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3.中等跨径高速公路桥梁设计 对于中等跨径斜拉桥，常规的对称双塔三跨直梁斜拉桥通常不是最优方案，独塔或采用曲梁的不对称斜拉桥可能更适合克服局部环境限制（Reis等，1999；Virlogeux，1990）。中等跨径也可采用组合梁斜拉桥，主梁由两片钢板梁构成，索面在主梁两侧，通过快速施工方法架设。桥面混凝土板同样由横梁支撑，例如法国的塞塞尔桥（1987；图14），采用主跨115m的独塔斜拉桥方案，边跨跨度为3×35.2m，采用双索面各九对斜拉索支撑主梁（Virlogeux等，1985）。 (a) (b) 图14 （a）法国塞塞尔桥（1987） （Gérard Forquet摄） （b）桥面横断面 双索面的视觉效果较差是采用横向双索面的主要缺点。中央索面的形式改善了美观性，但是需要具有更高扭转刚度的截面，也就是箱梁断面。西班牙竞技场高架桥（1993年；图15）（Arenas和Pantaleón，1992年），中间跨跨径组成为5×105m，和卢森堡的阿尔泽特河大桥（1994年）（Biwer等，1994年），具有两孔130m的跨径，是典型的中央索面和具有弯曲平面线形的中等跨径组合梁斜拉桥。 (b) 图15 （a）西班牙竞技场高架桥（1993） （由弗雷西内提供） （b）桥面横断面 竞技场高架斜拉桥采用了一种创新的施工建造方法。每跨主梁包括混凝土板都在地面上施工叠合完成后，通过设置于墩顶的2600吨级的起重龙门架将其提升到30m的高度。每一跨主梁与前一跨通过焊接连接。在所有主梁都安装好之后，再将钢桥塔安装到位，并安装桥塔两侧的六对中央索面斜拉索（Arenas和Pantaleón，1992年）。 平衡悬臂施工方法通常会需要较长的施工时间，需要对众多施工阶段进行详细研究，并严格控制结构的几何线形以及在所有施工阶段中拉索的力/位移。作为替代方案，对于中等跨径桥梁，如塞塞尔（Seyssel）和阿尔泽特河（Alzette River）桥梁一样，可以使用顶推施工或者利用整孔吊装结合临时支撑进行架设，先通过临时支撑架设钢主梁，随后利用支撑在钢结构上的移动模架现场浇筑桥面板。芬兰建造的几座中等跨径斜拉桥也采用了相同的方法，例如Kemijoki桥（图16）。Kemijoki桥为非对称结构独塔斜拉桥，主跨为126m，采用组合钢箱梁断面，箱梁悬臂板采用斜撑支撑，主梁由两个中央索面支撑（Vähäaho等，1996）。 图16 （a）芬兰Kemijoki桥（1989） （J. O. Pedro摄） （b）桥面横断 4. 组合钢桁梁斜拉桥设计 组合钢桁梁斜拉桥上部结构比传统的预应力混凝土箱梁更轻，而变形较钢梁或组合钢板梁小。拉索锚固在混凝土顶板上，由于与混凝土板的轴向刚度相比，桁架梁在纵向方向上相对柔性，因此拉索的水平分力主要通过混凝土桥面板传递。此外，由于混凝土板收缩和徐变的强迫变形而产生的自平衡纵向力也减小了，因为在纵向方向上，桁架梁的变形类似于一台“管风琴”，允许变形减小了由于时变效应产生的内力。 卡纳利桥（Karnali Bridge）于1993年在尼泊尔完工，是第一座采用组合钢桁梁的公路斜拉桥（图17）。这座杰出的结构物跨径为325m，由独塔支承（主梁长细比约为100）。为了减少主梁的变形，采用了两片桁高3m的华伦式钢桁梁（Arzoumanidis和Kunihiro，1994）。 图17 （a）尼泊尔卡纳利桥（1993） （由阿努伊·萨曼塔提供） （b）桥面横断面 对于铁路桥梁，人们需要采用刚性主梁来确保火车的运行要求。桁架梁广泛用于悬索桥和斜拉桥中，特别是使用混凝土桥面板的钢混组合桁架梁，既具有较高的抗弯刚度又具有相对较低的重量。瑞典和丹麦之间的厄勒海峡大桥采用了组合钢桁梁。最近，委内瑞拉Mercosur桥也采用了这种形式，该桥是奥里诺科河上的第三个重要通道。 主跨490m的厄勒海峡大桥（Øresund Bridge）（图18）（Aso，1999）采用了两片垂直钢桁架组成的主梁，在主梁顶部的公路路面设置混凝土板。在底部，连续的正交异性钢桥面支撑着高速铁路的两侧道砟。大桥的钢主梁节段在西班牙预制并经船运到瑞典，而桥面板则在当地于架设前预制。这些长度为120–140m，重达6200t的节段通过浮吊吊装。主梁节段放置在临时支架上并现场焊接，其后安装当前节段的拉索，并将临时支撑移至下一位置（Sörensen &Thdorsen，1999）。 (b) 正在建设中的主跨360m的Mercosur铁路桥梁（Humpf和Schiele，2009年）也采用了钢-混组合华伦式桁架梁，桁架节间距10m，上下横梁之间的间距为3.33m。与其他案例不同，该桥采用了中央索面。边跨采用顶推施工，混凝土板现场后浇，随后安装、张拉张拉斜拉索。主跨的中央钢梁部分长120m，重2400t，将由位于已施工悬臂节段上的四个桥面吊机从驳船上吊起。主跨的混凝土板最终将分步浇筑。 这两座桥的桁高相对较高，钢结构高度分别为10.2m和11.6m，其细长度仅为48和28（图11）。此外，这些主梁的自重和结构钢用量高于组合钢板梁（图12）。 通常，组合钢桁架梁斜拉桥主梁会采用竖直斜腹杆。然后，也有采用3D钢管作为腹杆的案例，葡萄牙蒙德戈河上的欧罗巴大桥（2004年，图19）首次使用的3D钢管斜腹杆（Reis和Pedro，2004年）。这座公路桥为主跨186m独塔斜拉桥，采用中央平行双索面布置，桥塔设置于左侧河岸上。桥塔向边跨倾斜8°，并由锚固到过渡墩上的斜拉索平衡。主梁采用3D组合钢桁梁，桁高4.2m，桥面宽30m，由节间长度3.75m的高强度钢管和上下两块混凝土桥面板构成，混凝土桥面板采用纵横双向预应力。 (a) (b) 图19 （a）葡萄牙欧罗巴大桥（2004） （J. O. Pedro摄） （b）桥面横断面 这座组合钢桁架桥在斜杆和混凝土板节点构造设计上也独具特色。在上部桁架节点处采用了由钢筋混凝土包裹的钢板。这些板不仅传递来自桥面板的垂直力，而且可以平衡斜杆的节点内力，将水平力传递至混凝土桥面板。在3.75m单元的斜杆下端节点上，采用了两个与腹板完全咬合的钢板，以确保垂直和水平内力的直接传递。桥面板采用预制构件架设，这些板在河左岸预制场进行预制。这些长3.75m，重达150t的节段通过驳船运输，然后被吊装到桥面位置。在安装预制桥面板并张拉纵向预应力后，现浇桥面板悬臂部分，并张拉额外的横向预应力。 5.未来的趋势 大跨度组合梁斜拉桥的竞争力首先是由于每平方米桥面造价对跨度的增加没有很大的敏感性，其次是桥梁的主要部件—桥面板，桥墩/桥塔或拉索—均尚未达到使用极限。当基础建设条件较差时，大跨度组合梁斜拉桥也显着更具竞争力。组合梁斜拉桥的未来的发展取决于结构材料、斜拉索的发展以及设计方案的进步。 对于超大跨径斜拉桥，强度高达70–100 MPa的混凝土预制桥面板的应用正在逐渐增加。高强度混凝土可以将桥面板的设计厚度降低大概0.2–0.25m，并能够抵抗对应于大约700–800m跨度的水平轴压力。为了减轻重量，在离开桥塔根部区域，像近期采用的带肋桥面板可能是一个好方案。目前，至少有一个组合梁斜拉桥桥面板采用了轻骨料混凝土，即挪威的格伦兰大桥（Grenland Bridge，1996年），该桥在305m长的主跨中采用了轻骨料混凝土板。通过造价对比表明，轻骨料混凝土的采用使桥梁的总成本降低了1％（Fergestad和Jordet，2000年）。这些成本的降低是由于桥面板自重的减少，以及由此减少的斜拉索重量和桥梁基础规模。尽管轻质骨料制成的混凝土比正常混凝土价格更高，但在后续设计中，可以用自重降低节约的成本与之相抵。 近年来，S420和S460钢材的使用逐渐增加，取代了以前常见的S355钢材。高标号钢材可以使钢板更薄，进一步使钢梁、横梁，尤其是拉索锚固装置的设计变得更紧凑。然而，高强钢材的抗疲劳性能没有明显优势，并且可能增加失稳屈曲的风险，需要设置额外的加劲肋。综上所述，钢材成本是否节约需要根据具体设计进行综合分析。将来可能会探索在桥梁结构中引入更高等级的钢材，例如S690和S700（IABSE，2005），这将需要开展一组新的研究主题，即稳定和疲劳问题。 斜拉桥跨径的增大将导致更长的斜拉索，缆索的刚度会相对降低。采用碳纤维和胺纤维增强聚合物制成的斜拉索由于强度高、自重轻，可以减轻缆索的重量和直径。然而，与钢材相比，组合斜拉索长期重载作用下的性能存在不确定性，变形更大、成本更高，这些缺点限制了复合材料斜拉索的应用，一般仅用于某些人行桥和跨度较小的公路试验桥。 一直以来，传统的钢斜拉索也是逐步得到了改进。经典的预应力钢绞线斜拉索是设置在塑料管内，各个钢绞线相互独立，其间填充水泥浆，这种方案自重很大，拉索的外径也较大，同时无法实现单根更换钢绞线。为了克服这些缺点，人们采用合成材料（例如蜡或树脂）替代水泥浆作为索套内的填充，从而增加防腐能力并减小了斜拉索的重量和直径。 同样在斜拉索的锚固领域也发生了重要的进步，特别是在锚固构造设计，增加了限制斜拉索振动的阻尼，减少了斜拉索由锚固引起的弯曲应力。 斜拉索使用阶段索力允许值一般限制为极限抗拉强度设计值（FGUT）的45％。这个限制是为了防止疲劳应力和初始锚固产生的局部弯曲应力叠加导致斜拉索失效，除个别情况外，很少突破该限制值。根据欧洲标准3（CEN，2006a）第1.11条，对于荷载标准组合，如果斜拉索锚固处采用了减振装置并且使用了欧洲标准1第2部分（CEN，2003）的作用，斜拉索允许索力可以提高至极限强度设计值（FGUT）的50％。更高的应力允许值是基于更高的斜拉索和锚固技术要求，过去10至15年间建造的桥梁普遍采用该方案。此外，在斜拉索施工阶段中，初始安装钢绞线允许达到极限强度设计值（FGUT）的60％，其它受拉构件张拉后索力允许值为极限强度设计值（FGUT）的55％。 一些国家已经制定了有关斜拉索设计的指南和特定规范，例如2001年在法国和美国发布的文件（PTI，2001；SETRA，2001），还有欧洲规范3的第1-11部分（CEN，2006a）。这些规范定义了用于承载能力极限状态的斜拉索安全系数，以及通常在设计中支配的正常使用状态下的应力限值。 斜拉索还应进行疲劳验算（同时考虑轴向应力和锚固点附近的弯曲应力，该弯曲应力主要是由于悬链线效应、风荷载和安装误差导致的拉索偏角引起的）。法国指南提出了一种适用于公路桥梁的简单规定，将EC1-2的疲劳车辆LM3工可产生的斜拉索应力幅限制在70MPa以下。欧洲规范3（CEN，2005，2006a，2006b）包含一套更为复杂的验算流程。设计实践表明，疲劳往往控制斜拉索设计，因此有必要开展进一步的研究以评估疲劳影响机理，并获得简化验算方法。 在钢混组合梁斜拉桥的设计领域，多年来发展了多种创新的设计方案，部分方案仅涉及到建筑造型创新，部分方案设计存在技术革新。这两种创新都很重要，因为人们对斜拉桥的兴趣在很大程度上是由于该桥型造型美观。事实上，良好的美感和景观性，以及对有更高跨径要求的环境敏感场地的适应性，是采用不同的组合桥面、独塔斜拉桥的主要原因。 最近的爱尔兰博因河大桥和舒尔河大桥（2003年和2009年）、威尔士的Sirhowy河大桥（2005年）、德国的Berliner桥（2005年），意大利的Alcide de Gasperi大桥（2005年）和俄罗斯的科拉贝尼夫大桥（2011年）是遵循这些原则的中等跨径组合梁斜拉桥的典型案例。新的同类型桥梁正在被建造或设计，如印度的Signature桥（2014年）。在这一领域提供的不同结构方案，对传统的悬臂施工三跨斜拉桥方案提出了挑战。采用特殊支撑或部分地锚的独塔不对称斜拉桥，中跨也可采用叠合梁。 为了降低横风效应，当跨度超过700m时，钢板梁和箱形梁斜拉桥将变得更加扁平、更加流线型。考虑横风作用力，分离式主梁具有横向抗弯优势，前提是通过横向连接能实现整体横向变形，确保宽度方向全截面有效。在这方面的例子是主跨1018m的昂船洲大桥，大桥桥位处设计风速极高，主梁采用两片纵向分离构件，结构上是空腹连接，就像之前汀九桥的构造。尽管实施方案采用双幅正交异性钢箱梁方案，但对采用带肋混凝土板（强度为60MPa，平均厚度为244mm，横梁间距为3.75m）的组合梁方案也进行了研究（泰勒（Taylor），2001年）。研究表明，对于距离主塔50m范围内的桥面，为了抵抗轴力和横风产生的横向弯矩的叠加效应，需要将混凝土桥面板板厚度增加到300mm。尽管如此，横向弯曲产生的拉应力为25MPa，也大大超过了轴力作用下的15MPa压应力，这表明混凝土板中的拉应力超过了开裂强度。通过以上分析，可以清楚地看到，当组合梁桥跨度达到约1000m时，主梁横风弯矩和轴向力的组合效应是主梁设计的一个控制工况（Taylor，2001年）。昂船洲大桥混凝土边跨跨径仅为主跨的30％，这增加了竖向刚度和桥面面内刚度，对于施工期间平衡主跨至关重要。 目前正在建造的伊斯坦布尔博斯普鲁斯三桥也采用相同的设计理念。该桥主跨采用1408m的全钢主梁，跨中部分采用悬索吊杆支撑，其余部分采用斜拉索支撑，边跨为300m长的混凝土梁，主缆采用地锚。博斯普鲁斯三桥使斜拉-悬吊协作体系桥型焕发了活力。这种设计方案非常少见，将来可能会与组合梁一起使用。 多跨斜拉桥也有望取得重要发展。希腊Rion-Antirion桥采用了三个连续560m主跨，具有纤柔的叠合主梁和刚度非常大的桥塔，极具视觉冲击力。这种设计具有巨大的潜力，正如最近的昆斯费里大桥和费马恩海峡大桥所采用的，因为它可以跨越几公里而无需采用特别大的跨径。 在铁路桥梁领域，组合梁也可以发挥重要的作用。铁路桥需要刚度较大的桥面板，同时当桥面较窄时还存在抗风问题。针对这些特性，较正交异性钢板，混凝土桥面板能给主梁提供更大的刚度，也能更好的承受活载，具有一定的优势。在不久的将来，正如葡萄牙塔霍河三桥（GRID，2009; Reis，2008）以及连接德国和丹麦之间的费马恩海峡大桥的研究表明，组合梁斜拉桥肯定可以在铁路桥梁领域有所建树（Femern A / S，2011年）。 对于费马恩海峡大桥，虽然后面研究了全钢断面，但首先是研究了主跨724m的钢混组合桁架断面（图20）。最后，桥梁方案也没被采用，将采用沉管隧道方案建设。组合桁架断面，火车在下层行驶，汽车在上层行驶。主梁高12.9m，宽28.7m，长细比为56，与其他铁路组合桁架斜拉桥接近。   图20 （a）德国和丹麦之间Fehmarn皮带桥解决方案预览 （由Jens Villemoes提供） （b）桥面横断面 里斯本的塔霍河第三通道方案研究了公铁合建双层桥梁，全长7公里，包括了两条高速铁路和两条普通铁路线（图21）。目前，该项目由于资金原因暂停。该通道斜拉主桥主跨为540m，采用高11.4m的钢混组合桁架断面，横向悬挂有两个斜拉索平面（每个索面中有两个斜拉索）。  (a)  图21 （a）里斯本第三座塔格斯河跨河大桥概念图 （由GRID Consulting Engineers提供） （b）桥面横断面 塔霍河三桥主梁将由两片垂直桁架组成，弦杆和焊接圆形斜杆采用S460N/NL钢。为了将斜拉索锚固在上层桥面，横梁每隔15米外挑至弦杆外，锚固以锚固拉索。设置斜度相同的拉杆将载荷从斜拉索锚固力传递到下弦杆。上、下层桥面板均在弦杆间设置了四个纵梁，纵梁将参与主梁的整体抗弯，纵梁会减少弦杆的轴向力，但会增加横梁的横向弯矩。横跨在横梁和纵梁之间的混凝土桥面板将与上部和下部钢框架组合后共同受力。尽管桥梁主跨跨径水平通常是桥梁比较分析的基准，但该桥的独特之处是针对具有四条铁路线的主梁提出的结构解决方案，这在铁路斜拉桥领域是出类拔萃的设计。 6.结论 主跨400–600m范围内，组合梁斜拉桥是一种非常有竞争力的桥型。在过去的25年中，该领域的研究取得了瞩目的进展，主要是用于双钢板纵梁、密横梁支持钢筋混凝土板的公路桥。在未来，通过组合纵向钢梁或钢箱梁和高强度混凝土桥面板进行组合，组合梁肯定将进一步向大跨发展。在铁路桥梁领域，组合梁桁架斜拉桥也有望进一步得到应用，该断面已经被证明是大跨度、高刚度桥面板的有效解决方案。 翻译：沈旭东 编辑：董佳霖 审核：王昌将 |
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