斜拉桥结构设计及问题简析

斜拉桥结构设计及问题简析
摘要：斜拉桥是一种组合受力体系的桥梁，其主体结构由斜拉索、索塔、主梁组成。

本文通过分析斜拉桥的结构特点，论述了斜拉桥在结构、布置、选材和审美方面的设计要求及注意事项，并简单介绍了斜拉桥在结构设计和施工建设方面遇到的难题及采取措施。

关键词：斜拉桥；布置形式；结构设计；斜拉桥审美
Abstract: The cable-stayed bridge is a bridge combined stress system, its main structure is composed of cables, towers, girders. In this paper, through the analysis of the structural characteristics of cable-stayed bridge, the cable-stayed bridge in the structure, layout, material selection and design aesthetic requirements and matters needing attention, and briefly introduces the problems encountered in the design and construction of cable-stayed bridge and measures.
Keywords: cable-stayed bridge；layout；structure design；cable-stayed bridge aesthetics
自1979年建成的第一座斜拉桥——主跨只有76米云阳桥以来，经过30多年的飞速发展，现今我国斜拉桥无论是在规模和跨度方面，还是在结构设计和施工技术都取得了巨大的成就。

目前我国已经是世界上斜拉桥数量最多、跨度最大的国家。

我国斜拉桥的设计与施工技术也已经跨入世界的先进行列，并取得了显著的成绩：（1）斜拉索制造工艺实现了专业化和工厂化及防护技术不断完善；（2）斜拉桥的施工技术逐步完善；（3）用计算机进行结构计算和施工过程控制等。

目前我国的斜拉桥正在向新型结构、大跨度、轻质和美观等方向发展，以更好的适应交通、经济、环境和安全的要求。

1 斜拉桥整体结构特点
斜拉桥又称为斜张桥，是用许多拉索将主梁直接拉在桥塔上的一种组合受力体系的桥梁，其主体结构由斜拉索、索塔、主梁组成。

在斜拉桥结构体系中，索塔主要是承压，斜拉索受拉，梁体主要承受弯矩，外荷载主要由主梁和斜拉索承受，并由斜拉索将受力传递给索塔。

主梁由一根根拉索拉起，等于在梁内设置了许多支撑点，可以将其看作由拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，这种结构能够非常有效的减小梁体内弯矩，从而降低主梁的高度，减轻结构重量，节省建筑材料，有利于斜拉桥向大跨度方向发展。

斜拉桥相对悬索桥有较大的刚度，在抵抗风载、地震、竖向活载的作用方面有优势。

2 斜拉桥的布置
2.1斜拉桥整体布置
常见的布置形式有：独塔双跨式、双塔三跨式和多塔多跨式。

独塔双跨式相对于双塔三跨式，斜拉桥主跨径较小，而且常采用双跨不等的非对称形式，使结构整体受轴向力为主，以充分发挥材料的优势，这种布置形式在跨越中小河流和城市通道中较常用。

斜拉桥布置成双塔三跨式时，具有较大的主跨径，并便于通航、简化计算、方便施工，因此在大跨度桥中最为常见，适用于跨越海峡和宽度较大的河流、峡谷等。

双塔三跨桥一般布置成对称结构，而且要调整好边跨和主跨的比例，这对于审美和控制整体刚度及拉索应力有很大非常有利。

多塔多跨式斜拉桥现在已经很少采用，因为这种形式的桥中间塔顶处没有端锚索来有效的限制其变位，采用多塔多跨式会使结构的柔性增大，对抗风不利。

2.2索塔
索塔常见布置形式有：独柱式、A字形、倒Y形、H形等。

索塔的形状和高度对审美、结构刚度及整体稳定性都有很重要的作用。

索塔受力比较复杂，必须保证其具有足够的刚度和强度。

索塔的形式必须适合于拉索的布置，使传力简单明确。

主塔高度的决定应根据经济情况、主跨跨度、所选主塔的形状、主梁截面形式以及景观要求等进行合理设计。

2.3斜拉索
斜拉索常见的布置形式有：单索面、竖向双索面和斜向双索面。

单索面应用较少，因为采用单索面是拉索对结构抗扭不起作用，主梁需要采用抗扭刚度大的截面。

采用双索面时，拉索的轴力可以抵抗较大的扭矩，所以主梁可以采用抗扭刚度较小的截面，而且双索面对桥体抵抗风力扭振非常有利，因此双索面在大跨度斜拉桥中已经成为主要的形式。

2.4主梁
主梁常见的截面形式有：板式截面和箱形截面。

主梁截面选取主要由斜拉索的布置形式和抗风稳定性情况所决定。

板式截面的主梁构造简单，施工方便，一般适用于双索面斜拉桥。

箱形截面梁有抗弯、抗扭刚度大、收缩变形较小等特点，能适应许多不同形式的拉索布置，对悬臂施工非常有利，而且可以部分预制、部分现场浇筑，为施工方案提供了多种选择，因此箱形截面主梁逐渐成为现代斜拉桥中经常采用的形式。

另外，主梁按材料可以分为：预应力混凝土梁、刚—混凝土组合梁、钢主梁和混合式梁。

3桥梁结构体系
斜拉桥结构体系按塔、梁、墩的结合方式可分为漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系，这种体系的划分，对复杂多变的斜拉桥结构，给出了十分简单明确的概念，大大方便了斜拉桥的规划和设计。

漂浮体系结构特点是塔墩固结、塔梁分离，这种体系当主跨满载时，在塔柱处主梁截面无负弯矩峰值。

但在悬臂施工时，为抵抗不平衡弯矩和剪力，塔柱处主梁应临时固结。

这是目前我国大跨斜拉桥大多采用的。

半漂浮体系，其结构特点是塔墩固结、主梁在塔墩上设有竖向支撑。

墩顶设置可调高度的支座可消除大部分收缩、徐变产生的不利影响。

塔梁固结体系特点是将塔梁固结并支承在桥墩上。

这种结构可以减小主梁中央段承受的拉力，同时塔和梁受温度应力影响小，但这种结构受力时会产生较大的跨中挠度和边跨负弯矩，并且动力性能不太好，对抗震和抗风不利，不宜在大跨桥梁中应用。

钢构体系的特点是塔、梁、墩相互固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。

这种结构不需要大型支座，同时结构的刚度比较大，主梁挠度较小。

其缺点是钢构体系动力性能差，主梁固结处负弯矩较大。

这种体系适合于独塔斜拉桥。

4斜拉桥的美学要求
桥梁作为交通运输的一部分，给我们带来了极大的便利，突出体现了其实用价值，同时桥梁不同造型还能带给我们不同的美观感受，激发了人们的广泛关注和欣赏的热情。

斜拉桥具有轻巧简洁、连续流畅和强劲力感等特点，显示出了巨大的艺术魅力。

斜拉桥设计中必须注意桥体与环境的和谐统一。

斜拉桥由高耸挺拔的索塔、排列有致的拉索、笔直延伸的主梁组合而成，无形中给人一种气势磅礴，苍劲有力的美感。

设计中要学会根据环境合理选择桥体的颜色，主塔的布置位置等，将桥梁的特色美融入环境中。

斜拉桥在结构上要比例协调并且稳定均衡。

要合理设计斜拉桥的高跨比和索塔的布置形式，在安全、稳定、经济的基础上追求美观。

布置匀称合理的斜拉索能把主塔挺拔高耸的轮廓和主梁平直延伸的线条紧密联系为一体，从而体现出结构的协调美和曲折美。

不同的塔身会给人以不同的视觉享受，独柱式和A字式给人以高耸如云，巍峨独立的气势美；宝石形和倒Y形配合斜拉索的线条给人以韵律美。

5．斜拉桥中关键问题及常用措施
5.1主梁中的轴力过大问题
斜拉索的水平分力会使主梁内产生较大轴力，一方面提高了梁的抗裂性能，但另一方面施工时主梁根部轴力过大时，主梁会有纵向、横向的压屈和失稳危险，因此当跨度很大时必须设临时墩以减少伸臂长度。

5.2斜拉索的应力大小的控制
通过调节斜拉索的预应力大小可以控制主梁内的应力分布，但斜拉索的应力大小的控制是个难点，需要进行结构分析和内力计算以确定斜拉索的内力大小，特别是当拉索过长时，由于斜拉索的非线性影响，将大大增加梁、塔的弯矩，因此需要对斜拉索的非线性动力性能按空间体系进行分析研究。

5.3斜拉桥为多次超静定结构
斜拉桥为多次超静定结构设计计算和施工控制复杂，结构计算需要采用有限元并且要用计算机来进行计算。

桥梁及软件专家已经研究出了斜拉桥静力分析、非线性静力分析以及自动调索施工控制等专用程序。

5.4超大跨斜拉桥的抗震、抗风性能
当跨度很大时，斜拉桥受活载、地震、风等作用的影响非常大，此时需采用许多必要措施：斜拉桥结构宜采用全漂浮体系，塔、梁采用对称的弹性约束体系，拉索安装阻尼装置等。

当然斜拉桥还存在许多其他问题，如拉索锚固结构的设计及受力计算、新材料的开发和应用等，都需要我们继续进行研究和解决。

因为斜拉桥的结构轻巧、适应能力强、美观大气和跨度大等优点，斜拉桥的建设规模以后还会不断扩大，其技术研究还需要不断进行。

参考文献
[1] 陈光华.斜拉桥的发展现状与发展趋势[J].山西建筑,2008,34 (19）:320-321.
[2] 吴鸣，梁工程[M]，武汉：武汉大学出版社，2009.
[3] 李亚东，桥梁工程概论[M]，成都：西南交通大学出版社，2008.
[4] 王徐力．斜拉桥拉索的静力学分析[J].建筑设计管理2010,4:74-75.。