陳 亮，邵長(zhǎng)宇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

斜拉橋按加勁梁用材不同，可分為鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋和鋼-混凝土組合梁斜拉橋。組合梁斜拉橋?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)及斜拉橋范疇的交集，是斜拉橋及組合結(jié)構(gòu)各自發(fā)展到一定程度后的必然結(jié)果。斜拉橋的主梁采用組合結(jié)構(gòu)，兼有混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：一方面解決了混凝土主梁的腹板及底板容易開(kāi)裂，以及鋼主梁正交異性鋼橋面疲勞及鋪裝易損的難題；另一方面，主梁承受軸向壓力，發(fā)揮了混凝土材料的優(yōu)勢(shì)。因此，組合梁斜拉橋具有較好的受力性能。

組合梁為斜拉橋結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的重要構(gòu)件，承受軸向壓力及彎矩作用，與組合梁式橋相比，在受力特點(diǎn)上有較大區(qū)別。另外，正因?yàn)橹髁航Y(jié)構(gòu)型式的不同，組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋相比，在受力性能、設(shè)計(jì)方法上亦有所不同。概念設(shè)計(jì)為橋梁設(shè)計(jì)之魂，本文重點(diǎn)明確大跨度組合梁斜拉橋概念設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要技術(shù)問(wèn)題。

1 合理跨徑界限

目前，世界上最大跨度組合梁斜拉橋?yàn)橥麞|長(zhǎng)江大橋的638 m。傳統(tǒng)認(rèn)為，超過(guò)700 m的斜拉橋應(yīng)當(dāng)選擇鋼橋面型式。實(shí)際上，該結(jié)論是基于傳統(tǒng)鋼板組合梁抗風(fēng)性能的不足而得出。更大的跨度采用開(kāi)口截面組合梁，受主梁自身抗扭剛度所限，較難適應(yīng)橋面風(fēng)速較高情況下抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。由表1可見(jiàn)，流線形組合箱梁彌補(bǔ)了開(kāi)口形組合板梁的不足，具有較高的風(fēng)致穩(wěn)定性。因此，組合梁斜拉橋最大跨度有望較大提高是顯而易見(jiàn)的。

組合梁橋面重量約為鋼箱梁橋面的1.5～1.8倍，鋼斜拉橋正交異性橋面板及其鋪裝費(fèi)用相對(duì)較高，組合梁斜拉橋拉索、基礎(chǔ)等造價(jià)相對(duì)較高。定性而言，場(chǎng)地地質(zhì)條件越好、地震烈度越低時(shí)，組合梁斜拉橋經(jīng)濟(jì)上越有優(yōu)勢(shì)。世界著名橋梁專(zhuān)家Pet er R.Tayl or認(rèn)為在目前的技術(shù)條件下組合梁斜拉橋預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)跨徑為 1 000 m[1]，H ol ger Svensson認(rèn)為組合梁斜拉橋經(jīng)濟(jì)跨徑范圍為400～900 m[2]。筆者從結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度、靜力穩(wěn)定、顫振穩(wěn)定等多方面論證了800～900 m組合梁斜拉橋的可行性及良好的力學(xué)性能[3]。在經(jīng)濟(jì)性能方面，通過(guò)與同等跨徑鋼箱梁斜拉橋相比，認(rèn)為一般條件下，組合梁斜拉橋的經(jīng)濟(jì)跨徑可達(dá)900 m[4]。以上研究，極大地?cái)U(kuò)展了組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋之間的跨徑競(jìng)爭(zhēng)范圍。

2 總體布置及主要參數(shù)

2.1 主梁型式

在組合梁斜拉橋合理跨徑范圍內(nèi)，不同斷面型式組合主梁亦各有其力學(xué)及經(jīng)濟(jì)合理區(qū)間?？筛鶕?jù)場(chǎng)地風(fēng)速條件及經(jīng)濟(jì)性，分別選用組合鋼板梁、半封閉組合箱梁、整體式組合箱梁，如見(jiàn)圖1（a）、（b）、（c）所示。一方面應(yīng)注意使鋼底板的材料性能充分發(fā)揮，另一方面須滿(mǎn)足顫振穩(wěn)定性要求。在600 m以下跨徑一般采用組合鋼板梁，在800 m以上跨徑一般采用扁平流線形整體式組合鋼箱梁斷面，中間橋跨范圍則可采用分離式組合箱梁。當(dāng)斜拉橋跨徑超越千米級(jí)，常規(guī)混凝土橋面板組合梁斜拉橋由于自重原因，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在，靜力穩(wěn)定也將成為突出問(wèn)題。目前正在發(fā)展帶組合橋面板的組合梁斜拉橋新型結(jié)構(gòu)，如圖1（d）所示，將進(jìn)一步拓展組合梁斜拉橋的適用跨徑。

表1 800 m主跨組合梁斜拉橋顫振穩(wěn)定性

圖1 大跨組合梁斜拉橋典型主梁斷面

大跨徑斜拉橋一般都采用空間雙索面布置型式，為主梁提供了較強(qiáng)的抗扭能力，此時(shí)梁高可盡量采用較小值，以取得較大的寬高比來(lái)減少風(fēng)阻和渦振。但梁高也不能過(guò)小，適當(dāng)?shù)牧焊呖稍鰪?qiáng)斜拉橋的魯棒性，并保證在巨大軸壓力下的屈曲問(wèn)題。對(duì)千米級(jí)組合梁斜拉橋，尤其是在場(chǎng)地風(fēng)速較大地區(qū)，軸力及橫向風(fēng)作用下近塔區(qū)主梁角點(diǎn)應(yīng)力往往為設(shè)計(jì)控制因素[3]。此時(shí)，增加主梁寬度，可顯著改善靜橫風(fēng)下主梁受力性能。另外，結(jié)合建設(shè)條件及孔跨布置，根據(jù)配重等需要，邊跨可采用混凝土梁斷面。

2.2 橋塔型式

對(duì)中等跨度斜拉橋塔形選擇余地相對(duì)較大，但對(duì)600 m以上大跨斜拉橋，一般選用倒Y形、鉆石形、A形3種塔形，以配合空間索面的布置。不同橋塔不僅受力性能、造價(jià)不同，而且塔柱的形狀將影響基礎(chǔ)的尺寸，對(duì)總造價(jià)的影響更為顯著。鉆石形索塔雖然下塔柱受力性能相對(duì)較差，但顯著的特點(diǎn)是下塔柱內(nèi)收使得基礎(chǔ)較小，在一定的跨徑范圍內(nèi)可節(jié)省工程造價(jià)。對(duì)更大跨徑斜拉橋，由于基礎(chǔ)規(guī)模較大，采用A型橋塔則有其合理性。

塔跨比為斜拉橋重要設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)特大跨徑斜拉橋，拉索、橋塔上風(fēng)載占有較大比例。當(dāng)場(chǎng)地風(fēng)速較高時(shí)，宜適當(dāng)降低主塔高度以減小風(fēng)載。

2.3 輔助墩的設(shè)置

一般而言，輔助墩對(duì)于大跨斜拉橋有著不可忽視的作用，不僅可以改善成橋狀態(tài)下的靜、動(dòng)力性能，同時(shí)還可爭(zhēng)取邊跨提前合攏，提高最不利懸臂施工狀態(tài)的風(fēng)致穩(wěn)定性。但是，輔助墩的設(shè)置對(duì)組合梁斜拉橋在收縮徐變影響方面有其不利的一面。以目前的建橋經(jīng)驗(yàn)，600 m以下組合梁斜拉橋可不設(shè)置輔助墩，如希臘里翁-安蒂里翁橋[5]及青洲閩江大橋。分析研究表明，對(duì)600 m以上特大跨組合梁斜拉橋，設(shè)置2個(gè)輔助墩與1個(gè)輔助墩相比，在活載作用下，斜拉橋剛度提高不是很大，對(duì)塔、梁受力性能的改善幅度亦非常有限，通常設(shè)置1個(gè)輔助墩即可滿(mǎn)足要求。當(dāng)然，對(duì)800 m以上組合梁斜拉橋，可根據(jù)施工方面的要求，考慮更多輔助墩的設(shè)置。

2.4 斜拉索及布置

1 860 M Pa扭絞型平行鋼絲拉索為橋梁行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，并已在嘉紹跨江大橋、港珠澳大橋得到了應(yīng)用。大跨徑斜拉橋采用高強(qiáng)鋼絲，可以減少拉索用量從而改善經(jīng)濟(jì)性能，減小斜拉索的直徑從而減小風(fēng)載，降低最大單索重量從而降低運(yùn)輸、架設(shè)難度，應(yīng)積極推廣使用。

對(duì)現(xiàn)代大跨斜拉橋而言，斜拉橋的整體剛度由拉索變形控制，結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)平衡甚至較少需要主梁及主塔的抗彎剛度。當(dāng)中跨作用荷載時(shí)，力通過(guò)對(duì)應(yīng)拉索傳遞到塔頂，然后通過(guò)錨索傳遞到錨墩（邊墩或輔助墩），邊跨內(nèi)部其他拉索幾乎不承受荷載。邊跨作用荷載時(shí)，力通過(guò)邊跨對(duì)應(yīng)拉索傳遞到塔頂，并通過(guò)錨索索力的減小來(lái)平衡。由此可見(jiàn)，錨索對(duì)斜拉橋的整體剛度具有重要意義，應(yīng)盡量布置于邊墩及輔助墩附近，從而改善斜拉橋結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。

2.5 塔梁約束體系

現(xiàn)代斜拉橋是多跨連續(xù)的柔性結(jié)構(gòu)，不同的建橋條件需要不同的約束體系，以使結(jié)構(gòu)的位移﹑靜力和動(dòng)力反應(yīng)最佳。對(duì)特大跨徑斜拉橋而言，塔梁縱向約束是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，一般宜采用縱向彈性（阻尼）約束體系。縱向風(fēng)、活載引起的塔底彎矩及梁端位移隨縱向約束剛度的增加而減小，主梁收縮徐變、溫度引起的塔底彎矩則隨縱向約束剛度的增加而增加。應(yīng)通過(guò)參數(shù)分析，使結(jié)構(gòu)受力及位移響應(yīng)最優(yōu)。

3 受力特點(diǎn)及影響因素

組合梁斜拉橋橋面板剪力滯后、混凝土收縮徐變、鋼混界面滑移、施工過(guò)程、非線性等多種效應(yīng)互相關(guān)聯(lián)，精細(xì)化分析才能對(duì)其準(zhǔn)確模擬。概念設(shè)計(jì)中應(yīng)抓住主要矛盾，適當(dāng)簡(jiǎn)化。

3.1 剪力滯后效應(yīng)

目前各國(guó)規(guī)范對(duì)梁式橋橋面板有效寬度作了規(guī)定，但該規(guī)定并不適用于組合梁斜拉橋。組合梁斜拉橋主梁不僅承受彎矩而且承受軸力，因此分別對(duì)應(yīng)有彎矩有效分布寬度及軸力有效分布寬度。彎矩有效分布寬度與有效跨度有關(guān)，而軸力有效分布寬度與拉索水平軸力的擴(kuò)散相關(guān)。理論上講，橋軸向同一位置有效分布寬度在不同施工階段及成橋階段不斷變化，而且由于在正常使用狀態(tài)及承載能力狀態(tài)下主梁軸力、彎矩所占比例不同，橋面板有效寬度也理應(yīng)有所區(qū)別。

同時(shí)考慮主梁兩種有效分布寬度，在設(shè)計(jì)計(jì)算中會(huì)帶來(lái)不便。相比之下，在彎矩和軸力共同作用下橋面板有效寬度系數(shù)更易于實(shí)際操作。對(duì)組合梁斜拉橋橋面板統(tǒng)一有效寬度系數(shù)的研究表明，重慶江津觀音巖長(zhǎng)江大橋在0.75～0.95之間[6]，武漢二七路長(zhǎng)江大橋在0.748～0.916之間[7]。文獻(xiàn)[8]基于美國(guó)已建18座組合梁斜拉橋基本參數(shù)，在理論分析基礎(chǔ)上，擬合出適合于組合梁斜拉橋的修正有效分布寬度折線圖（見(jiàn)圖2）。認(rèn)為有效寬度僅與主梁豎向支座的縱向間距、橋面板板厚及橋面實(shí)際寬度有關(guān)。值得注意的是，主塔處主梁有無(wú)豎向支座，對(duì)該區(qū)域橋面板有效寬度影響較大。與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究相比，除支座附近有效寬度更為不利以外，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)論總體上較為吻合。

3.2 收縮徐變效應(yīng)

圖2 組合梁斜拉橋橋面板有效分布寬度

組合梁斜拉橋混凝土收縮徐變有其自身規(guī)律，其整體時(shí)變響應(yīng)總體上是不利的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。以?xún)伤崩瓨驗(yàn)槔?，成橋后混凝土收縮徐變將引起索力的變化，特別是邊跨拉索索力會(huì)較大幅度減小。索力改變將使主塔上塔柱水平力不再平衡，塔頂向中跨偏移，塔底出現(xiàn)向中跨側(cè)順橋向彎矩，主梁中跨下?lián)?，全長(zhǎng)出現(xiàn)不同程度的負(fù)彎矩及軸向拉力。相應(yīng)地，主梁橋面板產(chǎn)生不同程度的拉應(yīng)力，鋼主梁壓應(yīng)力則有較大幅度的增加。獨(dú)塔斜拉橋則由于結(jié)構(gòu)體系的不同，收縮徐變的影響相對(duì)較小。

組合梁斜拉橋主梁在承受負(fù)彎矩或軸向拉力時(shí)會(huì)表現(xiàn)出其不利的一面，為了減輕組合梁的收縮徐變效應(yīng)，最直接的辦法是延長(zhǎng)混凝土橋面板齡期。另外，不同結(jié)構(gòu)體系下組合梁斜拉橋的時(shí)效響應(yīng)有所不同。在主塔處設(shè)置豎向支座時(shí)，主塔收縮徐變將使梁塔交接處主梁產(chǎn)生局部負(fù)彎矩峰值。設(shè)置輔助墩除使輔助墩附近主梁出現(xiàn)負(fù)彎矩峰值外，將使組合梁斜拉橋的整體時(shí)變效應(yīng)更為明顯。在體系確定時(shí)，單純從時(shí)變效應(yīng)角度來(lái)講，全飄浮體系（主塔處無(wú)支座、不設(shè)置輔助墩）較其他體系更為合理[9]。

3.3 連接件設(shè)計(jì)及其滑移效應(yīng)

混凝土橋面板與鋼梁之間一般采用剪力釘連接，結(jié)合成整體后共同受力。對(duì)大跨組合梁斜拉橋，一方面應(yīng)考慮剪力釘自身受力，另一方面需考慮其柔性對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力是否產(chǎn)生影響。

組合梁斜拉橋界面連接件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮豎向荷載、拉索索力、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等荷載的作用及其組合，尤其應(yīng)注意輔助墩處、拉索錨固點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力束端部等位置的剪力釘合理布置。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于剪力釘滑移，主要是要考慮其對(duì)剪力釘自身受力的影響，而基本不需考慮對(duì)主梁鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板等其他結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響[10]。

3.4 非線性及穩(wěn)定

對(duì)大跨斜拉橋，基于非線性有限元施工過(guò)程模擬得到的成橋狀態(tài)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)荷載、動(dòng)力、穩(wěn)定等方面精確分析的基礎(chǔ)。非線性分幾何非線性及材料非線性。關(guān)于拉索垂度、P-δ、大位移等幾何非線性效應(yīng)，組合梁斜拉橋與其他斜拉橋并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別?；炷敛牧系男熳儭⑺洪g縱向非線性約束、鋼混界面滑移等均屬于材料非線性范疇。精確計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)各項(xiàng)非線性效應(yīng)進(jìn)行同步計(jì)算，簡(jiǎn)單的疊加原理不再適用。千米級(jí)組合梁斜拉橋幾何非線性效應(yīng)研究表明，幾何非線性使結(jié)構(gòu)活載效應(yīng)均有不同程度增加，影響系數(shù)在15%以?xún)?nèi)，收縮徐變工況幾何非線性的影響相對(duì)較小，影響系數(shù)在5%以?xún)?nèi)。

隨著斜拉橋跨徑的不斷增大，橋塔高聳化、主梁纖細(xì)化使穩(wěn)定問(wèn)題更為突出。在不同的施工階段及成橋階段，不同斜拉橋在不同的荷載條件下，塔、梁均可能成為穩(wěn)定控制因素。由于主梁自重原因，對(duì)千米級(jí)組合梁斜拉橋應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主梁面內(nèi)失穩(wěn)問(wèn)題。

4 合理成橋及施工狀態(tài)

合理成橋狀態(tài)是纜索承重橋梁設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的問(wèn)題，包括幾何構(gòu)形和在恒載、索力及預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)力分布，通常由結(jié)構(gòu)的功能需求和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)確定。對(duì)鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋、組合梁斜拉橋，在合理成橋狀態(tài)確定時(shí)，應(yīng)采用不同的原則。對(duì)鋼斜拉橋，可考慮運(yùn)營(yíng)期活載等的作用，通過(guò)調(diào)整成橋狀態(tài)，使最不利組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布得到優(yōu)化，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的[11]。對(duì)混凝土斜拉橋，主梁存在徐變問(wèn)題，往往采用剛性支點(diǎn)連續(xù)梁法確定成橋狀態(tài)，致力于徐變效應(yīng)最小化。組合梁斜拉橋混凝土橋面板同樣存在徐變問(wèn)題，成橋狀態(tài)一般按剛性支點(diǎn)連續(xù)梁法近似確定。采用該方法時(shí)，為防止橋面板開(kāi)裂，可在主梁軸力較小區(qū)段布置一定的預(yù)應(yīng)力鋼筋，按不容許開(kāi)裂的方法設(shè)計(jì)。當(dāng)然，也可以通過(guò)索力調(diào)整的方法，在成橋時(shí)將主梁預(yù)設(shè)一定的正彎矩。

傳統(tǒng)的組合鋼板梁斜拉橋技術(shù)成熟，常采用先安裝工字形鋼梁，再分塊吊裝預(yù)制橋面板，然后澆注濕接縫形成整體。對(duì)超大跨徑組合鋼箱梁斜拉橋則一般采用節(jié)段全斷面整體預(yù)制方法。對(duì)鋼斜拉橋及混凝土斜拉橋，理論上每根斜拉索可僅張拉一次即得到剛性支點(diǎn)連續(xù)梁下的成橋狀態(tài)，組合梁斜拉橋由于存在鋼混結(jié)合步驟，通常需采用兩步張拉法[12]。結(jié)合前的初次張拉索力應(yīng)盡量避免使不利的彎曲應(yīng)力及變形鎖定在鋼主梁內(nèi)，結(jié)合后的第二次張拉索力則可根據(jù)成橋狀態(tài)倒退分析得到。施工控制中兩步張拉法可使徐變的不利影響及不確定性降至最低，橋面線形更易控制，以順利地實(shí)現(xiàn)理想成橋狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

大跨度組合梁斜拉橋概念設(shè)計(jì)是橋梁工程前期工作中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，離不開(kāi)橋梁工程師對(duì)其性能的正確理解及準(zhǔn)確把握，對(duì)工程的合理性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性具有重要的意義。組合梁斜拉橋最大跨徑在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)停留在600 m左右，由于其良好的適用性，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，跨徑會(huì)有較大的突破。