1、体系组成

       斜拉桥主要由五部分组成：索塔、加劲梁、拉索、墩台和基础，有时在边跨还设置辅助墩。

斜拉桥结构示意图

       加劲梁是斜拉桥的主要受力构件之一，直接承受自重和车辆荷载，并将主要荷载通过斜拉索传递到索塔，表现为压弯受力状态。

索塔也是斜拉桥的主要受力构件，除自重引起的轴力外，还要承受斜拉索传递来的轴向和水平分力，因此索塔同时承受巨大的轴力和较大的弯矩，属于压弯构件。

主墩承受斜拉桥绝大部分荷载作用，并将此传给基础。

上部结构的所有荷载由基础传至地基，基础一般承受较大的竖向力和弯矩。

对于大跨径斜拉桥，在边跨设置一个或多个辅助墩，可改善成桥和施工状态下的静、动力性能。

2、基本受力特性

一般情况下，斜拉桥的传力路径为：荷载→加劲梁→拉索→索塔→墩台→基础，拉索与塔、梁之间构成了三角形结构来承受荷载，如下图所示。无论是施工阶段还是成桥运营阶段，通过拉索的索力调整，可改变结构的受力状态。   

斜拉桥荷载传递路径示意图

2.1 加劲梁

加劲梁与和它连在一起的桥面系，直接承受活载作用，是斜拉桥主要承重构件之一，具有以下特点：

（1）跨越能力大。加劲梁受拉索支承，像弹性支承连续梁那样工作。由于拉索的可调性、柔软性和单向性，对加劲梁的支承作用在恒载下最有效，活载次之，风荷载最差。下图是连续梁桥和斜拉桥的恒载弯矩比较图，从中可以看出，由于拉索的作用，加劲梁恒载弯矩很小。

连续梁桥和斜拉桥恒载弯矩比较图

（2）梁高小。与连续梁相比，拉索的多点弹性支承使加劲梁的弯矩峰值急剧降低，因此加劲梁无需像连续梁那样，通过加大梁高来抵抗外力。斜拉桥的加劲梁梁高，常由横向受力、拉索间距和轴向受压稳定性确定。

（3）拉索的水平分力由加劲梁的轴力平衡。下图是自锚斜拉桥的轴力图，由于斜拉索水平分力的作用，越靠近索塔，加劲梁轴力越大，拉索在砼主梁中提供了免费的预应力。但随着跨径的增大，梁体内强大的轴向压力成为设计的控制因素，阻碍了斜拉桥跨径进一步增大，从而出现了部分地锚斜拉桥体系。

自锚式斜拉桥轴力图

（4）斜拉索的索力可以进行人为调整，以优化恒载内力，消除混凝土收缩徐变产生的部分附加内力，使结构受力合理。

加劲梁截面形式及材料

       加劲梁从截面形式上，可以分成板式梁、实体梁、箱梁等，可根据桥宽、索面布置形式、结构的抗风要求和梁的材料等综合确定。超大跨径斜拉桥更多采用流线型扁平钢箱梁截面，两侧带有风嘴或导流板。为了提高加劲梁的侧向受力和抗风性能，有时还采用中央开槽的方式改善截面形状系数，形成分离式钢箱梁截面，主跨 1018m 的香港昂船洲大桥即为此种截面形式。

加劲梁从材料上，一般分为混凝土梁、钢梁和钢混组合梁。钢结构重量轻、抗拉强度高且施工方便，但价格昂贵，桥面铺装易损，正交异性板桥面还可能出现疲劳问题。混凝土结构价格低、刚度大且稳定性较好，但结构自重大。在设计中往往根据建桥条件和布跨大小择优选择，两者结合、互补长短能收到较好的效果。

组合梁

       组合梁的概念最早由德国学者Leonhardt于 1980 年提出，其理念是用混凝土桥面板代替钢梁上缘受压的正交异性钢板，既节省了造价，又改善了桥面性能。加拿大 Annacis 桥、上海南浦、杨浦大桥均为此类。一般认为，组合梁斜拉桥合理跨径可达 800m。组合梁桥面存在钢梁与混凝土桥面板之间在长期收缩徐变效应下引起的应力重分布现象，以及负弯矩区桥面板的抗裂性问题，设计中要充分考虑混凝土和钢两种材料的应力传递与分配以及连接区的耐久性问题。

混合梁斜拉桥中跨采用钢梁、边跨采用较重的混凝土梁，最早在德国 Knie 桥（1969 年）上成功应用。武汉白沙洲桥、法国诺曼底桥、日本多多罗桥、香港昂船洲桥均为此类。这种桥型适用于特大跨径且边跨较小的斜拉桥。

超千米级斜拉桥主跨采用钢箱梁形式，似乎是必然的选择。钢斜拉桥的主要优点是跨越能力大，缺点是价格较贵、后期养护工作量大。而边跨在边中跨比较小的情况下可采用混凝土加劲梁，以改善其力学与经济性能。

2.2 索塔

索塔是受压为主的压弯构件，上部结构的荷载通过拉索传到索塔，再传递给墩台及下部基础。塔内的弯矩主要由索力的水平分量差引起。此外，温度变化、日照温差、支座沉降、风荷载、地震力、混凝土收缩徐变等都会对索塔的受力产生影响。

从材料上，斜拉桥索塔可以分为钢筋混凝土塔、钢塔和钢—混凝土混合塔等。塔与梁、墩既可固结，也可相互分离，其受力特点有所不同。

塔墩固结的混凝土索塔一般由基础、承台、塔柱、横梁及塔顶建筑等五大部分（或其中 几部分）组成 ，如下图所示。塔柱是索塔的主要受力构件，塔柱之间设有横梁或其它连接构件以增强塔的 整体性和稳定性 。在索塔弯折处，横梁还起到 平衡水平分力 、与塔柱形成汇交力系的作用。塔顶横梁及竖直塔柱之间的中横梁主要承受自重和横向作用引起的内力，下横梁除承受自身重力作用外，还承受其它作用的轴向力和弯矩。所有的塔柱、横梁作为索塔面内的组成构件共同参与抵抗风力、地震力和偏心活载。

斜拉桥索塔的组成

索塔的拉索锚固区是将拉索的集中力安全、均匀地传递到塔柱的重要区域。锚固点作用着巨大的集中力，锚固区的受力状态复杂，应力集中明显。有限单元法是目前锚固区应力分 析 广泛采用且行之有效的数值方法。 采用平面有限单元法计算锚固区应力，难以全面反应锚 固区应力的真实性，需按空间理论进行分析和计算。 必要时，可采用模型试验和精细有限元 分析相结合的方法来验证拉索锚固区结构设计的合理性并指导施工。

钢索塔造价较高，主要适用于强震区或者地质条件差的桥址区，以减小基础的规模。在结构设计中，重点要考虑局部稳定与加劲构造，以避免因板件局部失稳而引起的塔柱承载能力折减。由于钢塔质量轻、阻尼较小，发生涡振的概率有所提高，为此要采取一定的抑振措施。若在桥面以上或仅上塔柱锚固区采用全钢结构，其它部分采用混凝土结构，形成钢—混组合索塔，则既可充分发挥钢索塔锚箱与主体结构的一体化优势，确保索塔锚固区的安全耐久，又能适当控制下部结构重量和工程造价，但要做好钢、混结合处的构造处理。香港昂船洲大桥的索塔上部为钢和混凝土组合结构，下部为混凝土结构，即是此例。

2.3 斜拉索

斜拉索是主要传力构件，将索塔、加劲梁连接在一起，使整个结构形成一种以自身对称稳定来维持平衡的内部高次超静定结构体系。加劲梁恒载和大部分活载都通过斜拉索传递到 索塔。 斜拉索只能承受拉力 ，在自重作用下会产生 垂度效应 ， 非线性问题比较突出。斜拉索的抗拉刚度不但和自身截面特性有关，还与其自重和所受拉力有关。

从大量设计实践及工程实例可知，在横向风荷载作用下，斜拉索引起的结构响应占结构总响应的比例较高，超过了主梁引起的响应，纵桥向风荷载要比横桥向小。

拉索按其构造和受力性能大体可分三类，后两种在工程中已很少使用。

（1）柔性索。包于高强钢丝外的索套作为防锈蚀材料，不参加索的受力。索在自重作用下有垂度，垂度大小受到索力影响，属于几何非线性构件，计算中可忽略索抗弯刚度的影响。分为平行钢丝配以冷铸墩头锚系统和钢绞线配以群锚系统两种类型。前者质量保证性较好，拉索锚固空间小；后者可较方便地进行单根钢绞线安装及张拉，张拉力小，对施工设备要求低，但拉索面积大，因此受风面积大，还需要较大的锚固空间。

（2）半刚性索。高强钢丝的索套可以采用钢管。这样的索套在最不利荷载组合作用下可与高强钢丝共同工作。索在自重作用下仍有垂度影响，在计算中可按柔性索的相同图式来考虑，所不同者在于应把索套按其弹性模量等换成钢丝，作为索面积的一部分。

（3）刚性索，实质上是拉杆。预应力混凝土斜拉杆（板）为拉弯构件，可提高结构整体刚度。混凝土包裹预应力索，可以解决其防腐问题。预应力索与混凝土相粘结，在活载作用下，其应力幅比钢拉索大幅减小。

斜拉索在梁上的布置，纵向上分为稀索和密索，横向上则可分为单索面、双索面、多索面和空间索面。在纵向，早期斜拉桥采用的稀索体系现已基本被密索体系所取代，但在部分斜拉桥中仍可使用。

在横向，单索面斜拉桥的抗扭刚度主要由加劲梁提供；双索面拉索能分担加劲梁较大部分的扭矩，尤其是空间双索面对抵抗风致振动特别有利；空间索面斜拉桥往往是结合特定的建桥条件而定。

2.4 主墩、基础

        主墩承受斜拉桥绝大部分荷载作用，并将此传给下部基础。墩和塔、梁的不同结合方式直接影响到这个体系的受力特性。

2.5 辅助墩

辅助墩对于斜拉桥的受力性能有着不可忽视的作用，尤其是对于大跨径斜拉桥，由于在活载作用下锚墩支座反力和端锚索应力幅变化较大，单靠调整边中跨比来协调上述二者之间的矛盾往往是很困难的。若在边跨适当位置处设置一个或多个辅助墩，可以改善成桥状态下的静、动力性能，同时还可使边跨提前合龙，提高最不利悬臂施工状态的风致稳定性，降低施工风险。

对于边跨在水中且基础覆盖层较厚的情况，必须考虑到下部结构的经济性和辅助墩的实际支承效率，并兼顾通航要求。工程经验表明，以单侧1~3个为宜，具体位置一般可根挠

度影响线和布跨孔径统一协调。

对于边跨布置在岸上或边跨区域水深较浅且无通航要求、基础覆盖层相对较薄的情况，根据 Normandy 桥、Tatara 桥和昂船洲大桥等特大桥的工程经验，此时辅助墩的基础费用相对较低，可在边跨内设若干个辅助墩，边跨加劲梁采用 PC 箱梁，使梁高满足施工阶段简支梁状态的受力要求，并和中跨的梁高协调一致。这种混合体系不仅比较经济，同时还能克服全钢箱梁体系在结构刚度、尾索疲劳和锚跨负反力方面的缺点。

3、斜拉桥发展制约因素

斜拉桥体系的跨越能力不是无限的，以下几个方面限制了该体系跨径进一步的发展。

（1）斜拉索自重引起的垂度效应。随着跨径的增大，拉索水平投影长度增加，自重增大、垂度效应逐渐明显，导致斜拉索等效刚度快速降低，从而引起主梁挠度和应力的增大。此外，远塔处拉索倾角的减小还会带来拉索竖向支承能力降低的问题。

（2）主梁轴向压力。斜拉桥主梁内力以轴力为主，梁高几乎不受跨径影响，但必须保证有足够的刚度来限制集中力作用下的局部变形和拉索巨大压力产生的压屈。随着跨径的增大，斜拉索水平分力对主梁形成的轴向压力逐渐积累，在近塔处轴向力达到最大，可能导致梁体屈曲或强度问题。

（3）结构非线性问题。随着斜拉桥跨径的增大，长索的垂度效应、强大的轴力将软化结构刚度，非线性对梁、塔的弯矩增大效应越来越明显。

（4）风荷载是斜拉桥体系主要的控制荷载，极限静阵风作用下，存在主梁、索塔的侧向和纵向位移以及主梁、索塔的角点应力超限等问题。

（5）结构抗风稳定性问题。斜拉桥跨径超千米后，非线性导致结构刚度下降，从而使其抗风稳定性下 降；当跨径超过1400m后，其抗风稳定性与悬索桥相比已不具优势。

（6） 经济性能。随着跨径的增加，斜拉桥的塔、梁用材指标快速上升，当双塔体系斜拉桥的主跨跨径超过1200m 后，其单位桥面造价与有地锚的其他缆索体系桥梁相比已不占优势。斜拉桥跨径的适用范围不是由其极限跨径确定的，而是由其力学和经济性能确定的。

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知识点：斜拉桥体系组成及受力特性