斜拉桥的认识

浅谈斜拉桥认识
斜拉桥又称斜张桥，是一种缆索承重结构体系，其上部结构由塔、梁、拉索三种基本构件组成。

由塔柱伸出的斜拉索作为主梁的多点弹性支承，同时斜拉索拉力的水平分力对主梁起着轴向预应力作用，因此斜拉桥是一种桥面体系以主梁受压(密索)或受弯(稀索)为主、支承体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。

斜拉桥良好的力学性能、建造相对经济、景观优美，已是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。

一、斜拉桥介绍
以斜拉桥的主要结构体系来划分，斜拉桥的发展可分成两个阶段：第一阶段，稀索体系；第二阶段，密索体系。

稀索体系的主梁基本上为弹性支承连续梁；密索体系的主梁主要承受强大的轴向力，同时又是一个受弯构件。

斜拉桥是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。

斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。

这样可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。

斜拉桥是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。

索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢和混凝土的。

斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。

梁按所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。

纵观斜拉桥结构体系的发展历史，可以看到，加劲梁朝着更细更柔的方向演变，加劲梁的高跨比不断减小。

唯一的制约来自于空气动力作用，为了使加劲梁获得令人愉悦的外形而同时又要保证最小刚度，加劲梁从最初的重质量块发展到后来的加肋板、箱梁。

虽然也有由桁架构成的加劲梁体系，但这多应用于双层桥面体系。

拉索体系则经历了一个从无到有、从少到多的过程。

现在稀索体系斜拉桥已经很少采用，除非偶尔为了桥梁造型上的求新创异，密索体系以其突出的优势成为了人们心目中默认的斜拉桥体系，也必然将是超千米主跨斜拉桥结构体系的组成之一。

索塔的外形由简单到复杂，稳定性却在不断加强，其最初为门式塔，继而“入"形塔，A形塔，钻石形塔，直至空间塔结构。

对于大跨径斜拉桥而言，一种合理的结构体系就是要选用合理的构件体系，并进行有效的组合。

斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。

二、斜拉桥的受力特点
斜拉桥是通过斜拉索、主梁和索塔三部分相互配合而正常工作的。

桥塔上引出的斜拉索为主梁提供了一系列弹性中间支承，借以降低梁跨的截面弯矩，减轻梁重，提高梁的跨越能力。

同时，斜拉索拉力的水平分力对主梁起着轴向预应力作用，增强了主梁的抗裂性能。

桥塔上斜拉索拉力在水平方向上可以自相平衡，竖直方向的分力传递到桥塔上，再由桥塔传至基础。

斜拉桥是一种高次超静定结构，其自重引起的内力和变形可以通过调整斜拉索的张拉力而人人为地进行调整。

借助这一特性，在施工阶段通过调整斜拉索的索力，可以很有效地改变主梁的受力状态和线形，以保证到成桥阶段斜拉桥处于一个理想的成桥状态。

由于斜
拉索的索力将桥梁的重力传到塔上，桥塔受到压力作用，同时主梁也受到斜索的水平分力而受压。

在主梁和索塔变形过程中，轴向力和弯矩相互影响而产生所谓的梁一柱效应。

同时由于斜拉桥结构具有柔性特征，在正常荷载作用下结构的几何形状发生变化，引起大位移效应。

而斜拉索自重垂度引起的索拉力与变形之间的非线性关系，斜拉桥的这些非线性行为使得结构的受力变的很复杂。

因此在对斜拉桥稳定性和受力分析时要考虑这些非线性因素。

三、问题的提出与研究目的
桥梁结构的稳定性是关系其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题有同等重要的意义。

由于大跨度桥梁日益广泛地采用高强材料和薄壁结构，稳定问题更显得重要。

桥梁结构特别是大跨度桥梁结构的稳定性不仅在成桥状态，而且在分段施工中各个阶段同样是非常重要的。

国内外曾经有不少桥梁，由于稳定计算不当或稳定性储备不够，在施工过程中发生失稳而导致全桥塌坍阳。

例如加拿大魁北克(Quebec)桥，1907年该桥在架设过程中由于悬臂端下弦杆腹板失稳而引起严重破坏事故，震惊全世界，1916年该桥在施工过程中第二次发生失稳事故。

1970年，澳大利亚墨尔本附近的西门(West Gate)大桥在对拼钢箱梁时，由于跨中箱梁上翼板翘曲导致1 12m跨径的钢梁整孔倒塌。

20世纪80年代，我国四川达县某混凝土斜拉桥，由于材料指标低，安全储备严重不足，在双悬臂施工阶段突然整体失稳，全桥毁于一旦。

1998年9月，宁波招宝山大桥在悬臂施工过程中，主梁发生突然断裂。

因此斜拉桥在设计及施工过程的稳定性必须引起我们的足够重视。

大跨度斜拉桥施工工序多、施工工艺复杂。

随着施工阶段的不断推进，斜拉桥的结构形式、约束条件、荷载形式、混凝土材料的性质(弹性模量、强度)均随时间变化，同时施工荷载在混凝土构件中产生的荷载效应有可能比使用荷载产生的效应更为不利。

这些都可能引起斜拉桥在施工过程中发生事故，如出现裂缝、产生过大变形、甚至倒塌等。

因此大跨度混凝土斜拉桥每一施工阶段的安全程度直接影响整个建造过程并将影响成桥运营阶段的安全。

实际上，结构在施工期的平均风险远远高于使用期，工程结构三分之二的倒塌事故发生在施工期。

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同时对于大跨度斜拉桥，斜拉桥的梁、塔在外荷载作用下，处在压、弯状态，随着外荷载增大，梁、塔压力增大到一定值时，结构的几何非线性和材料非线性更加突出，斜拉桥可能产生平面内的压、弯失稳或平面外的弯、扭失稳。

由于斜拉桥在成桥状态和施工阶段，受力状态复杂，结构也表现很大的非线性，因此斜拉桥对施工过程尤其是最不利工况下(最大双悬臂、最大单悬臂)以及成桥阶段的稳定性分析显得特别重要。

目前斜拉桥的理论研究工作主要集中在结构受力分析和动力性能上，并且还不完善，还不能满足斜拉桥不断发展的需要，而且对斜拉桥的稳定性研究更少。

就目前我国斜拉桥设计规范而言，主要要求对索塔和主梁进行稳定性分析，稳定安全系数不得小于4。

这种分别进行的验算方法不能完全反应结构的真实性能。

事实上，索、塔和梁相互作用联成一整体，三者相互影响，所以还必须对其总体稳定性予以关注。

同时斜拉桥设计规范中要求斜拉桥的“结构稳定安全系数应大
于4”，其“条文说明"中指出：斜拉桥的“结构稳定安全系数取值是参照拱桥的稳定安全系数取用"。

在公路桥梁中，“传统”的对拱桥整体稳定安全系数K要求大于4-5的概念来源于第一类稳定问题，本质上是针对简化的平面计算模型所给出的弹性稳定安全系数。

这种简化计算并不能完全反映斜拉桥的真实受力情况。

应用有限元方法精确计算斜拉桥在索、梁、塔耦合作用下的整体稳定性，对评估大跨斜拉桥的经济性和安全性具有特别重要的意义口3。

此外，施工过程中的临时荷载变化、施工误差、非对称施工、静风作用、材料的弹性模量、辅助墩设置与否等都会对斜拉桥的整体稳定性产生影响，对此进行研究也将具有重要意义。

其中国内外在此方面都有较深入的研究，其中对于大跨度斜拉桥的非线性计算理论已经取得一定的成果，但还有待进一步深入探讨，大致可以归纳为以下三个方面：
1、斜拉桥各种非线性单元模式合理性及其精度的研究；
2、斜拉桥几何非线性描述参考构形及非线性求解方法的研究；
3、斜拉桥有限元离散方法、结构模型化方法对几何非线性分析结果的影响研究。

四、斜拉桥发展展望
随着技术的进步、时代的发展，今后斜拉桥的发展将主要表现张以下几个方面：
1、桥面轻型化
近年来，材料强度及其性能的提高，使得桥面结构轻型化成为可能，设计者可以根据桥址的地形、环境等条件选择更加合理的桥面系。

在大跨径的跨江、跨海斜拉桥设计中更多地采用叠台梁和混合梁，从而有效地减轻了桥面系重量，提高了跨越能力。

2、塔结构的多样化
早期斜拉桥桥塔多采用单柱式，现在则更多的采用“A型”、“倒Y型”、“H 型”塔或其组合型塔，以更好的抵抗索塔所承受的弯矩，同时也提高了抗振能力；材料上也从先前的钢结构桥塔，进一步发展到混凝土塔结构。

3、拉索新型化
斜拉索作为斜拉桥最重要的承重构件，抗腐蚀性和耐久性将进一步提高，同时，抑制风雨振动的阻尼器会更加广泛地被应用于斜拉桥上。

4、结构分析的进步
随着斜拉桥跨径的不断增加，其结构非线性和抗风抗震性将更加突出，需要对其在施工阶段和运营阶段的动、静力性能进行更为细致、准确的分析，确保桥梁结构的安全性。