西堠門大橋

在大跨度橋梁需求日益增加的今天，以方便文明建設的需要，斜拉橋和懸索橋是常用于大跨度橋梁的結構體系。采用高強度索支撐是實現超長橋梁的可行方案, 斜拉橋中的斜拉索使橋的剛度得到了提高，懸索橋通過加勁梁可實現更大的跨度。纜索承重橋梁的使用跨度通常在200m到2000m之間，其最大跨度是由所用材料的強度、橋梁的剛度和所用材料的密度決定。在斜拉橋和懸索橋的設計與分析中，高強度鋼絲由于優越的抗拉性能，是主要考慮的材料。在纜索承重橋梁中，優點是結構體系使用材料的方式，其結構形式在性能方面起着重要作用。

然而，随着工程實踐的累積，結構形式、材料工藝和分析方法等方面的創新，為大跨度纜索承重橋梁體系的進一步發展提供了新的思路。通過将斜拉橋和懸索橋相結合，一種新型的斜拉-懸索協作體系，可為橋梁的建設提供“性能更優 成本更低”的雙赢成果。

纜索承重橋梁體系的叠代

懸索橋的發展始于18世紀，從19世紀初開始，懸索橋在跨徑上有了快速發展，自1930年以來，已完全占據了大跨徑橋梁範圍。如1931年建造的美國喬治·華盛頓大橋，主跨1066米；1937年建造的美國金門大橋，主跨1280米；1981年建造的英國亨伯爾大橋，主跨1410米；1997年建造的丹麥大帶東大橋，主跨1624米；以及1998年建成的日本阿卡西-凱京大橋，主跨1991m。

在懸索橋的結構中，橋面是由豎向吊索支撐，與主纜相連。主纜在索塔處支承，并錨固在端部。而在斜拉橋的結構體系中，斜拉索的布置主要取決于結構材料、地基中的土體類型、主跨長度、結構設計的創新四個方面。橋面由斜拉索支撐，斜拉索另一端連接在塔上。

直接由橋塔支撐的斜拉索被拉伸到足以提供主梁所需的橫向穩定性，由主纜支撐的吊杆，在垂直方向支撐主梁。因此，在同一橋梁體系中加入兩根主纜，可以同時發揮拉索和吊索的優點。Dischinger、Roebling、Gimsing和Steinmann等橋梁大師開創了在同一結構中使用斜拉索和豎直吊杆的先河。1920年後，美國布魯克林大橋通過在同一結構體系中引入斜拉索和吊索進行了修複。

葡萄牙薩爾紮爾橋、法國坦卡維爾橋等橋梁也通過在同一結構體系中引入拉索和吊杆進行了修複。通過研究，可以看出斜拉-懸索協作體系在同一座橋梁中具有增強結構體系性能的特性。這也證明了斜拉-懸索協作體系橋梁是纜索承重橋梁的創新形式，用于改善結構性能，我國在1997年建成了第一座主跨288m的斜拉-懸索混合梁橋。

法國坦卡維爾橋

英國亨伯爾大橋

經濟與性能雙管齊下的組合式結構

通過将懸索和斜拉兩種體系的橋梁纜索承重體系結合，可實現新的橋梁體系。為了在橋梁體系中實現超大跨度，斜拉-懸索混合體系将成為一種極具吸引力的替代橋梁體系。将吊杆的荷載轉移到懸索橋的主纜上，在斜拉-懸索協作體系中，橋面也由斜拉索支撐。因此，與相同跨度的懸索橋相比，主纜中的張力大大降低。在架設橋梁期間，有效縮短了懸臂，從而提高橋梁在施工期間的風穩定性。并且，對相同跨度的懸索橋而言，由于主纜和大型錨具的成本有效降低，因此組合式橋梁體系可降低項目的總體成本。由于主跨的增加消除了在水中施工的困難，即使在軟土地層中也可進行施工。斜拉索支撐的橋梁部分縮短了，從而減少了橋面的軸向力、斜拉索長度和索塔高度。組合橋梁體系節省了橋面材料，提升了其經濟，并可在懸索和斜拉部分采用不同的材料。懸索橋部分可采用輕型鋼箱梁，斜拉橋部分可采用預應力混凝土梁。

常規荷載設計的斜拉-懸索協作體系本質上是柔性的，對風、地震荷載非常敏感。通過确定準靜态風或地震效應的分析，長跨徑或超長跨徑橋梁表現出明顯的動力特性，橋梁的動力特性取決于結構的質量、剛度、頻率、幾何形狀和阻尼等，這些特性往往與橋梁的型式和主跨有關。

在SAP2000 V14軟件中，通過對1400m主跨地錨斜拉-懸索協作體系橋梁進行建模分析，可看出邊跨輔助墩支撐對橋梁力學行為的影響情況。

設定橋梁主跨長度為1400m，邊跨長度700m，橋塔高度為258.98m，斜拉-懸索協作體系的懸索部分與主跨的比值為0.5，為了提高纜索承重橋梁的豎向彎曲剛度，多數情況下可在邊跨中設置幾個輔助墩。

以設置0-3個輔助墩來看，增加輔助墩的數量可以有效地縮短橋梁的振動周期。僅設置1個輔助墩支撐時，橫向、縱向和豎向的振動周期分别減少1.00%、3.65%和2.11%。設置3個輔助墩支撐時，橫向、縱向和豎向的時間周期分别減少1.59%、4.01%和2.3%。設置1個和3個輔助墩支撐，塔的彎曲振動周期分别減少1.06%和4.98%。由此可以看出，通過設置輔助墩支撐，橋面和橋塔的垂直方向性能得到了最大限度的提高，因此，輔助墩支撐可以有效地提高橋的豎向抗彎剛度。

随着斜拉橋、懸索橋和斜拉-懸索協作橋梁結構演變的發展，可以看出，協作體系能夠提供更大的剛度，以及為懸索橋體系提供更大的跨度。在橋梁性能方面，通過對斜拉-懸索協作體系橋梁的建模分析，無量綱幾何參數分析顯示斜拉-懸索協作橋梁具有廣闊的應用前景。其中，輔助墩支撐的設置對斜拉-懸索協作體系橋梁的豎向彎曲性能起着重要作用, 僅提供1個輔助墩支撐，便能有效地減少約3.65%的振動周期。而其組合式的結構形式，為材料的應用提供了更多的選擇性，節省了橋面材料，直接降低了工程的造價成本。

本文刊載 / 《橋隧産業》雜志 2022年 4月刊 總第48期

文章來源 / IOP Conference Series:Materials Science and Engineering

編譯 / 張永濤

作者單位 / 中交第二航務工程局有限公司

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