4]

刘世忠等（2009）运用自行设计的SMAD有限元软件，建模和分析了具有V型桥墩的刚构梁拱组合体系桥的受力，并对其进行了优化。最终对于其所具有的温度应力、收缩徐变内力和预应力带来的不利影响，给出了解决方案。[7]

1.1.2 梁拱组合体系桥的特点

将梁结构和拱结构相组合，也就形成了梁拱组合体系桥。他具有梁和拱两种结构的特点，也就是及能承受较大拉力，又能保证结构刚度值、极限承载力和材料利用度。[9]

1.2 自锚式悬索桥

1.2.1 自锚式悬索桥的产生与发展

19世纪60年代，奥地利工程师Josef Langer和美国工程师Charles Bender首次提出了自锚式悬索桥的构想。20世纪初，设计师们开始对自锚式悬索桥进行试验。1915年，德国的设计师设计修建了第一座大型自锚式悬索桥——科隆—迪兹桥（图1），该桥主跨为185m。

从那之后，美国和日本在其影响和启发下，相继修建了4座自锚式悬索桥，提高了施工技术。

在20世纪下半叶，自锚式悬索桥由于其跨越能力达不到要求、体系转换存在问题、施工难度等缺点，开始受到冷落。之后一段时间，桥梁美学开始受重视，设计师重新审视自锚式悬索桥在结构和环境相互协调以及艺术与文化的结合上的表现，对这一桥型进行了新的尝试。美国在旧金山的奥克兰海湾建设了主跨为380m的自锚式悬索桥。这座桥是自锚式悬索桥发展史上一座里程碑，也标志着21世界自锚式悬索桥建设顶峰的到来。[12]

中国在20世纪末的自锚式悬索桥发展高峰，进步的很快。2002年我国建成了世界上第一座钢筋混凝自锚式悬索桥——大连市金石滩金湾桥，该桥的加劲梁率先采用拱形，使悬索桥形成了吊拱体系，主缆的水平分力抵消了拱脚的推力。实现了在满足跨中主拱的通航净空要求的同时，又将主梁两端高度降低，减少引桥长度，节约了成本。之后，佛山于2006年建成了当时跨度最大的独塔自锚式悬索桥——佛山平胜大桥，其主跨为350m；2010年，建成首座海上自锚式悬索桥——青岛海湾大沽河航道桥。

1.2.2 自锚式悬索桥的特点

主缆的抗拉刚度和矢跨比与自锚式悬索桥的结构刚度有着正相关的关系；为了降低自锚式悬索桥的跨中弯矩，可以采用在加劲梁上设置拱度的方式。考虑条件，如果允许的话，锚固在主缆上的加劲梁可以向外延伸一跨或者多跨，以提高结构的性能；梁的受力性能受到吊杆间距的影响，且其关系是非线性的；在动力方面，由于悬索体系的存在，它的特点是振型密集、自振周期长。

1.3 矮塔斜拉桥

1.3.1 矮塔斜拉桥的产生与发展

矮塔斜拉桥，又名“部分斜拉桥”，它的主要受力构件形状和弯矩图相似，满足桥型要求。[16]

1988年，法国人马秀佛特（Mathivat）教授首次正式提出矮塔斜拉桥这一桥型。日本对矮塔斜拉桥相当重视，1994年，第一座矮塔斜拉桥——小田原港（OdawaraBlueway）桥在日本建成。按照马秀佛特的设计，拉索穿过鞍座，锚固在主梁之上。[14]

之后，日本又开始研究將最新诞生的波形钢腹板和体外预应力运用在矮塔斜拉桥上。2000年，日本采用体外索方案，建成塔梁固结的士狩大桥，针对预应力的施加。

东欧、韩国、美国等世界上其他国家也在对矮塔斜拉桥进行研究和建设。

我国在矮塔斜拉桥领域的研究和建设起步比较晚，但是发展很快。2000年，我国建成世界上首座采用钢桁架作为主梁的双层矮塔斜拉桥——芜湖长江大桥（图2），该桥为公轨两用桥，主跨为312m。

2001年，福建建成主跨为132m的预应力混凝土箱梁矮塔斜拉桥——漳州战备大桥。在这之后，我国的矮塔斜拉桥技术发展速度越来越快，2014年，我国建成了目前国内最大跨径的预应力混凝土矮塔斜拉桥——大连长山大桥，主跨长达540m，采用的是双塔双索面形式。

1.3.2 矮塔斜拉桥的特点

主梁作为矮塔斜拉桥主要的受力构件，其刚度很大，斜拉索起到一个调整和加劲的作用。斜拉索的恒载索力占总索力（恒载索力+活载索力）的比重较斜拉桥大，斜拉索的应力变幅较小，疲劳问题不突出，因而斜拉索的容许应力可取0.6，从而降低工程造价。矮塔斜拉桥较连续梁桥跨径更大，成本更低，并且具有施工简单的优点；矮塔斜拉桥较普通斜拉桥具有材料成本低、主梁刚度大和施工容易等优点。

2 组合体系桥存在的问题与发展前景

2.1 梁拱组合体系桥存在的问题与发展前景

计算方面：只有经常接触该类桥计算的设计师才能做到较快的通过力学公式，计算和分析，得到梁拱组合体系桥的各个结构协作机理。另外，值得提到的一点是，对于拱形结构，我们考虑的安全系数为4-5，而对于梁拱抗弯刚度比值较大的梁拱组合体系，具体的数值还需要在大量实验和实践的基础之上，分析得出更为贴切的结果。

结构和受力方面：单一的梁拱组合体系受力性能受到限制，主要只能用于中小跨径的桥梁中，在加大跨径方面，该体系还需要在结构上做些改动；而针对横向抗风稳定性和结构实稳的问题，还需要在整体结构上进行研究和改进，比如加上风撑等额外结构物；由于主梁为混凝土梁，其收缩、徐变特性还需要得到更进一步研究，改变结构体系以减小收缩、徐变的影响。

在条件不同的地方，我们还需要在梁拱组合体系桥上做其他的改变。针对刚拱柔梁、刚拱刚梁和柔拱刚梁三类体系，不同施工阶段，桥的受力情况和参数确定，还需要更为细致的研究，S. H. Ju（2003）采用了有限元分析的方法，分析了抛物线拱桥（系杆拱、上承式拱桥和提篮拱）的拱肋有效长度，得出了拱肋的倾斜角、转动惯量、跨径和矢高等参数的影响公式。

2.2 自锚式悬索桥存在的问题与发展前景

计算方面：（1）在考虑静力荷载对自锚式悬索桥的几何非线性影响时，考虑将接触和结构构件的非线性分析加入进去。（2）在自锚式悬索桥，特别是修建于海上的自锚式悬索桥的施工阶段的的动力特性和抗震抗风问题上，还需要加深研究和分析。

构造方面：（1）考虑新材料和结构在自锚式悬索桥上的适用性，比如CFRP主缆等新材料主缆和分离式的箱梁作为悬索桥的加劲梁等。（2）分析不同结构、不同跨径、不同主梁截面的自锚式悬索桥固有振动频率。（3）在主缆锚固处改变结构，进一步降低自锚式悬索桥造价。

施工方面：（1）需要加深在针对自锚式悬索桥施工中体系转换问题和吊索张拉时的非线性过程分析上的研究。（2）优化施工过程中吊杆张拉时的吊杆力施加，降低其盲目性。

2.3 矮塔斜拉桥存在的问题与发展前景

计算方面：（1）针对目前对跨径的普遍高要求，我们还需要对大跨径矮塔斜拉桥的受力性能进行模拟和分析。（2）对斜拉索锚固处的部分结构进行建模分析。（3）针对矮塔斜拉桥的不同情况下，计算出最合适的跨径。

材料方面：（1）将目前最新的强度高、质量轻、耐久性好的材料应用于矮塔斜拉桥上。（2）加强在拉索所用材料上的疲劳研究，特别是在正式安装上之后的疲劳模拟。

构造方面：（1）将斜拉桥与更多的桥型结合起来是现在一大探究方向。（2）为了改善施工中对调节索力精度的高要求，对柔梁刚塔形式的矮塔斜拉桥进行进一步的研究和分析。（3）在拉索和预应力优化的程序上，由于施工和成桥阶段的索力不一致所带来的问题还需要解决。

3 结语

本文针对三种最为普遍的组合体系桥：梁拱组合体系桥、自锚式悬索桥、矮塔斜拉桥，进行了产生、发展、存在问题以及前景的综述。总共查阅一百余篇文献，从每种桥型的构想产生到第一座成桥建成，从发展到前景，系统的描述和构建了组合体系桥领域的框架。

目前是我国桥梁建设和发展的过渡阶段，组合体系桥开始受工程师们的青睐，既能有梁的特点能承受较大拉力，又有拱的特点承受荷载潜力大的梁拱组合体系桥；不用修建庞大锚锭和隧道锚，且依然具有悬索桥美观等优点的自锚式悬索桥；跨越能力大、主梁刚度大、成本低的矮塔斜拉桥就开始出现在人们的视线之内。

但是仅有这三类桥是远远不能不满足人类对桥梁事业发展的需要的。我们还需要在桥梁的现有结构、外形、材料上下功夫，将受力特点不同的基本体系合理的组合起来，使桥梁的主要的承重构件能具有较为合理的使用状况，并提高其美观性、跨越能力、耐久性等能力。针对目前高铁技术的大发展和跨江、跨海的大跨径桥梁的大修建，组合体系桥的研究和发展应该更加往这些方面靠拢，满足国家和人民的要求。

[HTH]参考文献：

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