作者：José J. Oliveira；Pedro António J. Reis
本文介紹了近50年來組合梁斜拉橋的發(fā)展概況，研究了現(xiàn)代中大跨度公路橋和公鐵組合桁架橋的設(shè)計與施工方法。本文還探討了組合梁斜拉橋的發(fā)展趨勢，特別對材料、拉索和橋梁設(shè)計等領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
1.組合梁斜拉橋發(fā)展簡介
斜拉橋是一種美觀、高效的橋型方案。在過去的50年里，斜拉橋的適用范圍逐步擴(kuò)大，目前已成為中大跨度橋梁中應(yīng)用最多的橋型。對于跨度超過1000米的橋梁，斜拉橋已成為懸索橋的有力競爭橋型。
斜拉橋的設(shè)計方案和施工方案可以根據(jù)具體項目的特點、難點進(jìn)行靈活調(diào)整，同時還可以保證良好的景觀效果。這些特點使得斜拉橋備受青睞，并在設(shè)計和施工中不斷取得成功。
跨度的增加需要自重更輕、強(qiáng)度更高的主梁斷面。鋼箱梁斷面結(jié)合正交異性橋面板正是這種輕質(zhì)、高強(qiáng)斷面，適用于大跨度橋梁。從過去20年建造的各種鋼-混組合橋面的跨度統(tǒng)計來看（圖1），對于跨度達(dá)到600m，甚至700m的斜拉橋，鋼-混組合橋面是最有效和最具競爭力的選擇（參考文獻(xiàn)Leonhardt and Zellner, 1991; Svensson, 1999, 2012; Taylor, 1994, 2001; Walther et al.,1985）。
采用斜拉索支持橋梁可以追溯到十九世紀(jì)。然后，直到過去的50年間該技術(shù)才出現(xiàn)了重大的發(fā)展，這主要是由于材料性能、施工工藝以及計算理論和數(shù)值分析的發(fā)展和進(jìn)步。
1955年完工的瑞典斯特羅姆桑德大橋（Str?msund Bridge）通常被認(rèn)為是現(xiàn)代第一座斜拉橋。該橋主跨跨徑為182.6m，采用鋼主梁支撐混凝土板的橋面系（圖2）。該橋混凝土橋面板僅作為傳遞車輛荷載給鋼主梁的構(gòu)件，不承受斜拉索的水平分力。事實上，第一次實現(xiàn)將斜拉索水平力傳遞到橋面板的橋直到1956年在德國Büchenauer才建成（參考文獻(xiàn)Svensson，1999）。
目前，“組合”一詞已經(jīng)被賦予了各式各樣的斜拉橋?？梢远x以下四種鋼和鋼筋混凝土組合類型（參考文獻(xiàn)Svensson，2012）:
(a)組合梁，由鋼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)上部的混凝土板組成；
(b)混合梁，通常主跨采用全鋼截面、邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土截面；
(c)采用鋼橫梁或者其他橫向鋼構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力混凝土截面；
(d)在頂部配有由混凝土磨耗面、瀝青層或環(huán)氧樹脂加固的正交異性板的鋼橋面截面。
此外，不使用鋼和混凝土，而使用復(fù)合纖維材料的小型人行橋也被稱為“組合橋面”。
鋼-混凝土組合梁斜拉橋橋面系通常被認(rèn)為由頂部帶有混凝土板的鋼結(jié)構(gòu)組成，鋼-混凝土兩部分共同提供剛度和抵抗矩承受橋面系的彎矩和軸力。本文不涉及橋面類型（b）、（c）和（d）。事實上，只有在（a）型橋面中，鋼梁和混凝土板才作為同一橫截面參與縱橋向受力。
最常見的組合梁斜拉橋橋面系由兩道斜拉索支持的縱向鋼主梁和支撐于縱梁及密布橫梁網(wǎng)格上的混凝土板組成?？v梁與混凝土橋面板一起抵抗拉索的高軸力（文獻(xiàn)Taylor，1994）。隨著時間的推移，混凝土板的徐變和收縮效應(yīng)會導(dǎo)致混凝土橋面板和橋塔變形，同時將混凝土板的壓力轉(zhuǎn)移給鋼縱梁（參考文獻(xiàn)Pedro，2007；Pedro and Reis，2010年）。
鋼材的采用使得整個截面自重小、強(qiáng)度高。施工階段，鋼材還可以進(jìn)行主梁模塊化預(yù)制，制造過程可以高質(zhì)量控制，構(gòu)件尺寸保持高精度。此外，由于鋼主梁節(jié)段易于組裝，且架設(shè)后立即具備各項強(qiáng)度，使用鋼梁截面可以更快的施工主梁。
混凝土橋面板的使用大大增加了橋面抵抗拉索軸力的能力，并為支撐公路/人行道表面或鐵路道碴和/或鐵路軌道提供了合適的平臺。預(yù)制板采用高強(qiáng)度和高尺寸精度的鋼筋混凝土制成，提高了橋面施工速度。將鋼和混凝土組裝在一起，可實現(xiàn)輕質(zhì)橋面的方案，施工便利、快速，具有高質(zhì)量和高耐久性的特點。
在斯特羅姆桑德大橋和Büchenauer大橋建成后的20年里，建成了一些斜拉橋，但只有少數(shù)采用了組合梁。1972年，銀卡港大橋（Silka-Harbour Bridge）在阿拉斯加建成，這是通常認(rèn)為的第一座公路組合梁斜拉橋（參考文獻(xiàn)Podolny和Scalzi，1976）。該橋主跨137米，主梁斷面由兩個鋼箱梁和一塊混凝土板組成，支撐于橫向距離45m的鋼結(jié)構(gòu)主塔上。1967年，為了蒙特利爾世博會，人們修建了一座公路和城市軌道橋，該橋有兩個跨度105m的簡支跨，由兩個縱向組合箱梁組成，僅在中跨用斜拉索支撐（參考文獻(xiàn)Troitsky，1988）。
直到20世紀(jì)70年代末，印度加爾各答的胡格利大橋（Hooghly bridge）等大跨度組合梁斜拉橋才得以設(shè)計。該橋主跨457米，設(shè)計于1978年至1982年之間，但直到1992年才完工。同時，1982年，美國佛羅里達(dá)州的陽光高架橋（Sunshine Skyway Bridge）也提議采用組合橋面。陽光高架橋主跨366米，經(jīng)證明該跨徑組合橋面在經(jīng)濟(jì)上具有競爭力，僅次于預(yù)應(yīng)力混凝土方案（Svensson et al.，1986；Zellner等人，1984）。1986年，加拿大溫哥華亞歷克斯·弗雷澤大橋（Alex Fraser Bridge）采用了一種非常相似的組合橋面作為橋面設(shè)計（Taylor and Torrejon，1987）。該橋主跨465米采用組合橋面，保持了幾年的該類斜拉橋世界紀(jì)錄（圖3）。
在接下來的25年里，鋼-混凝土組合橋面板的數(shù)量顯著增加（圖1）。這主要是由于組合橋面的經(jīng)濟(jì)性，主要表現(xiàn)在大跨度橋梁上，特殊條件下部分中小跨徑橋梁也具有優(yōu)勢。這種橋面類型的設(shè)計發(fā)展促成了它的成功。事實上，早期的斜拉橋，例如斯特羅姆桑德大橋有一個相當(dāng)復(fù)雜的橋面，由一組小縱梁支撐的混凝土板構(gòu)成，這些縱梁將豎向荷載傳遞給橫梁?？v向主梁承受來自橫梁的豎向荷載，由縱向分布、稀疏的斜拉索支持。
自20世紀(jì)70年代末和80年代以來發(fā)展的組合橋面采用了更加簡單的體系。通過減小斜拉索間距，可以采用更細(xì)的縱梁直接由相對密布的斜拉索支持。主縱梁間距加大后，需要采用尺寸更大的橫梁。因此，合理的選擇是加密橫梁間距，這樣即給主梁提供橫向約束，也可以取消設(shè)置橫隔梁和橫向支撐。此外，小間距橫梁可以采用更薄、更輕的橋面板，可進(jìn)行預(yù)制以加快施工進(jìn)度。
現(xiàn)代組合梁斜拉橋設(shè)計可分為三類：
1、大跨度公路橋（主跨長度超過200–250m，采用輕薄的面板，通常由橫向聯(lián)系的雙邊梁組成，采用平衡懸臂法建造）。
2、中跨公路橋（主跨小于200–250m，橋面、懸掛系統(tǒng)和施工方法更加多樣化）。
3、組合桁架梁斜拉橋。
2. 大跨度公路橋梁設(shè)計
現(xiàn)代大跨度公路橋梁采用更薄、更輕的橋面，節(jié)省了橋面系、纜索、橋墩和基礎(chǔ)。主梁長細(xì)比（定義為主跨和梁高的比值）逐漸增加，目前在100至300之間。
亞歷克斯·弗雷澤大橋是第一座采用非常規(guī)扁平橋面的斜拉橋，主梁梁高為2.27米，主跨長465米，相應(yīng)的高跨比為1/205。該橋由兩片橫向布置的斜拉索索面支撐，斜拉索匯聚到塔頂形成空間（3D）桁架索面。這種布置有利于主梁的氣動穩(wěn)定性（圖4（a））。斜拉索還對混凝土板施加了縱向和橫向壓力。該橋橫梁之間的橋面板采用預(yù)制安裝的，避免了昂貴的現(xiàn)場模板，也大大減少了混凝土收縮徐變效應(yīng)?，F(xiàn)場剪力釘為在相似的板件提供了快速和簡單的連接，確保鋼結(jié)構(gòu)和混凝土橋面組件和現(xiàn)場施工工藝的最大程度標(biāo)準(zhǔn)化（圖4（b））（Taylor，1994）。
幾乎所有主跨超過200m的公路組合梁斜拉橋都采用相同的平衡懸臂施工方法，主要包括如下簡要和重復(fù)的施工步驟：吊裝鋼梁節(jié)段，一般為兩片鋼邊梁和兩道或三道橫梁，螺栓拼接與上一節(jié)段連接；吊裝預(yù)制混凝土橋面板，擱置于橫梁之間，并現(xiàn)場澆筑濕接縫；安裝張拉一對斜拉索，錨固于縱梁。
拉索安裝通常分兩個階段：第一階段，在鋼結(jié)構(gòu)安裝期間，只張拉部分索力；第二階段，在橋面板施工后，第二次張拉剩余的索力。通常在跨中合攏后，還需要對索力進(jìn)行微調(diào)，以實現(xiàn)最終的公路線形。
這一施工方法在上海已建成的南浦、楊浦、徐浦三座大型組合梁斜拉橋中得到應(yīng)用，主跨分別為423m、602m和590m，分別于1991年、1993年和1997年竣工（Xiang，1999）。主跨605米的青州岷江大橋和主跨616米的武漢二七長江大橋，分別2001年和2011年建成通車，是目前主跨最大的兩座組合梁斜拉橋。楊浦大橋和徐浦大橋的雙邊主梁均采用了矩形箱梁斷面，主要目的是增加抵抗斜拉索軸向分力的能力。這種設(shè)計理念可用于更長跨度的橋梁，當(dāng)橋塔處主梁考慮橫風(fēng)彎矩和使用階段的軸壓力組合效應(yīng)后，這種設(shè)計可能變得至關(guān)重要（Taylor，2001）。
1998年建成的香港汀九橋（Ting Kau Bridge）（圖5），采用了具有獨特的設(shè)計方案。汀九橋兩個主跨跨徑分別448m、475m，橋面寬42.8m，采用四索面布置，縱向設(shè)置四道鋼板梁作為主梁，鋼板梁梁高僅為1.51m，具有以下顯著特點：475m主跨主梁的長細(xì)比高達(dá)271；設(shè)置由從中塔塔頂拉至邊塔橋面的長拉索，目的是保障中塔的穩(wěn)定；設(shè)置橋塔橫向索以提高主塔穩(wěn)定性（Bergermann and Schlaich，1998）。
幾年前，美國休斯頓海峽上的貝敦大橋（1995年；參見圖6），也采用了兩個上下行分離式橋面布置，每個橋面寬23.8 m，單幅橋面設(shè)置雙板梁，通過拉索支撐于鉆石型主塔上。這橋位于颶風(fēng)區(qū)域，大橋經(jīng)受住了颶風(fēng)的考驗，設(shè)計方案被證明是非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)方案（Svensson and Lovett，1994）。本次橋梁設(shè)計也首次提出了傳統(tǒng)懸臂方案的替代方案。該方案是考慮將鋼梁和混凝土板一起吊裝，從而進(jìn)一步加快施工速度，也可以節(jié)省部分鋼材。這種方案的主要缺點是運輸和吊裝節(jié)段尺寸和重量更大，對已架設(shè)懸臂梁段將產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。最后，承包商決定使用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制板、現(xiàn)澆接頭連接的方案。結(jié)果是，恒載作用階段，橫梁將不再有疊合效應(yīng)，從而需要額外增加640t鋼材（17%的額外鋼材重量，相當(dāng)于每平米橋面用鋼量從121kg/m2增加到141kg/m2）（Tang，1994）。
最近，一批組合梁斜拉橋采用了相同的設(shè)計方案，如希臘的Rion-Antrion大橋（2005年）、英國南威爾士的塞文二橋（the Second Severn Crossing Bridge）（1996年）、泰國的普密蓬大橋（2006年）和中國的二七長江大橋（2011年，采用雙主跨方案，主跨跨徑616m）。Rion-Antrion大橋采用三主跨方案，主跨跨徑均為560米，總長2252米，證明了斜拉橋方案可適用于更大的跨越長度，而不需要采用掛孔梁，雖然需要采用非常剛性、極具視覺沖擊力的橋塔（圖7）（Teyssandier，1997）。
英國塞文二橋橋面寬34.6m寬，創(chuàng)新的采用了普拉特型桁架橫梁，（圖8）取代了標(biāo)準(zhǔn)鋼板橫梁（Combault et al.，1994）。其混凝土橋面板同樣提前在后場澆筑?，F(xiàn)場僅澆筑少量的濕接縫，現(xiàn)澆混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，一對斜拉索索力一次張拉，加快橋面架設(shè)速度。
泰國普密蓬大橋，由于橋面寬度大，采用了高度較大的鋼板橫梁，為承受彎矩作用，橫梁橫向跨中位置梁高達(dá)到了3.2m（Farquhar，2008）。實際上，設(shè)計實踐表明，當(dāng)采用橫向懸掛時（雙索面），包括板厚在內(nèi)的橫梁高度一般為1/10到1/12的斜拉索橫向錨固點間距。
由于混凝土的時變效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)橋面板軸向壓應(yīng)力會減少。從而導(dǎo)致使用期間橋面板跨中部分產(chǎn)生拉力，并可能導(dǎo)致開裂（Pedro，2007；Pedro和Reis，2013年）。為了防止這種效應(yīng)，橋面板采用施加縱向預(yù)應(yīng)力。美國昆西大橋（Quincy Bridge）（1987年）（Tang，1994年）、中國楊浦大橋（1993年）（Virlogeux，2002年）以及最近的美國開普吉拉多大橋（Cape-Girardeau Bridge）（2004年）（Hague，2003年）就是這種情況。然而，后張法阻礙了橋面施工，預(yù)應(yīng)力張拉要求混凝土橋面板應(yīng)僅與橫梁相連。只有在張拉之后，才能將橋面板和縱梁連接，這樣可以保證預(yù)壓力作用在橋面板內(nèi)。盡管如此，一段時間后預(yù)壓力也會轉(zhuǎn)移到縱向鋼梁中。
在美國，組合梁斜拉橋在過去的二十年中經(jīng)歷了長足的發(fā)展，在多個設(shè)計-建造招標(biāo)方案中勝出。目前已建成跨度超過200m的組合梁斜拉橋十余座，另有幾座正在設(shè)計或施工中。主梁一般采用雙鋼板梁，平衡懸臂施工。2005年建成的主跨471m的亞瑟羅浮奧橋（Arthur Ravenel Bridge）（亞伯拉罕，2005）和目前北美最長的斜拉橋482.5m的約翰詹姆斯奧杜邦大橋（John Audubon Bridge）就是兩個很好的例子。
同樣在墨西哥，過去幾年也新建了多座重要的組合梁斜拉橋。最近的一個例子是巴魯阿特大橋（Baluarte Bridge），該橋位于連接墨西哥北部大西洋和太平洋海岸的新建高速公路上（圖9）（Virola，2013）。巴魯阿特大橋主跨為520米，橋面位于山谷上方400米處，于2008年開始修建，2013年建成通車。主跨跨中范圍的432m部分采用了標(biāo)準(zhǔn)的組合梁斷面。為了減輕重量，橋面板采用了肋形截面，采用波紋鋼板作為模板進(jìn)行現(xiàn)場澆筑，這是Taylor（2001）首次提出的。較短的混凝土邊跨先行施工，主梁采用鋼橫梁連接的雙邊矩形箱梁斷面，通過鋼橫梁支撐混凝土肋板。
在目前正在建設(shè)的幾座大跨度斜拉橋中，主要是在中國，昆斯費里大橋（Queensferry Crossing Bridge）是蘇格蘭福斯灣的第三座大橋，將于2016年完工，它以其獨特的組合梁索面布置和兩個主跨650米而受到矚目（圖10）。大橋采用三個一字型混凝土橋塔，從流線型箱梁中部穿過，兩道斜拉索索面錨固于上下行行車道之間的中央分隔帶位置。為了解決中塔的穩(wěn)定性問題，大橋的一個獨特設(shè)計是在每個主跨跨中出現(xiàn)了斜拉索交叉重疊（Curran et al.，2011）。雖然造型上美觀、獨特，但這一特點將給主跨合攏帶來了其他斜拉橋沒有的全新挑戰(zhàn)。組合梁截面原來是作為一種替代方案提出來的，主梁包括149個12m長、40m寬的節(jié)段，在中國和西班牙制作（Carney和Nowak，2011）。混凝土橋面板采用工廠預(yù)制，設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力以防止開裂，同時提供箱形截面的抗扭剛度。節(jié)段將采用駁船運輸，并采用平衡懸臂法安裝。
通過對國內(nèi)外公路、鐵路組合梁斜拉橋主要特點的研究，得出了一些有意義的結(jié)論（Pedro，2007；Pedro and Reis，2013年）。關(guān)于主梁長細(xì)比（主跨跨徑/主梁高度的比值）（圖11）：
對于公路橋主梁，隨著跨度的增加，長細(xì)比由75增加到225；當(dāng)主跨超過500m后，長細(xì)比趨于近似恒定。
特別的，汀九大橋由于采用四主梁斷面（圖5），長細(xì)比高達(dá)271。
由于撓度要求限制，鐵路橋主梁的長細(xì)比要低得多，常規(guī)一般低于50。
關(guān)于主梁自重，可以總結(jié)為以下幾點：
每平方米主梁的鋼材重量介于125kg/m2和300kg/m2之間，平均值為213kg/m2（圖12（a））。
每平方米主梁的自重平均為850kg/m2（考慮了鋼材和混凝土板的重量），典型值介于700kg/m2和1000kg/m2之間（圖12（b）），與幾位學(xué)者（Farquhar，2008；Virlogeux，2002年）的研究相符。
(a)
(b)
圖12 （a）組合梁斜拉橋的主梁鋼材比重；
（b）主梁自重比，每平方米橋面與主跨長度的比值
關(guān)于斜拉索重量，有以下幾個總結(jié)：
對于鋼、組合和混凝土斜拉橋來說，每平米橋面斜拉索用量均隨著主跨跨徑的增加而增加（圖13（a）），曲線位于斜拉索手冊中的界限范圍內(nèi)（Freyssinet，1994、2004）。
對于組合梁斜拉橋，每平方米橋面斜拉索用鋼量差別較大。
由于更大的橋面恒載和活載，鐵路橋每平米拉索重總是遠(yuǎn)高于公路橋。
假設(shè)不對稱單塔公路斜拉橋的等效主跨長度L等于實際主跨長度的兩倍（圖13（b）），則每平方米橋面的斜拉索重量將更有規(guī)律。
二次回歸趨勢線幾乎和斜拉索手冊（Freyssinet，1994，2004）中針對大跨度組合橋面建議的平均線重合（圖13（b））。
(a)
(b)
圖13 組合梁斜拉橋每平方米橋面纜索重量比，
相對于（a）主跨長度；（b）等效主跨長度
翻譯：沈旭東
編輯：林光毅
審核：王昌將
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