21世纪斜拉桥发展动态及关键技术分析.docx
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21世纪斜拉桥发展动态及关键技术分析
21世纪斜拉桥发展动态及关键技术分析
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摘要：
斜拉桥的优缺点与发展历程，以及21世纪我国在斜拉桥领域取得的成果。
斜拉桥的现状与前景，分析斜拉桥的施工施法、斜拉索以及抗风性能等关键技术。
关键词：
优点，缺点，发展历程，现状，前景，悬臂施工，支架法，抗腐蚀，抗风行能
21stcenturydevelopmentsincable-stayedbridgeandanalysisofkeytechnology
Summary：
Advantagesanddisadvantagesofcable-stayedbridgeanddevelopmentprocess,aswellasthe21stcenturyresultsachievedinthefieldofcable-stayedbridgeinChina.Presentsituationandprospectofcable-stayedbridge,analysisofstaycableofcable-stayedbridgeconstructioniscast,aswellaswindresistanceandotherkeytechnologies.
Keyword：
advantage，disadvantage，developmenthistory，Presentsituation，
Future，Cantileverconstruction，Supportmethod，Anticorrosion，
Thewindresistanceperformance
（1）斜拉桥的定义、特点与优缺点
定义：
斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。
（见图1）
特点：
外荷载从梁传递到索，在传递到索塔。
优点：
梁体尺寸较小，使桥梁的跨越能力增大；受桥下净空和桥面标高的限制小；抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。
其缺点是由于是多次超静定结构，计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂；施工中高空作业比较多，且技术要求严格。
（图1.）
（2）斜拉桥发展的三个历程
第一代斜拉桥以稀索为特征,梁以受弯为主,以委内瑞拉的马拉开波桥（见图2）为代表。
结构形式简单,受力明确,索的养护工作量少,但自重大、梁高、跨径很难发展
。
（图2.）
第二代斜拉桥的特征是密索体系,梁上索距6~10m,梁以受压为主,梁高减少,以美国的P-K桥和法国勃鲁东桥为开端。
我国上海的泖港大桥与济南黄河大桥（见图3）属第二代斜拉桥。
第三代斜拉桥的特征是轻型化,多采用开口截面,而且梁高很小,与跨径关系不大。
如法国的诺曼底大桥梁高3.05m,日本的多多罗大桥梁高2.7m,我国的青洲闽江大桥梁高2.8m
（图3.）
（3）我国二十一世纪新建斜拉桥
a）苏通长江大桥（见图4），2008，总长8206米，主桥为2088m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。
斜拉桥主孔跨度1088米，列世界第一；主塔高度306米,列世界第一；斜拉索的长度580米,列世界第一；群桩基础平面尺寸113.7mX48.1m，列世界第一。
专用航道桥采用140+268+140=548米的T型刚构梁桥，为同类桥梁工程世界第二；南北引桥采用30、50、75米预应力混凝土连续梁桥
。
（图4.）
b）香港昂船洲大桥（见图5），1018米，中国，2008，双塔双索面，
（图5.）
c）南京长江三桥（见图6），648米，中国，2005年双塔双索面钢箱
（图6.）
该桥坐落于南京长江大桥上游约19公里处，采用法国艾菲尔铁塔的人字型设计，将架设在水流湍急、40多米深的长江主航道上，总投资39亿元，全长15.6公里，主桥采用主跨648米的双塔钢箱梁斜拉桥，桥塔采用钢结构，其中跨江大桥长4.744公里，是国内第一座钢塔斜拉桥，也是世界上第一座弧线形斜拉桥。
c）南京长江二桥（见图7），628米，中国，2001年，钢箱双塔双索面
（图7.）
南京长江二桥位于现南京长江大桥下游11公里处，全长21.337公里，由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。
其中：
南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨为628米，当时建成时，该跨径仅次于日本多多罗大桥和法国的诺曼底大桥位居同类型桥中世界第三，中国第一；北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥，桥长2172米，主跨为3×165米，该跨径在国内亦居领先
d）青州闽江大桥（见图8），605米，中国，2001年
大桥结构为双塔双索面迭合梁斜拉桥，主塔与主梁之间采用半漂浮的结构形式。
大桥共5跨，其中主跨605米
（图8.）
（4）斜拉桥现状
目前全世界已建斜拉桥达300余座,其种类多种多样、丰富多彩。
以材料分有:
钢斜拉桥、PC斜拉桥、叠合梁和混合梁斜拉桥。
以锚固方式分有:
自锚式、地锚式和部分地锚式斜拉桥。
以荷载类型分有:
公路桥、铁路桥和公、铁两用桥。
钢斜拉桥由于质量轻,施工节段长,跨越能力大,因此在早期得到了广泛的应用,特别是日本,一般采用箱形截面。
PC斜拉桥在60年代开始修建,70年代以来发展迅速,其原因是经济性好且养护量小。
我国一直以修建PC斜拉桥为主。
叠合梁斜拉桥以其独特的优势,得到了迅速发展。
与PC斜拉桥相比恒载较轻、安装节段长;与钢斜拉桥相比刚度大、可采用轻型而又方便的开口截面,且能保持风动稳定。
随着斜拉桥跨径的增大,为减少主跨的内力、变形,防止边跨支座产生负反力,需加大边跨的重量与刚度,故采用混合梁斜拉桥,即:
边跨采用砼,主跨采用钢或叠合梁的斜拉桥。
主跨与边跨的连接点多设在主跨内（如诺曼底大桥）,以缩短主跨梁长,增大边跨刚度。
混合梁斜拉桥在跨径400m以上,尤其在跨径600m以上时,极具经济性,这为大跨径斜拉桥的发展开辟了新路子。
一般来说,斜拉桥属自锚体系,在受地形和其它条件限制主跨很大而边跨很小或无边跨时,可采用地锚或部分地锚式斜拉桥。
（a）地锚式斜拉桥属单跨式,由于不存在边跨的关系,塔后斜拉索只能采用地锚形式,同时梁内的水平轴力必须由相应的下部结构来承受。
（b）部分地锚式斜拉桥必须在梁的构造上采取措施以适应温度变化时结构长度的变化。
如西班牙的卢纳桥和郧阳汉江大桥主梁均在跨中插入剪力铰。
由于剪力铰的存在破坏了桥面的连续性与桥梁结构的整体性,再加上铰的设计、施工、养护等方面的难度,应尽量避免采用。
（5）斜拉桥的展望
目前斜拉桥一方面继续向更大跨径发展,另一方面则在中、小跨径范围与其他形式桥梁竞争,使其成为最具变化而又多姿多彩的桥梁结构形式。
5.1跨径继续增大
斜拉桥的跨度继续向更大方面发展受主梁能承受的压力制约,就目前可采用的材料强度来看,其极限跨径为1200~1500m,这还要依赖设计者的构思和胆略,在解决斜拉桥主梁压力过大的问题上,丹麦吉姆辛教授认为采用双锚索的构思可提高斜拉桥的极限跨径。
所谓双锚索方案即安装两类斜拉索,一类安装锚固于主塔上,另一类则跨越塔顶,最终锚固于桥梁两端的地锚上。
这样,桥塔附近的加劲梁仅承受第一类斜拉索产生的轴向压力,跨中部分的加劲梁则承受第二类斜拉索产生的轴向拉力。
这一构思可将斜拉桥的极限跨径增大1.4倍。
虽然双锚索方案的斜拉桥尚未付诸实践,但研究成果表明这种桥型的刚度很大,因而具有极高的使用价值。
在目前悬索桥保持优势的范围内,双锚索方案的斜拉桥可与之竞争。
5.2中小跨径亦具有竞争力
斜拉桥在中小跨径的魅力在于可采取更为创新和经济的设计方案。
法国的Bourges附近的“法国中心”公路立交桥,其桥面加劲梁的斜拉索悬挂在一个四脚架的顶端,荷载经四条斜腿传至基础。
玻利维亚正在建两座跨径130m的斜拉桥,其加劲梁都采用槽形截面,由于栏板式缘石参与结构作用,这种截面具有更大的刚度和经济性。
5.3部分斜拉桥
部分斜拉桥解决了增大桥梁刚度和降低拉索疲劳应力幅的问题,因而将会在铁路上得到广泛应用。
部分斜拉桥在降低塔高的同时采取了辐射状索形,一方面增大横向稳定性,另一方面不致使斜拉索效率下降太快。
由于部分斜拉桥的拉索更平坦,其水平分力更大,引起主梁的轴向力也就更大,那么提高主梁的抗压能力就变得非常重要,可以采用钢管砼边纵梁的设计方案,这将是部分斜拉桥的进一步自我完善。
其优点:
一是坦索引起的更大轴向力可以充分发挥钢管砼的抗压弯性能;二是封闭在钢管中的砼收缩徐变由于不失水而较一般砼小得多。
5.4多塔斜拉桥
斜拉桥设计的最新趋势是采用多塔斜拉桥。
多塔斜拉桥的主要问题是中间塔没有端锚索来有效地限制它的塔顶位移,因而比柔性结构的斜拉桥的柔性更大,随之而来的是变形过大。
（6）斜拉桥中的关键技术
6.1斜拉桥中主梁常用施工工法
支架法和悬臂法是目前斜拉桥主梁施工的主要方法。
前者适用于城市立交或净高较低的岸跨主梁施工；后者适用于净高较大或河流上的大跨径斜拉桥主梁的施工。
支架法：
有在支架上现浇、在临时支墩间设托架或劲性骨架现浇、在临时支墩上架设预制梁段等几种施工方法。
其优点是施工最简单方便，能确保结构满足设计线型，但仅适用于桥下净空低、搭设支架不影响桥下交通的情况。
我国永和桥（主跨260m）是在临时支墩上拼装主梁的。
（见图9）
（图9）
悬臂法一般是在支架上修建边跨，然后中跨采用悬臂施工的单悬臂法，也可以是对称平衡施工的自由悬臂法。
悬臂施工法一般分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法。
[悬臂浇筑法]：
是从塔柱两侧用挂蓝对称逐段就地浇筑混凝土。
我国大部分混凝土斜拉桥主梁都是采用悬臂浇筑法施工的。
斜拉桥主梁的悬臂施工与连续梁和连续刚构桥类似，不同的是如果能利用斜拉索，可以采用更轻型的挂蓝施工。
图10为（主跨426.7m）的悬臂浇筑和挂蓝施工照片。
（图10）
6.2斜拉索
斜拉桥漂浮体系具有良好的抗震性能，但缺点是纵向位移过大，为阻止桥面系过分漂浮，常采用纵向弹性约束:
在主塔两侧设置由钢绞线组成的弹性拉索，
一端固定在主塔的下横梁上，另一端固定在主梁上。
然而,伴随着时间的推移,由于拉索疲劳、锚具松脱导致的斜拉索功能退化,混凝土的收缩徐变,支座沉降
变位,以及施工、养护甚至是设计的原因,致使目前很多桥梁并没有在合理的状态下运营,这给桥梁埋下了安全隐患。
更换斜拉索成为保证斜拉桥良好安全运营的有效手段。
斜拉索是斜拉桥三大主要受力构件之一，为保证斜拉桥的安全性，对其防护是非常关键的。
斜拉索的防护分为原材料的防护和斜拉索生产以及安装时的防护。
A）斜拉索原材料的防护
i.高强钢丝是拉索的重要原材料。
在电化学腐蚀中，处于阳极的金属首先被溶解，为此在钢丝表面镀上较活泼的金属。
由于热浸镀锌层在大气、工业污染区及油类介质中具有良好的耐腐蚀能力，因此对斜拉索的钢丝采取热镀锌稳定化处理，而且镀锌层应均匀、连续、附着牢固，不允许有裂纹、斑痕和未镀上锌的地方。
ii.对于热挤聚乙烯半平行钢丝拉索，为了便于运输，需要将钢丝束进行轻度同心左向扭绞。
为保持扭绞后钢丝索的形状，用聚酯类薄膜复合缠包带将钢丝索缠包。
缠包带除需要有足够的拉力强度和韧性外，还应对钢丝无腐蚀作用，其PH值在6.5-8.5范围内，为防止加工好的缠包带受潮含水。
iii.热挤PE护套是斜拉索的第1道防护层，直接暴露在自然环境下，除经受南方地区的高温、北方地区的严寒外，还受空气中各种有害气体的浸蚀。
这就要求PE护套具有较高的耐候性、耐腐蚀性和耐光性等抗老化能力。
iv.锚具是斜拉索的重要传力构件。
为防止锚具生锈，锚具各构件表面均应作防锈处理。
v.冷铸镦头锚填料由环氧树脂、铁砂、矿粉、固化剂和增韧剂按一定比例配制而成。
各种原材料需进行严格的检验，不得含有腐蚀钢材的任何成份。
尤其是铁砂必须经过除锈、防锈处理，处理后的铁砂用清水冲洗干净，并用PH试剂进行检验，达到中性后，放置干燥箱内进行干燥处理。
B）生产以及安装时的防护
一）在拉索的挤塑过程中，当索体进、出冷却水槽时，应采取可靠的防水堵漏措施，防止水气进入索体。
同时，为取得较理想的PH护套，当索体从挤塑机机头出来时，先通过一段热水槽，再进入冷水槽，并保证水槽内有足够的水量，使索体完全淹没，保证PH护套受热均匀，以防止索体因剧烈的温差而引起较大温度应力，使PH护套发生开裂。
斜拉索索端与锚具的连接处是斜拉索的防护薄弱环节，也是水气渗入索体内腐蚀钢丝的主要部位，而且该部位在挂索后即进入桥体或塔身的预埋索导管内，无法进行正常养护、检查及维修，潜在的危险性较大，因此必须有可靠的密封措施。
二）尽管斜拉索在出厂时进行了较好的外包装，但在运输、吊装及施工过程中，不可避免地会对斜拉索的PH护套造成一定的损伤。
为此需要在桥梁施工现场对PH护套进行修补。
对于PH表面小面积的划伤，深度小于3mm，可用专用焊枪，将相同PH原料覆盖并焊接在损坏处，并用电磨机进行表面磨平。
对于PH损伤比较深，范围较大，可先将相同的2H原料填充在受损部位，然后加热套管，使PH原料热熔填充在损伤处，最后用电磨机磨平。
具体操作时，要控制好加热温度，既不能因加热温度不够而产生夹生现象，也不允许因温度过高而发生材料炭化，影响到钢丝的强度性能。
三）锚具的永久防护
由于斜拉索的锚具一部分外露在自然环境中，一部分进入桥体预埋的钢索导管内。
如果外露部分长期暴露在大气中，会引起锚具腐蚀、生锈。
而索导管内易积水，也会引起锚具锈蚀，将严重影响斜拉索的使用寿命，影响斜拉桥运营过程中的索力调整及将来的换索工程。
对两端锚具外露部发的内、外壁应涂刷一层锚具专用防护油脂，并加设不锈钢防水护罩，以防止油脂损坏而导致锚具锈蚀。
对索导管内应采用封闭性处理，在斜拉索锚具与钢索导管的间隙内，采用特制的填充材料（如聚氨酯发泡塑料），使钢材和索体表面PH护层粘结成牢固的整体，使导管内的锚具与水气及其他腐蚀介质相隔离，可以在较长时间内防止索端锚具锈蚀。
四）斜拉索的减振
斜拉桥由于钢度相对较小，在车辆、风雨等载荷作用下，极易发生振动。
经常剧烈的振动会加速拉索防护系统的损坏，引起拉索根部积水，加速拉索腐蚀，缩短拉索的使用寿命。
为此应在拉索两端的接口部位设置粘弹性高阻尼材料减振块，当拉索稍有振动，减振块受到挤压并吸收能量，发挥减振作用，达到保护斜拉索的目的。
另外必要时也可在拉索之间设置分隔索夹，使几根拉索互为约束不易起振。
对于高次超静定结构体系的斜拉桥来说,更换每一根斜拉索对全桥结构会产生复杂的影响,而且往往经过若干年的运营后,斜拉索的锈蚀、锚固装置的损坏、梁塔结构的裂缝和变形已经到了非常严重的地步,轻易的更换斜拉索都是不安全的,需要对既有结构进行分析,进而对斜拉索进行索力调整,对结构进行优化。
6.3斜拉桥抗风分析
随着材料科学和施工技术的进步，斜拉桥跨越能力不断增大，这使得斜拉桥结构细柔，结构阻尼相对减小，对自然风的作用越来越敏感，因而其抗风稳定性和风致振动响应变得突出，甚至成为桥梁设计的控制因素之一。
为使所设计桥梁具有较好的抗风性能，基于风洞试验和理论分析的桥梁抗风研究变得尤为重要。
A）大跨度桥梁的抗风性能主要取决于4个方面：
结构形式、结构刚度、结构阻尼和气动外形。
B）提高结构的整体刚度，有利于提高桥梁抗风性能，包括减小静风作用下的结构变形、提高颤振稳定性和降低风致抖振响应幅值等。
比如，通过提高斜拉桥的扭转频率，使其扭弯频率比提高，将提高斜拉桥的颤振性能。
但在斜拉桥设计中，通过一些途径可以提高
桥梁结构刚度，如从单索面到双索面，结构扭转刚度显著增大；采用A形、倒Y形、钻石形索塔和空间索布置，能得到比H形索塔和平行索面更高的结构扭转刚度。
另外，通过设置辅助墩，或采用合理的边主跨比、塔梁高跨比，也能改善斜拉桥的结构整体刚度。
C）结构阻尼的大小体现了结构耗散振动能量的能力。
阻尼越大，结构振动衰减越快，结构将具备更好的抗风性能。
比如增大阻尼将大幅度提高斜拉桥涡致振动稳定性，显著降低涡致振动幅值。
钢斜拉桥结构模态阻尼比通常在0.005左右钢混组合斜拉桥比钢桥阻尼大，而混凝土斜拉桥结构阻尼最大，通常在0.02左右。
增大结构阻尼也可通过附加阻尼器实现，如安装在主梁和桥塔之间的大型减振器，或减小拉索振动的各种油阻尼器、磁流变阻尼器等。
抗风设计：
A）主梁中央开槽
在主梁中央开槽，形成双主梁甚至多主梁，多主梁通过横梁形成整体，不同主梁之间桥面可设置成分隔带。
主梁开槽后，气流可从槽中自由流动。
当自然风绕流主梁时，主梁上下表面的压力差被降低，从而降低了气动升力和扭矩幅值，将显著提高桥梁颤振稳定性，减小桥梁风致振动响应。
B）增设风嘴、导流板或分流板
钝体主梁截面抗风性能不佳，改进的途径是在主梁上下游加上风嘴，使其外形流线化
C）栏杆、防撞设施和风障尽可能采用大的透风率
人行道栏杆和防撞设施将恶化主梁的气动性能，使得主梁绕流分离加剧，流态复杂化，风阻系数增大，若实体栏杆则更加严重。
布置在桥面两侧的风障将显著改变桥梁主梁的气动性能，因此在满足环保和行车安全的情况下尽量不要设置。
设置的栏杆、防撞设施和风障应尽可能采用大的透风率，且应尽量降低风障高度。
D）采取措施抑制拉索振动
斜拉索风雨振是斜拉索在风雨共现情况下发生的一种大幅度振动，严重威胁桥梁安全。
对斜拉索风雨振动的大量现场观察表明，沿风向向下倾斜的拉索较容易出现风雨振翻;而当风与索面之间的风向角在3O度至35度时，拉索最容易发生风雨振；发生风雨振动时拉索振动频率多在0.6～3.0Hz。
超长拉索因模态阻尼比很低，也容易引发各种形式的振动。
如拉索发生振动的可能性较大，应通过结构设计或气动措施抑制拉索振动。
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3）斜拉桥的现状与展望经柏林2002年3月中国市政工程第1期
4）桥梁缆索断丝检测技术研究张群梅、杜吉坤、徐丰宇2011年第一期江苏建筑
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6）斜拉桥换索前的索力调整周鑫2009年北方交通
7）斜拉桥拉索风雨诱导混沌振动陈锐林,曾庆元振动与冲击2008年第27卷第7期
8）斜拉桥索塔锚固区局部应力分析李三珍2011年4月中国市政工程第2期
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