魅力无穷的斜拉桥

泾渭书院 2019-07-01

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人们游览长江风光，沿途千姿百态的长江大桥便是一道靓丽的风景线。万里长江，从宜宾到上海，已建有近90座长江大桥，细数起来可以发现，斜拉桥独占半数以上。那么，长江上为什么会建造这么多斜拉桥呢？为了回答这个问题，我们从桥梁结构性能说起。

图1 长江上的斜拉桥左：南京长江三桥右：苏通长江大桥

独特的结构性能

图2 4种基本体系桥梁

桥梁型式千变万化，可归结为梁桥，拱桥，斜拉桥和悬索桥4种基本桥型及其组合（图2），由主要受力构件和传力构件组成。直观来看，桥梁结构中传力构件越少，性能越好。为此，梁桥在中小跨径桥梁中成了主角。但从受力看，随着跨度的增大，受弯为主的梁桥因传力路径过长而不再经济，受轴力为主的结构传力路径短，更能发挥材料的性能。所以大跨度桥梁的任务交给了拱桥、悬索桥和斜拉桥。它们本质上都是通过将梁桥的弯矩转变成轴力来发挥材料性能的。拱桥的主要受力构件为受压的拱，悬索桥的则为受拉的主缆，但它们都要设置供人车通行的桥面系，担当传力构件，增大了结构重量和材料用量。而斜拉桥的塔、梁、索都是主要受力构件，其主梁还直接承受移动荷载作用，由此提高了斜拉桥的性能。拱桥的拱座、悬索桥的锚碇，不仅要承受竖向力，还要承受巨大的水平力，对地基要求高，建设投入大，而斜拉桥的塔、墩基础主要承受竖向荷载，一般情况下更经济，更能够适应各种建桥条件。

图3 瑞典Stromsund桥

第一座现代斜拉桥（图3）自1956年诞生以来，历经了稀索体系向密索体系的转化（图4），主梁受力由受弯变为受压为主。经过材料、构件、构造、体系的改进，斜拉桥的跨越能力不断提高，由开始的主跨182.6m发展到了现在的1104m。主梁由单一的钢主梁发展成混凝土梁、组合梁、混合梁等，截面形式多样，从而使主梁的力学和经济性能在不同建桥条件和跨径需求下得以充分发挥。桥塔在形式上，由门形发展成H形、A形、倒Y形、钻石形等各种塔形，从而改变了斜拉桥的外形和结构性能。在构造上，用不同材料、不同截面形式及其组合，满足了桥塔结构的各种性能需求。在立面布置上，除独塔、双塔外，还发展了三塔和多塔斜拉桥，以性能最优为目标，拓展了斜拉桥的使用范围。这些变化、组合及其发展使得斜拉桥形式多样、千姿百态。

图4 上海南浦大桥

正是斜拉桥跨越能力大，适应性强，刚度大，抗风性能好，经济美观等特点，构成了其魅力的内在气质，也是长江上大量选用斜拉桥的根本原因。

广阔的创新空间

然而，斜拉桥的魅力还远不止于上述性能，对设计师而言，其魅力还在于它广阔的创新空间。

设计师可以根据桥位特点和功能需求，通过塔、梁、索的组合变化，寻求最佳设计方案。重庆东水门大桥（图5），为了同时满足机动车和轨道交通，设计师选用双桁片双层交通，上层供机动车和行人通行，下层供轨道交通。采用单索面部分斜拉桥体系，不仅充分利用了主梁的强度和刚度，解决了密集建筑群下空间利用和桥隧轨道接线难题，更增大了桥梁的通透性，使结构充满层次感。

图5 重庆东水门大桥

斜拉桥塔数的可变性为设计师提供了更多选择。在建设条件仅适合单边设塔或仅需设一个边跨时，可采用独塔斜拉桥，其跨度一般在100-400m之间；双塔斜拉桥应用最广，可因地制宜布置桥跨。塔高、边跨既可对称布置，也可不对称布置，形成高低塔斜拉桥。双塔斜拉桥合理跨度范围在200-1200m之间。而在地形比较开阔的深海区域、山谷或其他适合建造多个桥塔的桥位，多塔斜拉桥可供选择。多塔斜拉桥跨越长度大，经济性能好，虽然结构刚度较小，但可用刚性桥塔或拉索加劲来提升（图6）。

图6 希腊Rion-Antirion桥

设计师还可通过优化选择主梁和桥塔的材料，提高不同跨径斜拉桥的经济性能和竞争力。主跨在200-500m常用混凝土梁或组合梁，400-700m常用组合梁或钢梁，超过700m则多用钢主梁，边、中跨比小的大跨度斜拉桥，可采用中跨钢梁，边跨混凝土梁的混合梁形式，来提高结构的性能。设计师通过索力调整，还可以有效优化斜拉桥主梁、桥塔的受力及其分配，充分发挥材料性能。

为了将斜拉桥性能发挥到极致，设计师可以将斜拉桥与其他型式的桥梁进行组合，形成斜拉-悬吊协作体系等多种组合体系桥梁。土耳其博斯普鲁斯三桥(图7)，为了具备公铁两用桥的结构性能，设计师采用斜拉桥与悬索桥协作的组合体系，提高刚度，降低造价，实现了主跨1408m的跨越。

图7 博斯普鲁斯三桥

可见，斜拉桥赋予了设计师广阔的创作空间，在各种建设条件下，都能取得力学与美学，性能与经济的统一，形成独具魅力的方案。

桥型的缤纷魅力

对建造师而言，斜拉桥的魅力在于它特有的可施工性和较小的施工风险。建造师可以根据建造条件和周边环境，因地制宜灵活选择施工方法。悬臂施工法是利用斜拉索逐段吊拉主梁直至合龙，对周边环境和航道影响小，是最常用的斜拉桥施工方法。主梁无论现浇还是拼装，都能充分发挥斜拉桥的受力特点。

在特定条件下，建造师也可采用转体施工，即先将桥梁结构在非设计轴线位置上进行制造，后通过转动体系，旋转安装至设计位置。我国已有多座斜拉桥用此方法跨越既有铁路，有效解决了复杂环境下桥梁跨线的施工难题。

此外，可采用顶推施工、支架施工等工法来加快施工进度、提高施工效率。法国的Millau桥采用了主梁顶推的施工工艺（图8），使轻巧的结构设计与巧妙的施工方法得到了完美的融合，令人叹为观止。

图8 法国Millau桥的顶推施工

对业主而言，斜拉桥的经济、耐久性能也极具吸引力。不同种类斜拉桥的经济适用范围涵盖了100～1200m跨度范围，业主可以根据需要挑选合适的桥型来减小投资。缆索支撑桥梁中的拉索是结构的主要受力构件，斜拉桥的拉索具有可更换性，在运营过程中，如发现拉索出现疲劳、腐蚀等影响结构安全的问题，可更换新拉索，用最小的代价延长结构的服役期。

图9 香港昂船洲大桥

民众，既是桥梁的使用者，也是桥梁的鉴赏者。人们不仅关心出行的安全与便利，也在乎桥梁的舒适和耐久，更关注桥梁的景观及美感。斜拉桥兼备这些特质。它那变化多样的梁塔形式，在不同场合巧妙组合所显示出的空间感和艺术感染力，给人以美的享受。香港昂船洲大桥采用独柱形桥塔和双箱分离式主梁，相得益彰，简洁明快，又充满现代感（图9）。瑞士森尼伯格桥（图10）作为山区桥梁，它甘愿放低姿态，把美隐藏在群山峻岭之间。南京青奥会桥，虽然只是座人行桥，但它象征着运动、青春和友谊，每到华灯初放，两只椭圆形桥塔在夜幕下绽放出迷人的光芒，犹如一对明亮的眼睛，于是南京市民送其雅号“南京眼”。类似的例子举不胜举。