大跨度桥梁结构选型调研报告

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摘　要: 　大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式,如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。本文针对大跨度桥梁结构选型和设计这一问题做了综合性的总结和归纳。
关键词: 大跨度桥梁; 斜拉桥; 悬索桥; 桥梁造型设计;
 
1 　引　言
20 世纪90 年代以来, 随着世界经济和科学技术的高速发展, 大跨度桥梁的建设出现了前所未有的高潮。目前, 悬索桥的最大跨径已经达到1 991m , 斜拉桥的最大跨径达到890 m。随着桥梁跨径的逐步增大, 桥梁结构的柔性化趋势日趋明显, 桥梁结构的安全性、行车舒适性、架设方便性等一系列问题开始变得愈来愈突出。如何更好地解决伴随着桥梁跨径长大化而出现的这些问题, 成为21世纪世界桥梁工作者共同面对的挑战。本文简要回顾了大跨度桥梁的发展历史, 对现有大跨度桥梁建设的成就与问题进行了系统的分析, 在此基础上, 提出了有关大跨度桥梁设计的一些新构想, 希望对未来桥梁设计的发展有所帮助。
2 　现代斜拉桥的发展与演变
2.1　早期的斜拉桥
斜拉桥由索塔、拉索、主梁三部分组成。从历史上看, 影响斜拉桥发展的技术因素主要有三个第一, 力学分析手段的进步。第二, 材料性能的改进。第三, 施工技术的发展。从力学分析的角度讲, 斜拉桥属于多次超静定体系, 在没有电子计算机帮助的条件下, 手工进行力学分析相当复杂。现存的早期斜拉桥中, 较有代表性的是1867 年建造的新加坡Cavenagh 桥和1874 年建造的伦敦Albert桥。二十世纪五、六十年代, 斜拉桥获得了较快的发展。1955 年, 瑞典建成了主跨183m 的Stromsund桥; 1959 年, 联邦德国建成了主跨302 m 的Severin桥。早期建造的斜拉桥有两个比较显著的特点: 一是单柱式索塔比较多; 二是斜拉索很少
2.2　密束斜拉体系的出现
随着有限元技术的发展和计算机技术的普及, 高次超静定结构的力学分析开始变得简单易行。1967 年, 联邦德国建成了主跨280m 的Friedrich2E2bert 桥, 从此拉开了密束体系斜拉桥建设的序幕。通过将导入拉索的预应力分布式地传递给主梁, 可显著减小梁中的弯矩, 并且易于采用悬臂法进行施工。因此, 密束体系斜拉桥的出现加速了斜拉桥跨度, 特别是预应力混凝土斜拉桥跨度的迅速增长。1986 年, 加拿大建成了主跨465 m 的An2nacis 桥; 1991 年, 挪威建成了主跨530 m 的Skaron2sundet 桥。
二十世纪九十年代, 世界斜拉桥的建设进入了一个鼎盛时期。1993 年, 中国建成了跨度位居当时世界第一的主跨602 m 的上海杨浦大桥; 1995 年,法国建成了主跨856 m 的Normandy 大桥; 1999 年, 日本建成了跨度位居世界第一的主跨890m 的多多罗大桥。九十年代的大跨度斜拉桥建设有两个特点: 一是大部分出现在中国; 二是倒Y 型和分离式倒Y型(有文献称之为钻石型) 索塔被广泛采用。倒Y型和分离式倒Y型索塔的广泛使用, 既有技术方面的原因, 也有审美习惯和技术传统的影响, 下文将对此做具体的分析。
2.3　斜拉桥索塔的造型与选择
索塔的形态可以多种多样, 需要指出的是, 索塔的形态通常和斜拉索的配置密切相关。如果采用单索面, 则通常会选用单柱塔或倒Y型塔。单柱塔可能存在的问题主要有两点: 一是从人体工程学的角度看, 如果桥面不是太宽的话, 单柱塔相对宽大的塔柱会对汽车驾驶员的运动视线产生一些阻断,给人某种程度的压迫感。二是从建筑美学的角度看, 由于单柱塔上塔柱和下桥墩的剖面尺寸有时相差悬殊, 给人以整体不协调的感觉.　
单索面的使用通常有两个前提条件: 一是主梁 (桥身) 要有固定拉索的中央分割带; 二是主梁本身要有比较大的抗扭刚度。虽然采用单索面的日本鹤见翼大桥, 其主梁跨度达到了510 m , 但对于大多数桥梁设计师来说, 在设计大跨度斜拉桥时, 处于技术和心理感受两方面的考虑, 他们通常更倾向于选择双索面布置。和单索面桥构造上最接近的是双侧单索面桥, 即在桥面的两侧各布置一根互不相连的塔柱, 每根塔柱独立张拉出一面索。象荷兰的Waal 大桥这样采用双根单柱桥塔的斜拉桥实际上并不多见, 原因有技术方面的, 也有心理感受方面的。从技术的角度看, 由于垂直索面的结构刚度相对比较弱, 风载作用下存在发生振动发散的可能。从心理学的角度看, 设计师通常更倾向于结构在横桥向存在某种形式上的连接。
一方面是出于结构受力方面的考虑, 另一方面是出于寻找视觉上的支撑, 两种因素汇合起来的结果, 使设计师们更倾向于用横梁将两根独立的单柱联接在一起, 以形成垂直于桥面纵轴的框架型桥塔支撑体系。当横梁在塔顶将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了门型桥塔。而当横梁在塔的中部将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了H 型桥塔。将门型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限,可形成倒V 型桥塔; 将H 型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限, 则形成了倒A 桥塔。究竟是什么原因促使设计师纷纷将塔柱向内倾斜? 塔柱向内倾斜的直接好处是什么? 不利之处在哪里? 有什么办法能够平衡兼顾, 扬长避短。加斜拉索的最初目的是给主梁提供一个竖向支撑, 从而减小主梁由于重力荷载而产生的竖向弯矩和变形, 使主梁在跨度增加的同时, 并不显著增加梁的内力和变形。仅从抵抗重力荷载的角度考虑, 索平面应尽可能地和主梁平面垂直, 以保证斜拉索在沿桥向(纵向) 铅垂面上的投影, 和水平面的夹角最大。因此, 单柱塔、双根单柱塔、门型塔和H 型塔是该条件下比较合适的塔型选择。但实际面对的问题是, 主梁除了要承受竖向重力荷载外, 还必须承受横向风荷载等其它方向的荷载, 并且横向风荷载的影响程度随主梁跨度的增加迅速增长。从力学分析的角度看, 要有效地抵抗横向风荷载, 索平面应和主梁平面保持比较适当(注意, 不是最大) 的夹角, 以保证索力在横桥方向上的投影, 有比较合适的大小。因此, 此时的最优塔型,应当是适度扁平的倒V 型或倒A 型桥塔。随着桥面宽度的增大, 相对扁平的倒V 型和倒A 型桥塔, 会使桥墩基础的占用空间增大。比较简单的解决办法有两种: 一是在增大塔柱陡度的同时增大索力; 二是将柱塔在主梁以下向内收缩间距, 形成所谓的钻石型塔身。显然, 抵抗竖向重力荷载和抵抗横向风荷载对最优塔型的要求存在一些矛盾。另外, 大跨度斜拉桥还需要考虑抗扭曲的问题。综合几个方面的因素, 人们发明了一种最简单和最直接的解决办法, 即在倒V 型(包括钻石型)桥塔的顶部向上增加一根垂直立柱, 并将斜拉索锚固在新增加的垂直立柱上。倒V 型桥塔加垂直立柱形成的新塔型, 就是目前在大跨度斜拉桥建设中广
泛采用的倒Y型桥塔
当桥梁跨度比较大的时候(500 m～600 m 以上) , 倒Y型桥塔中的垂直立柱会变得比较粗, 结果使桥塔沿桥向和横桥向的风阻大大增加。降低桥塔风阻的最简单、也是最实用的办法之一, 是将倒Y型桥塔中的垂直立柱横桥向压扁、沿桥向镂空,也就是将立柱变成横桥向的比较细长的H 型或日型框架, 由此形成的桥梁塔型, 本文称之为分离式倒Y型桥塔。事实上, 倒A 型桥塔也可以归类为分离式倒Y型桥塔。
当桥梁跨度低于500 m 时, 同样可以采用分离式倒Y型桥塔。分离式倒Y型桥塔近年来得到广泛采用的原因主要有以下几点: 一是桥塔本身的造型比较美观; 二是对桥面宽度变化的适应能力比较强; 三是垂直立柱分离使正桥向原先存在的索面空间闭合状态被打破, 由此形成的开放式视觉空间,可以有效降低倾斜索面对行车人视觉可能产生的压迫感。
从拓扑关系看, 分离式倒Y型桥塔可根据变形路径的不同, 退化演变为倒Y型、H 型和门型桥塔中的任何一种。换句话说, 从分离式倒Y型塔型出发进行结构拓扑优化, 可以发现目前已知常用塔型中的最优塔型。
斜拉桥的跨度最大能够达到多少是人们非常关心的一个话题。在正面回答这个问题之前, 我们先分析一下影响斜拉桥跨度急速增大的因素主要有哪些。显然, 有技术方面的因素, 也有经济和美学方面的因素。事实上, 正是多因素的复合限制了斜拉桥跨度的急速增大。从力学的角度看, 斜拉桥跨度急速增大带来的主要问题是: 第一, 由于斜拉索索力的水平分量需由主梁中的内力来平衡, 随着斜拉桥跨度的增加, 塔处主梁根部的压应力急剧增大,因此, 主梁的抗压稳定性将成为制约斜拉桥跨度急速增大的一个主要因素。第二, 长柔的拉索比较容易发生独立索振动, 加稳定索和抗风阻尼器虽在一定程度上可以缓解这一问题, 但因此付出的经济代价是否值得则有待商榷。从经济学和美学的角度看, 限制斜拉桥跨度急速增大的主要因素是: 第一, 斜拉索的最小倾斜角有一个合理的下限, 这个下限值大致在20 度左右。第二, 斜拉桥索塔的高度有一个合理的上限, 这个上限值大致在300 m～350 m左右。综合这两个因素, 我们估计斜拉桥最大可以接受的跨度应当在1 250 m～1 500 m 左右。
3 　现代悬索桥的发展与演变
3.1大跨度悬索桥的出现与流行
悬索桥通常由主塔、主缆、吊索、加劲梁、锚碇五部分组成。悬索桥自古就有, 但近代意义上的大跨度悬索桥则出现在十九世纪中叶。1855 年, J1A1 Roebling 建成了世界首座跨度为250 m 的铁路悬索桥。1883 年, 美国布鲁克林桥的跨度达到了486m。1931 年, 乔治•华盛顿大桥的跨度首次超过1000 m。1937 年, 跨度1 280 m 的金门大桥在美国建成。1981 年, 英国建造了跨度1 410 m 的亨伯桥。1998 年, 日本明石海峡大桥的跨度接近2 千米, 达到1 991 m。
悬索桥跨度的不断增大一方面来源于材料科技和建造技术的进步, 但最主要的原因恐怕直接来源于设计思想的根本性转变。
在近代悬索桥的发展历史上, 曾经出现过3 次比较大的设计思想变革。
第一次变革出现在二十世纪初。1888 年, Me2len 提出了考虑载荷引起的变形对结构内力计算影响的挠度理论, 奠定了近代悬索桥设计的理论基础。挠度理论发现, 悬索桥的整体刚度主要由主缆的重力刚度构成, 加劲梁自身的刚度对结构整体刚度的贡献不大。因此, 随着桥梁跨度的增加, 加劲梁的高度可基本维持不变。1909 年, 采用挠度理论设计的曼哈顿桥在美国建成。
第二次变革出现在二十世纪四十年代。1940年, 美国建成了塔科玛桥。4 个月之后, 在19m•s - 1的风速下, 发生剧烈弯扭振动而坍塌。塔科玛桥坍塌的事故导致了两个积极的结果: 第一, 人们开始重新审视挠度理论, 发现加劲梁保持必要的刚度, 特别是抗扭刚度十分必要。第二, 桥梁的抗风设计, 或者说桥梁的抗风稳定性问题开始引起人们的高度重视。试验发现, 风引起的扭转或弯扭耦合模态的发散性振动是导致塔科玛桥坍塌的主要原因。为加强结构的抗扭刚度, 加劲梁的高度开始出现大幅反弹, 普遍达到7 m～12 m。桁架式加劲梁几乎成了大跨桥加劲梁的固定做法。
第三次变革出现在二十世纪六十年代。塔科玛旧桥坍塌事件对桥梁设计思想的影响, 在北美和在欧洲是完全不同的。美国人的做法是采用桁架式加劲梁解决减小风阻的问题, 并将加劲梁的高度大幅增加以提高断面的抗扭刚度。英国人则认为, 改善桥梁气动稳定性的合理方式, 应当是采用合理的加劲梁剖面形式, 主要通过降低风阻和控制气流分离的办法减小扭矩, 通过将横剖面闭合的办法增加箱梁的抗扭刚度。1966 年, 英国人的设计思想在塞文桥中得以实现。当时, 塞文桥988 m的跨度虽然并不起眼, 但它首次采用的流线型扁平钢箱梁设计却使整个桥梁界产生了强烈的震撼。塔科玛旧桥垮桥事件后, 对于大跨悬索桥, 桁架式加劲梁曾被认为是最有效的加劲梁形式, 这一看法由于塞文桥的出现而开始受到人们的质疑。塞文桥的设计思想, 在土耳其的博斯普鲁斯I 桥上得以再次展现。1981 年, 英国人建造了跨度1 410 m的亨伯桥。亨伯桥不仅从美国的维拉扎诺海峡桥(, 跨度1 298 m , 建于1964 年) 那里夺走了跨径世界第一的宝座, 而且在造型上的特征异常鲜明: 一是桥塔很矮, 只有155 m。二是边跨比很小, 且左右不对称(分别为0120 和0138) 。　
塞文桥的著名并不在于它的跨度是否曾经达到过世界第一, 而在于它首创了一个全新的设计理念。唯其如此, 著名德国桥梁设计师F1 Leonhardt认为, 塞文桥的出现标志着现代悬索桥设计风格的开始[4 ] 。
3.2索桥主塔的造型与选择
现代悬索桥的主塔形式主要有三种: 第一种是使用水平杆件将两根塔柱相连的刚架式;第二种是使用水平横杆和交叉斜杆将两根塔柱相连的桁架式; 第三种是路面以上为刚架, 加劲梁下用交叉斜杆连接的混合式。在悬索桥(同样适用于斜拉桥) 桥塔的设计中, 有几点是需要仔细处理的: 第一, 要合理安排下、中、上三个塔段的高度分割比例。依据美学原则, 类似甘蔗的节, 按由短到长顺序设置的塔段高度给人以稳重、流畅的感觉。如果做到下短上长有困难, 则应逐步减小上层塔柱的截面尺寸。第二, 如果桥面以上塔柱的高度低于桥面以下塔柱高度的2 倍,则桥面以上的塔柱间应使用单横梁。强度不够时可将顶部横梁的高度加大, 横梁下缘做成拱型曲面。第三, 桥上、桥下的塔段设计风格应当尽可能地和谐。适度的变化是允许的,只要构造上蕴涵的内在节奏和韵律不遭到破坏。第四, 需要仔细安排塔柱剖面尺寸、横梁剖面尺寸和塔高间的相对比例关系, 不要使塔柱和横梁显得过于笨重, 给人以不舒服的沉重感。
塔型设计是一门综合性的艺术, 是结构工程学和建筑美学的有机结合。塔型设计同时又是一门个性化的艺术, 她的身上不可避免地镌刻着建筑传统和设计师个人风格的烙印。前者要求塔型构造除了本身各部分之间应相互协调之外, 还必须和加劲梁的设计风格相协调。而两者的综合则可以解释一些令人费解的现象。
伊藤学发现了一个有趣的现象: 日本的大跨悬索桥比较多地采用了桁架式的塔型设计, 而欧美的同类桥梁则比较多地采用了刚架式的塔型设计。比较典型的有桁架式的日本明石海峡大桥和刚架式的美国金门大桥等。伊藤学认为,造成这一现象的主要原因是, 日本的地震和强风等横向荷载比较大, 采用桁架式的塔型设计比较经济。我们认为, 日本明石海峡大桥和美国金门大桥设计风格上的差异更多地源于设计传统和设计师的个人风格, 而不是源于地理上的差异。日本人的确喜欢使用交叉桁架式的塔型, 如日本的关门桥、南、北备赞濑户大桥、因岛大桥等, 但未必源于地理环境上的差异。第一, 金门大桥的桥位位于著名的加利福尼亚强地震带上, 并且和明石海峡大桥一样, 曾经遭受过强地震的洗礼。第二, 欧洲和美国也都有一些桁架式塔型的大跨度悬索桥, 如葡萄牙里斯本的塔古斯河桥、美国的奥克兰海湾桥、英国苏格兰福斯湾公路大桥(图15) 等。第三, 日本人采用刚架式塔型的大跨度悬索桥也不少, 如日本的来岛大桥、大岛大桥、东京港彩虹桥、下津井濑户大桥等。还有一个有趣的现象: 美国人设计的桥塔比较刚劲, 而英国人设计的桥塔则比较纤柔。我们对这一现象的解释是: 美国人设计的这些桥梁采用了高度7m～12 m 的高大的桁架式加劲梁, 无论从美学还是从力学的角度看, 桥塔都应该设计得比较刚劲。而英国人设计的这些桥梁采用了高度为310 m～415 m的扁平的钢箱梁, 无论从美学还是从力学的角度看, 桥塔都应该设计得比较纤柔。事实上, 由英国人设计的香港青马大桥, 由于加劲梁的高度为717m , 其桥塔同样设计得刚劲有力(图17) 。因此,对桥梁设计而言, 体现设计师的个人风格和魅力固然重要, 但桥型设计和桥梁的内在功能及与周边环境的关系保持协调则更为重要。我们的看法是, 如果采用扁平的钢箱梁为加劲梁, 则桥塔造型以采用刚架式为宜.
4　结语
人类已开始向跨海工程挑战。世界上宽度在100km以内的海峡有20多处。独立于大陆之外，具有开发价值的近海岛屿无数。它们将是21世纪人类用桥梁去征服的目标。
21世纪桥梁将实现大跨、轻质、灵敏的国际桥梁发展新目标，意大利与西西里岛之间墨的西拿海峡大桥，主跨3300米悬索桥，其使用寿命200年。高强度铝合金、玻璃钢、碳纤维等太空材料将取代当代的桥梁钢、混凝土，成为桥梁建筑的主体材料，从而实现轻质目标；不同类型轻质材料组合拼装的各类新型斜拉桥、悬索桥、轻质拱桥将一跨而过大川巨流或小海湾，实现1500米以上大跨目标；桥梁上装配的计算机系统、传感器系统将可以感知风力、气温等天气状况，同时可以随时得到并反映出大桥的承载情况、交通状况。综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。
参考文献
　[1].周先念, 周世忠. 21 世纪特大跨桥梁的展望[A] . 中国公路学会桥梁与结构工程学会2000 年桥梁学术讨论会论文集[C] . 北京: 人民交通出版社, 2000 , 13 —18.
　[2].周世忠. 悬索桥的总体设计[A] . 江阴长江公路大桥工程建设论文集[C] . 北京: 人民交通出版社, 2000 , 95 —100.　　　　　　　　　　　　　　　
　[3]. Leonhardt F. Bridges Aesthetics and Design [M] . MIT Press , 1984
　[4].　伊藤学. 桥梁造型[M] . 北京: 人民交通出版社, 1998.
　[5].　盛洪飞. 桥梁建筑美学[M] . 北京: 人民交通出版社, 1999.
[6].　董　聪. 现代结构系统可靠性理论及其应用[M] . 北京: 科学出版社, 2001.