纜索承重橋梁各種體系的比較

1、纜索承重橋梁各種體系的比較纜索承重橋梁各種體系的比較文/肖汝誠(chéng) 姜洋 項(xiàng)海帆蘇通大橋和香港昂船洲大橋的建成使斜拉橋的跨度突破了千米，提高了斜拉橋?qū)宜鳂虻母?jìng)爭(zhēng)力，迫使懸索橋向更大跨度方向退讓。德國(guó)Leonhardt教授曾分析過(guò)斜拉橋的極限跨度，預(yù)計(jì)可達(dá)到1800m。日本學(xué)者Nagai經(jīng)過(guò)研究，認(rèn)為斜拉橋跨徑的合理范圍應(yīng)在1400m以內(nèi)，跨度過(guò)大時(shí)拉索的垂度效應(yīng)以及梁內(nèi)軸力的二階效應(yīng)將使結(jié)構(gòu)性能弱化，從而影響斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性?？梢灶A(yù)期，斜拉橋?qū)⒃?001400m的跨度范圍內(nèi)對(duì)其他橋型具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)丹麥Gimsing教授的研究，超過(guò)1400m的斜拉橋可采用部分地錨式斜拉橋，利用較小的錨碇減小因梁

2、中軸力過(guò)大而造成的不利影響，從而進(jìn)一步提升斜拉橋的經(jīng)濟(jì)跨越能力和對(duì)懸索橋的競(jìng)爭(zhēng)力。懸索橋的極限跨度一般認(rèn)為可達(dá)到50006000m，但從實(shí)際航運(yùn)要求看，3500m已能滿足未來(lái)最大50萬(wàn)噸巨型海輪的航行要求3。根據(jù)直布羅陀海峽方案征集的結(jié)果看，在水深160m修建超深水塔墩基礎(chǔ)的情況下，3500m將是多塔懸索橋主跨的經(jīng)濟(jì)跨度。然而面對(duì)技術(shù)日益成熟的隧道方案，深水基礎(chǔ)的巨大難度和造價(jià)，將使大跨度懸索橋的競(jìng)爭(zhēng)力居于下風(fēng)。由于難以克服深水錨碇基礎(chǔ)的技術(shù)困難，上世紀(jì)修建的許多懸索橋如英國(guó)Severn橋，為了將錨碇放在岸上而被迫增加了跨度。然而，因交通需要而稍后增建的Severn二橋改用了跨度較小的斜拉橋，

3、不僅能滿足通航要求，而且經(jīng)濟(jì)性能更好。隨著斜拉橋跨越能力的提高，COWI公司設(shè)計(jì)的智利Chacao橋已用更經(jīng)濟(jì)的多塔斜拉橋代替原來(lái)的多塔懸索橋方案。規(guī)劃中的德國(guó)丹麥之間的費(fèi)馬恩海峽橋，為提高和隧道方案的競(jìng)爭(zhēng)力，也放棄了一孔2000m的懸索橋方案，而選用四塔三跨780m的桁架疊合梁斜拉橋方案，以避免懸索橋的深水錨碇。在本世紀(jì)內(nèi)，我國(guó)將面臨建設(shè)跨越渤海灣、瓊州海峽、臺(tái)灣海峽等工程的世界性難題，合理選擇橋型并解決好各種橋型建造中的關(guān)鍵問(wèn)題，不僅關(guān)系到橋隧之爭(zhēng)的成敗，更關(guān)系到我國(guó)橋梁技術(shù)水平的提高。本文將通過(guò)各種纜索承重體系在經(jīng)濟(jì)性、可施工性等方面的比較，得出各種體系的適用跨徑，并探討在不同跨徑范圍內(nèi)

4、結(jié)構(gòu)體系的合理選擇。 斜拉橋與懸索橋基本體系的比較基本體系是指雙塔三跨布置的纜索體系橋梁，主要由四種受力構(gòu)件索、梁、塔和錨碇構(gòu)成。在相同安全度的前提下，評(píng)判體系優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能、耐久性、橋跨布置的靈活性、可施工性以及結(jié)構(gòu)的剛度等。其中，各種體系的耐久性、橋跨布置的靈活性和可施工性同樣也可以體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性能之中，而結(jié)構(gòu)的剛度則體現(xiàn)了體系的力學(xué)性能。在施工可以實(shí)現(xiàn)且結(jié)構(gòu)的耐久性和剛度能夠滿足使用要求的情況下，選擇何種橋梁體系則由其經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)劣決定。力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能斜拉橋和懸索橋的用鋼量可以通過(guò)與具有相同理論用鋼量的兩種純纜索體系（見(jiàn)圖1）比較來(lái)說(shuō)明。不難看出，懸索橋更接近于圖1-a所

5、示的懸索體系，增設(shè)的加勁梁只起傳力作用，用鋼量一般為420580kg/m2，在2000m跨度內(nèi)用鋼量隨跨徑的變化不大。而斜拉橋的加勁梁則代替了純纜索體系中的水平索受力（圖1-b），從而使拉索用鋼量大大降低，僅相當(dāng)于同跨徑懸索橋的60%左右。斜拉橋跨徑小于500m時(shí)，主梁軸力對(duì)鋼箱梁設(shè)計(jì)的影響不明顯，主梁的多功能性提高了斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能。在小于400m的跨徑范圍內(nèi)，主梁可以采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；在小于700m的跨徑范圍內(nèi)，可以采用結(jié)合梁，更能夠提高其經(jīng)濟(jì)性能。隨著跨徑的進(jìn)一步增加，主梁軸力迅速增加，軸力引起的應(yīng)力成為加勁梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性的控制因素，由此增大了主梁的用鋼量。如蘇通大橋近塔處加勁梁用鋼

6、量超過(guò)800kg/m2，從而降低了斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能。橋塔也是影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要構(gòu)件。從受力上看，地錨懸索橋的塔上不平衡水平力靠塔頂水平變位來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡。只要橋塔具有合適的柔度，便能使橋塔在較均勻的受壓狀態(tài)下工作。而斜拉橋則不然，塔上不平衡水平力主要由橋塔承擔(dān)，并在塔內(nèi)產(chǎn)生巨大的彎矩，橋塔必須有很好的抗彎能力，因此其橫斷面尺寸較懸索橋大。從橋塔的高度來(lái)看，懸索橋塔頂與跨中的高差由矢跨比確定，合理的矢跨比一般為1/91/12。而斜拉橋的高差則由最外索與主梁的夾角確定，一般最小取為20左右，相當(dāng)于矢跨比為1/61/5?？梢?jiàn)，斜拉橋的塔高在相同跨度時(shí)為懸索橋塔高的13.52.0倍，加上其斷面尺寸較懸索橋

7、大，因此其橋塔造價(jià)將高于懸索橋橋塔。懸索橋主纜需由龐大的錨碇錨固，在陸地上重力式錨碇的造價(jià)一般占懸索橋造價(jià)的25%左右。如果錨碇需要建在水中，則造價(jià)還將大幅增加。而斜拉橋的拉索直接分散錨固在梁上，形成自錨體系。從耐久性方面看，懸索橋的主纜不可更換，是控制全橋壽命的關(guān)鍵構(gòu)件，其養(yǎng)護(hù)就顯得尤為重要，必須采用先進(jìn)的除濕系統(tǒng)，從而增加了造價(jià)。圖2是根據(jù)我國(guó)目前已建纜索承重橋梁的材料用量和造價(jià)，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)給出了在一定條件下，斜拉橋和懸索橋單位橋面面積造價(jià)，隨跨徑變化時(shí)的對(duì)比關(guān)系，由圖可以看出，在主跨小于約1100m的范圍內(nèi)，相同跨徑的斜拉橋性能優(yōu)于岸上錨碇懸索橋。但隨著跨度的增加，斜拉橋塔、梁的用材指

8、標(biāo)快速上升，斜拉橋和懸索橋的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比將發(fā)生逆轉(zhuǎn)。從這個(gè)意義上看，斜拉橋的跨度適用范圍不是由其極限跨徑確定的，而是由其力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能確定的。但若遇到軟土地基或錨碇必須設(shè)置在水中的情況，懸索橋的造價(jià)將大幅增加。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一般淺水基礎(chǔ)較陸上基礎(chǔ)造價(jià)提高一倍，而深水基礎(chǔ)造價(jià)則成倍增加。圖2中水中錨碇懸索橋的造價(jià)曲線是指水中錨碇為岸上錨碇造價(jià)兩倍時(shí)的曲線，此時(shí)斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢(shì)范圍將擴(kuò)大。橋跨布置及其他雙跨（如圖3所示），邊中跨比一般在0.20.5之間。而斜拉橋邊跨要平衡中跨，邊中跨比一般在0.350.5之間。對(duì)于主跨相同的兩種橋型而言，斜拉橋的總長(zhǎng)度要增加。8當(dāng)跨越同一水域時(shí)，為了避免水中錨碇

9、，必須增大懸索橋的跨度；而斜拉橋的主跨跨度則可根據(jù)通航要求而定，相對(duì)較小。例如，1964年通車的英國(guó)Forth懸索橋，為利用地形采用隧道式錨碇，將主跨增加到1006m；由于交通量的增長(zhǎng)和主纜鋼絲的腐蝕問(wèn)題，于2007年決定在Forth橋附近新建一座橋梁代替舊橋，新建方案采用了雙向分孔通航的三塔四跨斜拉橋，跨度為325+650+650+325m，如圖4所示。斜拉橋方案既滿足了通航要求，又減小了主跨跨徑，從而降低了全橋造價(jià)。從對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性上看，懸索橋錨碇若建在軟土地基上，有時(shí)可能會(huì)因軟基蠕變?cè)斐砂踩[患，而且造價(jià)很高。這些也都是影響其競(jìng)爭(zhēng)力的因素。懸索橋是二階穩(wěn)定體系，不對(duì)稱荷載作用下的變形

10、較大，其剛度主要由恒載狀態(tài)下主纜內(nèi)的初應(yīng)力提供，與矢跨比有關(guān)。隨著橋梁跨徑的增大，結(jié)構(gòu)自重同步增加，因而結(jié)構(gòu)剛度下降較緩慢。斜拉橋由于拉索的支承，與橋塔形成三角形穩(wěn)定體系，因此主跨在千米以下時(shí)剛度大。但隨著跨徑的增大，長(zhǎng)拉索的垂度效應(yīng)增大，主梁因軸力增大而“軟化”，斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度快速下降。盡管如此，在主跨小于1400m時(shí)，相同跨徑下斜拉橋的剛度仍大于懸索橋。對(duì)同跨度斜拉橋和懸索橋的四大基本構(gòu)件施工特點(diǎn)比較如下：首先是錨碇。無(wú)論是隧道錨還是重力錨都是一項(xiàng)重大的基礎(chǔ)工程，在地質(zhì)條件好的錨位施工錨碇，技術(shù)相對(duì)成熟。但如果錨碇地處軟基或只能設(shè)置在水中，沉井、沉箱等深水基礎(chǔ)以及水面以下錨碇的施工均十分

11、困難，將成為懸索橋建設(shè)的控制因素。而斜拉橋無(wú)需設(shè)置錨碇，對(duì)于水文和地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)，這是斜拉橋的一大優(yōu)勢(shì)。其次是橋塔。斜拉橋橋塔較懸索橋高，體量大，隨著跨度的增加，橋塔高度增大、精確定位及保證施工期的穩(wěn)定性都有一定難度。而懸索橋橋塔的施工方法與斜拉橋基本相同，但橋塔體量小。一般情況下，懸索橋的索塔施工難度略低。再者，懸索橋牽引導(dǎo)索、貓道的架設(shè)和主纜的張掛及編制等與斜拉橋拉索施工均有成熟的施工工藝和方法。但斜拉橋的跨度增加時(shí)，超長(zhǎng)索重量增加、垂度變大，增加了一定的施工難度。最后，懸索橋架梁不需要大型輔助施工設(shè)備，也不存在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程，施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較小。斜拉橋一般采用懸臂法施工，隨著跨度增加，

12、懸臂長(zhǎng)度不斷增大，其施工難度和風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加。從施工方面看，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工難度一般要大于懸索橋，超大懸臂施工有一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)；而懸索橋錨碇施工的難度較大，尤其錨碇處在軟基或水中時(shí)，可能成為全橋建造的控制因素。斜拉橋和懸索橋與其他纜索承重橋的比較隨著跨度的增大，要充分利用斜拉橋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有利的一面，就要在結(jié)構(gòu)體系上作變化，通過(guò)降低斜拉橋索塔高度，改善其受力性能來(lái)降低塔的造價(jià)。這樣的體系就是部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系（圖5）。前者可有效降低主梁最大壓力，后者不僅可降低主塔高度，改善主塔受力，同時(shí)可以減小主梁壓力，改善總的經(jīng)濟(jì)性能。結(jié)構(gòu)剛度比較部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系的結(jié)構(gòu)剛度，隨自

13、錨斜拉梁段長(zhǎng)度與主跨比例的改變而改變。由于懸索橋與其他體系在1400m附近形成競(jìng)爭(zhēng)，因此對(duì)主跨1400m的纜索承重橋進(jìn)行分析，從而比較各種體系結(jié)構(gòu)剛度的相對(duì)大小。圖6(a)為主跨1400m的部分地錨斜拉橋在活載作用下，主梁撓度極值與地錨段主梁長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。地錨段主梁長(zhǎng)度Lac為0時(shí)，結(jié)構(gòu)退化為斜拉橋；地錨段主梁長(zhǎng)度為1400m時(shí)，結(jié)構(gòu)退化為全地錨斜拉橋體系?？缰械劐^段主梁自重由地錨拉索平衡，隨著地錨段主梁長(zhǎng)度的增大，減小了自錨梁段的軸向力，提高了結(jié)構(gòu)剛度。但地錨段主梁長(zhǎng)度超過(guò)800m后，自錨段主梁邊跨長(zhǎng)度已經(jīng)很小，結(jié)構(gòu)剛度開(kāi)始逐漸降低。由圖可見(jiàn)，部分地錨斜拉橋的剛度要優(yōu)于同跨徑的自錨斜拉橋，

14、當(dāng)?shù)劐^段長(zhǎng)度在4001100m范圍時(shí)，部分地錨斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度大且變化平緩，為地錨段主梁長(zhǎng)度的最佳取值區(qū)域。圖6(b)為主跨1400m的斜拉懸吊協(xié)作體系在活載作用下，主梁撓度極值與懸吊段主梁長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。懸吊段主梁長(zhǎng)度Lac為0時(shí)，結(jié)構(gòu)退化為斜拉橋；懸吊段主梁長(zhǎng)度為1400m時(shí)，結(jié)構(gòu)退化為懸索橋。如圖所示，主跨同為1400m的斜拉橋和懸索橋相比較，斜拉橋的剛度更大。當(dāng)懸吊長(zhǎng)度由0逐漸增大到200m時(shí)，由于懸吊長(zhǎng)度很小，所需主纜直徑也很小，主纜的重力剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的影響不明顯，反而使得結(jié)構(gòu)的總體豎向剛度下降；懸吊長(zhǎng)度繼續(xù)增加后，跨中懸吊部分的短吊索代替了自錨斜拉橋的長(zhǎng)斜拉索，同時(shí)由于主纜具有

15、較大的重力剛度，因此結(jié)構(gòu)總體豎向剛度開(kāi)始逐漸增大，主梁位移減??；隨著新增吊索逐漸加長(zhǎng)，這一優(yōu)勢(shì)逐漸減小，超過(guò)某一比例限值后結(jié)構(gòu)總體豎向剛度反而開(kāi)始下降。由圖可見(jiàn)，當(dāng)懸吊段長(zhǎng)度在4001000m范圍時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度綜合了斜拉橋剛度較大和地錨剛度較大兩方面的優(yōu)點(diǎn)取得最大值，結(jié)構(gòu)剛度要優(yōu)于斜拉橋和懸索橋，為最佳協(xié)作區(qū)。經(jīng)濟(jì)性比較本世紀(jì)我國(guó)的橋梁建設(shè)面臨著瓊州海峽、臺(tái)灣海峽等跨海工程的巨大挑戰(zhàn)，在與隧道的競(jìng)爭(zhēng)中，選擇合適的橋型組合關(guān)系到“橋隧之爭(zhēng)”的成敗。意大利墨西拿海峽橋?yàn)橹骺?300m的懸索橋，造價(jià)30億美元，約合30億元人民幣/公里。上海崇明越江隧道為10億/公里，瓊州海峽隧道預(yù)計(jì)造價(jià)為25億/公里

16、。因此我國(guó)盾構(gòu)隧道的造價(jià)約在1025億/公里的范圍內(nèi)（視地質(zhì)和水深情況而異），相對(duì)應(yīng)的橋梁?jiǎn)挝幻娣e造價(jià)為38萬(wàn)元/m2。根據(jù)我們的研究和預(yù)測(cè)，給出了各種斜拉和懸索體系以及混合體系的單位橋面造價(jià)與跨徑關(guān)系的預(yù)測(cè)圖（見(jiàn)圖7），其中9001200m跨度范圍內(nèi)各種纜索體系的造價(jià)曲線較為密集，詳見(jiàn)圖8所示。由圖7和圖8可以看出：(1) 主跨小于1100m時(shí)，斜拉橋具有優(yōu)勢(shì)，不同跨徑范圍內(nèi)可采用相應(yīng)的主梁結(jié)構(gòu)形式，其中鋼主梁斜拉橋的適用跨徑為7001400m；(2) 跨度超過(guò)900m后，巖石錨懸索橋始終占優(yōu)，但此橋型對(duì)于橋位處的水文地質(zhì)條件要求高，因此適用性受到很大限制；(3) 岸上錨碇懸索橋的適用跨徑為

17、11002300m，在此跨度范圍內(nèi)，部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系可以與之競(jìng)爭(zhēng)，尤其部分地錨斜拉橋在11001600m、斜拉懸吊協(xié)作體系在14001800m跨度內(nèi)更具優(yōu)勢(shì)，而當(dāng)跨度超過(guò)1800m后，岸上錨碇懸索橋占優(yōu)；(4) 跨度超過(guò)2300m時(shí)，一般是跨海工程的需要，錨碇可能要設(shè)在水中，與部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系相比，淺水錨碇懸索橋開(kāi)始占據(jù)優(yōu)勢(shì)；(5) 跨度超過(guò)3000m后，與隧道相比，單一主跨橋梁方案已經(jīng)不占優(yōu)勢(shì)。(6)可以預(yù)計(jì)，橋隧競(jìng)爭(zhēng)區(qū)將落在橋梁主跨約10003000m的跨度范圍內(nèi)。綜上所述，由于主纜不能更換、必須增加防腐費(fèi)用以及水中錨碇基礎(chǔ)技術(shù)的困難，懸索橋在千米以下已處于

18、劣勢(shì)。許多海峽工程如能避開(kāi)深水區(qū)，并采用分孔航道的布置，如費(fèi)馬恩海峽和瓊州海峽西線都可用主跨千米以內(nèi)的多塔斜拉橋解決。如果公鐵同時(shí)過(guò)海峽，剛度相對(duì)較大、抗風(fēng)性能又好的斜拉橋?qū)⒏欣材軡M足30萬(wàn)噸海輪的通航要求，并且對(duì)隧道方案具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如果平均水深超過(guò)150m的海峽，如直布羅陀海峽，則只能采用跨度3000m左右的多塔連續(xù)懸索橋，但在經(jīng)濟(jì)性上難以和隧道匹敵。可見(jiàn)，懸索橋的適用范圍已受到限制，小于1000m時(shí)比不過(guò)斜拉橋；大于2000m時(shí)將面對(duì)隧道方案的有力競(jìng)爭(zhēng)；而在10002000m范圍內(nèi)，隨著水深的增加，采用部分地錨斜拉橋或斜拉懸吊協(xié)作體系，錨碇體量相對(duì)于懸索橋減小，施工難度也有所降低，因此懸索橋也不占優(yōu)勢(shì)。除非水中錨碇的技術(shù)有了突破，使造價(jià)降低。目前，懸索橋的使用可能只限于地形適合一孔或兩孔跨越，且岸上錨碇處地質(zhì)條件又有利的特殊情況，如舟山西堠門大橋。臺(tái)灣海峽通道也只有采用多塔斜拉橋，以避免6080m水深的錨碇基礎(chǔ)，才能對(duì)隧道方案具有競(jìng)爭(zhēng)力。小結(jié)本文從結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)出發(fā)，分析了纜索承重橋梁的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能，并就其耐久性、橋跨布置的靈活性、可施工性以及結(jié)構(gòu)剛度等方面開(kāi)展討論。對(duì)于雙塔三跨的纜索承重橋，得出以下主要結(jié)論：(1) 主跨小于1100m時(shí)，斜拉橋在經(jīng)濟(jì)性能、結(jié)構(gòu)剛度、抗風(fēng)性能以及拉索可更換性等方面較其他橋型具有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)是優(yōu)先選擇的體系，因此要慎用