斜拉桥：创新永无止境

南京江心洲长江大桥

斜拉桥作为大跨度桥梁最为常用的桥型，结构体系与形式丰富多样，不仅跨越能力大而且对自然条件适应能力强，在世界范围得到广泛应用。自上世纪中期开启现代密索体系斜拉桥技术新时代以来，斜拉桥的应用迅速超越拱桥和悬索桥，成为当今应用最多的大跨度桥梁结构体系。现代斜拉桥从1956 年瑞典主跨183m的Stromsund桥开始，到2012年俄罗斯主跨1104m的Russky Island桥（图1）建成通车，半个世纪的时间里取得了巨大的技术进步，图2列出了国内外部分已建成斜拉桥的跨径发展历程。

图1 俄罗斯Russky Island桥，2012年

图2 斜拉桥发展历程

在斜拉桥体系中，桥塔、加劲梁和拉索三者之间相互依存，共同构成了三角形结构承受和传递荷载。在恒载作用下，主动调索可以使主梁和桥塔主要承受轴力，恒载弯矩几乎可以忽略；在活载作用下，主梁和桥塔受力主要是结构被动反应，所产生的主要是弯矩作用。尽管活荷载相对于恒载非常小，但在主梁和桥塔中所产生的弯矩，对于结构的受力与经济性至关重要。在结构体系确定的条件下，主梁和桥塔自身刚度变化，对体系刚度影响较小，但对自身受力影响显著，对其他构件受力影响也较小。因此，在考虑风、震等各种受力需求后，恰当的梁塔刚度是保证经济性的前提。

有相关研究表明：总体上斜拉桥各部件中主梁造价占总造价比随跨度增加而减少。对于钢箱梁斜拉桥，在1000m以内跨度斜拉桥中，主梁造价占比达到50%以上；对于组合梁斜拉桥，在800m以内跨度斜拉桥中，主梁造价占比达到40%以上。主梁自身造价对斜拉桥总造价至关重要，自身重量对造价影响敏感度相对较低。因此，不同主梁形式各占一段技术经济优势跨度范围，并在一定范围交叉竞争。

高性能钢材、UHPC等新材料的开发应用，可以提升结构承载力、减轻结构自重，这对提高斜拉桥的跨越能力是有利的。但目前这些新材料及其塑造的结构构件仍然面临着材料价格、合理构造、施工工艺等方面的挑战，其在大跨度斜拉桥的应用前景，关键在于通过对材料的高效利用，取得经济上的竞争力。因此，寻求材料性能与工程经济性的合理平衡也是非常重要的。比如组合梁中的桥面板，在普通混凝土（RC）和超高性能混凝土（UHPC）之间，应该开发高性能混凝土（HPC），并与钢材的强度等性能水平相互匹配，实现材料的高效利用。

当前，斜拉桥已有采用UHPC板主梁和组合桥塔的工程应用，也是大跨度斜拉桥应用研究的热点问题。除此而外，正交异性组合桥面板主梁、混合截面主梁以及斜拉桥主跨采用两种主梁混合的结构形式，都是值得重视和发展的。不断丰富斜拉桥的结构体系和结构形式，不仅只是提升跨越能力的问题，也是进一步提升斜拉桥与其他桥型的竞争范围和能力的问题。

正交异性组合桥面板的应用最早可追溯到上世纪30～40年代。1971年至1978年完工的阿根廷的两座斜拉桥采用混凝土板厚度为14cm的正交异性桥面板组合梁，建成超过 40 年后未发现桥面板有任何明显的损伤。正交异性组合桥面板组合梁已经过历史见证，表明这是一种久经考验的可靠结构形式，是值得重新审视、研究和发展的一个重要方向。尤其进入新世纪后，主梁结构形式的不断丰富，采用轻质正交异性钢板和薄层混凝土组成的正交异性组合桥面板也重新焕发活力。根据斜拉桥跨度和主梁受力需要，正交异性组合桥面板可采用不同力学性能指标的混凝土材料（RC-HPC-UHPC），甚至在同一斜拉桥中根据不同区域主梁受力需要，组合桥面板可进行不同混凝土厚度和材料的混合布置，以充分发挥材料优势，图3为正交异性组合桥面板示意。由于混凝土板的引入、桥面刚度大幅提升，疲劳问题将几乎不会成为控制因素。早先钢桥面板采用闭口肋以提升桥面刚度的需求已经退居次要位置，正交异性组合桥面板组合梁的钢桥面设计可以更加自由，如开口肋可以重新进入视野。

图3 正交异性组合桥面板示意

简而言之，就是以组合板替代传统组合梁的混凝土板，着眼于减轻混凝土桥面板的自重，或者替代钢梁的正交异性钢桥面板，改善正交异性钢桥面板的疲劳性能。值得注意的是，正交异性组合桥面板参与主梁结构总体受力，是其在大跨度斜拉桥应用的重要优势。

正交异性组合桥面板组合梁满足强健性和可持续性等当代建造要求，从全寿命经济性角度出发，是千米级钢斜拉桥具有竞争力的重要主梁形式，也是拓展组合梁竞争跨径范围的方向之一。

在一定跨度和建设条件下，斜拉桥采用组合梁，可以规避正交异性钢桥面疲劳问题，并具有技术经济竞争力。相对于钢材，混凝土材料承受压力有其力学和经济上的优势，但随着斜拉桥跨度的不断增加，组合梁相对较大的自重将使其失去技术和经济上的竞争力。要满足桥梁向超大跨度发展，从结构受力角度希望能够做到轻质高强，因此UHPC板组合梁是应用方向之一。

南京江心洲长江大桥是国内最早采用UHPC（粗骨料活性粉末混凝土）板组合梁的实例，应用于主跨2×600m三塔斜拉桥中，混凝土桥面板标准厚度17cm，有效减小了桥面板板厚和自重。湖北观音寺长江大桥主跨达1160m，主跨采用UHPC板箱形组合梁，桥面板标准厚度17cm。该桥初设阶段的深化比选结果表明，主跨1160m斜拉桥采用UHPC组合梁，制造安装工艺以及技术经济等方面完全可行，可在主跨1200m斜拉桥范围内与其他梁型竞争。

实践和研究表明，UHPC板组合梁是千米级斜拉桥具有竞争力的结构形式，并可在更大跨度范围的斜拉桥中与其他主梁形式展开竞争。

对于大跨度斜拉桥，采用正交异性钢桥面板的钢梁仍然无法回避，如何规避钢桥面板的疲劳问题，成为值得进一步探索的关键问题。总体而言，钢桥面板疲劳问题最为突出的位置总是出现在重载车辆多的车道上，集中解决该范围的钢桥面板疲劳问题应该是方向之一。因此，考虑将通行重载车辆的外侧车道下的桥面板替换为疲劳性能较高的结构形式，如开口肋正交异性钢桥面板、正交异性组合板、UHPC华夫板等，组成混合桥面板系统，主梁成为混合截面主梁（图4），既可兼顾对主梁轻质高强的要求，又可以回避钢桥面板主要部位的疲劳问题。

图4 两种桥面板混合截面梁示意

虽然采用RC/UHPC组合桥面板或UHPC桥面板与钢桥面板混合布置将使结构构造及制造更为复杂，目前也尚未有实例，同时与正交异性钢桥面板主梁相比，混合桥面主梁的结构自重和承载能力等不同程度变化，对斜拉桥总体力学性能也会产生一定的影响，但连接问题和性能影响在技术上并不会成为控制因素。

从提升斜拉桥主梁耐久性以及竞争力角度出发，采用两种桥面板的混合截面主梁，是未来值得研究和发展的结构形式之一。

随着斜拉桥向大跨度发展，桥塔高度随斜拉桥跨度同步增加，在可预见的桥塔高度范围，即使混凝土桥塔仍然最为经济，但巨大的结构自重将使得基础规模显著加大，特别是在软土地基条件下，将引起斜拉桥造价明显增加。钢桥塔可以大幅降低结构自重，同时也可以显著降低基础规模，但钢桥塔自身造价非常高、甚至可达混凝土塔的一倍以上，此外钢塔刚度小、存在风致振动等问题。因此，统筹考虑桥塔与基础乃至斜拉桥体系各方面需求，在混凝土桥塔和钢桥塔之间寻找平衡点，从解决桥塔力学性能和结构自重等方面出发，组合结构成为不仅在受力方面，也包括经济性上的可能选择。另一方面，自锚体系超大跨度斜拉桥的桥塔高度随着跨径增加，桥塔需承受超大轴力和弯矩联合作用，对桥塔结构性能提出了更高要求。而对于多塔斜拉桥，中塔常常承受更为巨大的弯矩作用，往往控制设计。显而易见，采用组合结构桥塔是解决方案之一，更能适应斜拉桥向大跨度发展的趋势。

目前，已经建成通车的南京江心洲长江大桥采用了钢壳混凝土组合桥塔，正在建设的张靖皋长江大桥南航道桥采用钢箱-钢管约束混凝土组合桥塔。钢壳混凝土组合桥塔结合了混凝土桥塔造价低、抗压性能好、钢塔自重轻、工业化程度高的优势，具有承载能力高、塑性和韧性好、外观质量好、耐久性好等特点。钢箱-钢管约束混凝土组合桥塔在钢箱内布置圆形钢管混凝土，利用钢管混凝土套箍效应，充分发挥混凝土承压作用，而外缘的钢箱结构可更好地适应桥塔不利条件下的边缘受拉需求。结合实际受力情况，可以调节内置钢管位置，满足桥塔刚度与受力要求，从而充分发挥混凝土和钢两种材料的力学性能优势。

总之，组合桥塔适应了超高桥塔轻型化、高延性、高承压和抗弯承载要求，值得未来进一步研究和发展。

主梁承受巨大恒载轴力作用是斜拉桥最为显著的特点之一，随着斜拉桥跨度不断发展，巨大恒载轴力成为主要限制因素。

从定性角度分析，支承跨中区域主梁的斜拉索倾角较小，为平衡主梁重量而产生的水平分力较大，从跨中向塔根移动斜拉索倾角逐渐增加，平衡相同重量引起的水平分力逐渐减小。以塔跨比λ=0.25为例，塔上拉索布置范围对主梁轴力大小及占塔根轴力比的影响规律，如图5所示。图中α为塔上索锚区长度与梁上桥塔高度的比值。

图5 不同位置轴力占塔根轴力比

索面布置从扇形（α=0）、近似扇形（0＜α＜1.0）到竖琴形（α=1.0）变化过程中，内侧拉索的竖向支承效率逐渐降低，累积主梁轴力差异开始逐渐明显；对于常用近似扇形索面布置（α＜0.4）的斜拉桥，跨中约30%区段范围主梁即已累积将近塔根处主梁一半轴力。显然，对于经济、耐久的组合梁斜拉桥，自重大、跨越能力不足一直是其向更大跨度发展的瓶颈，如在中跨主梁采用混合布置，在主梁水平轴力累积最敏感区域进行减重，则是拓展组合梁斜拉桥竞争跨径的有效途径之一。

斜拉桥边跨采用混合梁布置达到改善结构受力、降低造价的目的已有不少工程案例。进一步在中跨范围采用不同梁型的混合布置以取得技术经济上的优势，应该成为大跨度斜拉桥值得重视与发展的新方向。

从主梁受力特点看，从塔根处到跨中，主梁从受压为主逐步转变成受弯为主，相应采用不同结构形式的主梁，可以更好地满足结构受力要求。对于中小跨径斜拉桥难以取得经济上的优势，但随着斜拉桥跨度的进一步增加，特别是千米级跨度斜拉桥，在主跨范围内进一步采用不同受力特点与经济性的主梁形式，成为可供选择的一种思路。具体而言，在弯矩大、轴力小的近跨中段主梁采用轻质高强结构形式，轴力大、弯矩小区段主梁采用抗压性能好的结构形式，以达到更好的经济性。

以传统RC板组合梁为基础方案，从塔下往跨中方向2/3半跨（长度L1）的弯矩为考察对象，按照主跨跨中1/3采用钢箱梁等轻质主梁进行混合，并针对斜拉桥同等跨度以及主梁采用混合梁后增加跨度两种情况，计算分析结果均表明：L1长度范围主梁的弯矩变化很小（比较的斜拉桥跨度范围900m～1200m）。

在以上关于主梁轴力和弯矩分析的基础上，进一步从主梁轴力水平相比拟角度，得到不同形式主梁混合分界点比例对提升竞争跨径的影响如图6所示，中跨范围采用轻质主梁的范围（混合比例）越大，斜拉桥跨越能力越大。

图6 不同主跨混合布置方案竞争跨径

上述分析只是从主梁受力角度粗略反映一些规律，还需结合工程实际与经济性统筹考虑，包括混合梁的分界点、混合梁的结构形式等。比如传统混凝土板组合梁斜拉桥在千米级情况下，采用混凝土板组合梁与更为轻质的UHPC板组合梁、RC组合板组合梁或者钢箱梁进行混合，可以提升斜拉桥的竞争力。观音寺长江大桥斜拉桥（图7）主跨达到1160m，该桥即采用了边跨混凝土主梁+主跨混合式组合梁的两重混合布置。

图7 湖北观音寺长江大桥斜拉桥模拟图

总之，在不同斜拉桥跨径及主梁受力需求下，主跨采用不同主梁形式进行混合布置，充分发挥不同结构形式的优势，可以使斜拉桥主梁的力学性能与受力特点更具协调性，进而取得技术经济上的竞争力。

采用部分自锚体系，通过设置一个较小锚碇平衡掉一部分索力，解决主梁巨大恒载轴力及静力稳定问题，是斜拉桥提升跨越能力的途径之一。部分地锚体系构思最早在上世纪60年代由Gimsing提出相关概念，如图8所示，后来国内外不少学者对该体系进行了研究。有学者提出采用部分地锚交叉索斜拉桥体系，通过增设锚固于对向索塔的长索，将中跨长索在跨中区域进行交叉，通过调整交叉索的张拉力，实现跨中梁段内的低水平压力、无水平压力甚至水平拉力作用，从而减小主梁塔根处轴压力的目的，同时解决地锚斜拉桥跨中梁段的施工难题。

图8 部分地锚斜拉桥布置示意

从施工方法上讲，地锚体系自锚段主梁仍采用常规悬臂施工，但中跨地锚段主梁是施工关键问题。一般认为可通过类似于悬索桥施工时先借助临时索道架设，再以跨中梁段为平台往两侧吊装主梁节段，直至与自锚段主梁合龙。然而，跨中受拉梁段在施工期间始终处于飘浮不稳定状态，同时缺乏有效约束，增加了恶劣环境下施工危险性。一些学者提出的部分地锚交叉索斜拉桥体系，为了不使交叉索梁段在施工期间对自锚梁段产生轴压力，支承同一交叉索节段的内侧索和交叉外侧索同时张拉，该体系施工可采用悬臂施工法，无须在跨中搭设支架，施工可操作性较传统部分地锚斜拉桥有所改善。

部分地锚斜拉桥可以减小主梁所受轴向压力，从而增加斜拉桥的跨越能力，但并不能减小桥塔高度及其所受恒载作用，桥塔高度随斜拉桥跨度增加而增加，桥塔与基础受力增加，将进一步影响其经济竞争力。特别是跨度超千米后，随着跨度的增加，将受到悬索桥更大的竞争压力。到目前为止，部分地锚斜拉桥只是在较小跨度斜拉桥有应用，超大跨度斜拉桥仍停留在理论研究阶段，还存在诸多有待研究和解决的问题。应该指出，在千米级以下较小跨度斜拉桥中，只要能够充分利用自然环境等条件，采用部分地锚斜拉桥实现技术经济合理性，即使初衷不在于减小主梁所受轴力，也是值得鼓励的。

总之，部分地锚体系通过降低主梁轴压力提升斜拉桥跨越能力的构思是值得肯定的，但要实现在超大跨度斜拉桥中应用，还有待于出现合适的自然条件和建设需求，并需要未来进一步从多方面开展技术探索。

我国西部地区深切峡谷遍布、中东部地区大江大河横贯、东南沿海地区海湾海峡宽阔，未来还要建设大量的桥梁，斜拉桥不可或缺。同时，随着国家社会经济发展，如何实现长寿命、易维护的桥梁高品质建设要求，是新时代需要重点考虑的问题。

总之，斜拉桥建设将面临着技术创新、跨径突破等诸多挑战与机遇。