【设计有话说】谈偏心荷载下的单索面斜拉桥

文/邓文中

单索面和双索面斜拉桥各有优点。虽然已经建成的斜拉桥大多数是双索面，单索面的斜拉桥也为数不少。单索面斜拉桥的应用已经有很长的历史，可以说大家对它的特性都应该相当清楚了，但部分工程师对偏心荷载下的单索面斜拉桥仍有顾虑，在这里我用几个简单的例子解释一下。

单索面斜拉桥的历史

瑞典的史冲湾大桥Stromsund Bridge是大多数工程师公认的第一座正式的斜拉桥。这座桥由德国Franz Dischinger教授设计，主跨182m，于1955年建成通车，双索面，到如今有55年的使用历史了。

索面斜拉桥比双索面斜拉桥晚了7年。世界上第一座大跨度单索面斜拉桥是1962年建成的德国北部汉堡附近的北爱贝桥Norderelbe Bridge。主跨172m，桥面宽30.74m，通车至今也有48年了。该桥在1984年从4车道改为6车道，并把拉索距离稍作修改，但仍是原来的单索面。之后，单索面斜拉桥的跨度愈造愈大。1965年建成了280m跨度，37m宽的勒费库汕大桥Leverkusen Bridge； 1967年建成波昂市北大桥 Bonn Nord Bridge（后来改名为佛德里·埃伯特桥Friedrich Elbert Bridge) ，主跨也是280m。之后，就是1971年通车的、350m主跨、35.8m宽的纽安坎大桥Neuenkamp Bridge。从附表可以看出，勒费库汕大桥和纽安坎大桥通车的时候都是当时世界最大跨度的斜拉桥，比当时的双索面斜拉桥的跨度还要大。再后就是1979年通车的、368m主跨、41.7m宽、单塔的费利黑大桥Flehe Bridge。上面的几座大桥，除了第一座北爱贝桥外，其余4座都是在德国的波昂Bonn和兑以斯堡Duisburg这两个大城之间的莱茵河上，相互距离不超过100公里；都是正交异性板桥面的钢箱梁，拉索都是自闭式钢缆 (Lock Coil Strands) 。

因为单索面斜拉桥必须依靠主梁的扭转刚度来传递由偏心荷载引起的扭转，所以单索面斜拉桥的发展与钢箱梁的发展有很密切的关系，而钢箱梁的发展又与正交异性板钢桥面有很密切的关系。如果没有正交异性板钢桥面，就不能有完整的钢箱梁。世界第一座大跨度正交异性板的钢箱梁桥是1951年建成的德国都斯多夫市-诺斯城的莱茵河大桥Rhine Bridge Dusseldorf-Neuss，跨度为103-206-103m。1956年建成的，当时的南斯拉夫的沙瓦大桥Sava Bridge，也是一座连续梁桥。上面提及，世界第一座斜拉桥是1955年通车的，这样一来，可以说正交异性板桥面的应用和斜拉桥几乎是同时期开始的。当大家从诺斯大桥和沙瓦大桥认识到正交异性板的优异特性和经济效益后，它就很快地被应用在斜拉桥上。在当时的德国，一座大桥从方案设计到建成通车，平均大约需要5到6年。从这一个角度看，单索面斜拉桥的设计比双索面斜拉桥晚了7年很合理。

早期，在混凝土悬臂施工法还没有完善的时候，大跨度桥梁基本上都是由钢铁公司承包的，所以早期的大跨度桥梁，包括斜拉桥，都是钢结构。1972年建成的148m主跨、横跨德国迈河的赫斯特大桥 Hoechst Bridge over the Main River，应该可以说是第一座大跨度混凝土箱梁斜拉桥。这座桥虽然有两个索面，但相距很近，只有铁路和油管放在两个索面之间，其余六个车道都放在索的外边，所以，和单索面情况很接近。此后，1977年建成的，主跨320m的法国的布碌通大桥Brotonne Bridge，大概是第一座真正单索面的混凝土斜拉桥了。


如果所有车辆都挤在桥面的一边，梁上的偏心荷载最大。所有偏心荷载都可以用一个对称荷载和一个反对称荷载来代表，见图。在这里，我们只讨论反对称荷载的影响。这反对称荷载就是作用在主梁上的扭转荷载。

箱形钢截面的扭转刚度

4.疲劳应力 尽管每个国家的疲劳计算用的荷载都可能不同，作为设计者我们应该考虑实际的情况。事实上，均布荷载对疲劳的影响不大，引起疲劳的荷载通常都是由重车引起的局部的应力波动。

我们考虑到大桥上大部分重车都行使在最右边的车道上，而且几部重车同时在一个截面上的机会很少，所以疲劳问题的重点是考虑在右侧行驶的重车。在双索面板梁的布置下，重车通过时车的重量几乎全部由一边的拉索承受。相反地，在单索面的斜拉桥上、不管重车在那里，车的重量都是由中间的拉索承受。但双索面的板梁斜拉桥每边拉索的截面面积只有单索面拉索的一半。所以，每一部重车通过的时候，它在双索面一边拉索引起的应力大约是单索面拉索应力的两倍。假设两个方向的重车数目相等，结果就是：在双索面的斜拉桥，拉索的应力幅度是单索面的两倍，次数却只有一半。在疲劳问题上，应力的幅度远远比应力的次数重要。不单拉索如此，所有与拉索有关联的构件，例如锚头等，都一样。


（转自桥梁网）