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3.中等跨徑高速公路橋梁設(shè)計(jì) 對(duì)于中等跨徑斜拉橋，常規(guī)的對(duì)稱雙塔三跨直梁斜拉橋通常不是最優(yōu)方案，獨(dú)塔或采用曲梁的不對(duì)稱斜拉橋可能更適合克服局部環(huán)境限制（Reis等，1999；Virlogeux，1990）。中等跨徑也可采用組合梁斜拉橋，主梁由兩片鋼板梁構(gòu)成，索面在主梁兩側(cè)，通過快速施工方法架設(shè)。橋面混凝土板同樣由橫梁支撐，例如法國的塞塞爾橋（1987；圖14），采用主跨115m的獨(dú)塔斜拉橋方案，邊跨跨度為3×35.2m，采用雙索面各九對(duì)斜拉索支撐主梁（Virlogeux等，1985）。 (a) (b) 圖14 （a）法國塞塞爾橋（1987） （Gérard Forquet攝） （b）橋面橫斷面 雙索面的視覺效果較差是采用橫向雙索面的主要缺點(diǎn)。中央索面的形式改善了美觀性，但是需要具有更高扭轉(zhuǎn)剛度的截面，也就是箱梁斷面。西班牙競技場高架橋（1993年；圖15）（Arenas和Pantaleón，1992年），中間跨跨徑組成為5×105m，和盧森堡的阿爾澤特河大橋（1994年）（Biwer等，1994年），具有兩孔130m的跨徑，是典型的中央索面和具有彎曲平面線形的中等跨徑組合梁斜拉橋。 (b) 圖15 （a）西班牙競技場高架橋（1993） （由弗雷西內(nèi)提供） （b）橋面橫斷面 競技場高架斜拉橋采用了一種創(chuàng)新的施工建造方法。每跨主梁包括混凝土板都在地面上施工疊合完成后，通過設(shè)置于墩頂?shù)?600噸級(jí)的起重龍門架將其提升到30m的高度。每一跨主梁與前一跨通過焊接連接。在所有主梁都安裝好之后，再將鋼橋塔安裝到位，并安裝橋塔兩側(cè)的六對(duì)中央索面斜拉索（Arenas和Pantaleón，1992年）。 平衡懸臂施工方法通常會(huì)需要較長的施工時(shí)間，需要對(duì)眾多施工階段進(jìn)行詳細(xì)研究，并嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的幾何線形以及在所有施工階段中拉索的力/位移。作為替代方案，對(duì)于中等跨徑橋梁，如塞塞爾（Seyssel）和阿爾澤特河（Alzette River）橋梁一樣，可以使用頂推施工或者利用整孔吊裝結(jié)合臨時(shí)支撐進(jìn)行架設(shè)，先通過臨時(shí)支撐架設(shè)鋼主梁，隨后利用支撐在鋼結(jié)構(gòu)上的移動(dòng)模架現(xiàn)場澆筑橋面板。芬蘭建造的幾座中等跨徑斜拉橋也采用了相同的方法，例如Kemijoki橋（圖16）。Kemijoki橋?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)獨(dú)塔斜拉橋，主跨為126m，采用組合鋼箱梁斷面，箱梁懸臂板采用斜撐支撐，主梁由兩個(gè)中央索面支撐（V?h?aho等，1996）。 圖16 （a）芬蘭Kemijoki橋（1989） （J. O. Pedro攝） （b）橋面橫斷 4. 組合鋼桁梁斜拉橋設(shè)計(jì) 組合鋼桁梁斜拉橋上部結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁更輕，而變形較鋼梁或組合鋼板梁小。拉索錨固在混凝土頂板上，由于與混凝土板的軸向剛度相比，桁架梁在縱向方向上相對(duì)柔性，因此拉索的水平分力主要通過混凝土橋面板傳遞。此外，由于混凝土板收縮和徐變的強(qiáng)迫變形而產(chǎn)生的自平衡縱向力也減小了，因?yàn)樵诳v向方向上，桁架梁的變形類似于一臺(tái)“管風(fēng)琴”，允許變形減小了由于時(shí)變效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)力。 卡納利橋（Karnali Bridge）于1993年在尼泊爾完工，是第一座采用組合鋼桁梁的公路斜拉橋（圖17）。這座杰出的結(jié)構(gòu)物跨徑為325m，由獨(dú)塔支承（主梁長細(xì)比約為100）。為了減少主梁的變形，采用了兩片桁高3m的華倫式鋼桁梁（Arzoumanidis和Kunihiro，1994）。 圖17 （a）尼泊爾卡納利橋（1993） （由阿努伊·薩曼塔提供） （b）橋面橫斷面 對(duì)于鐵路橋梁，人們需要采用剛性主梁來確?；疖嚨倪\(yùn)行要求。桁架梁廣泛用于懸索橋和斜拉橋中，特別是使用混凝土橋面板的鋼混組合桁架梁，既具有較高的抗彎剛度又具有相對(duì)較低的重量。瑞典和丹麥之間的厄勒海峽大橋采用了組合鋼桁梁。最近，委內(nèi)瑞拉Mercosur橋也采用了這種形式，該橋是奧里諾科河上的第三個(gè)重要通道。 主跨490m的厄勒海峽大橋（?resund Bridge）（圖18）（Aso，1999）采用了兩片垂直鋼桁架組成的主梁，在主梁頂部的公路路面設(shè)置混凝土板。在底部，連續(xù)的正交異性鋼橋面支撐著高速鐵路的兩側(cè)道砟。大橋的鋼主梁節(jié)段在西班牙預(yù)制并經(jīng)船運(yùn)到瑞典，而橋面板則在當(dāng)?shù)赜诩茉O(shè)前預(yù)制。這些長度為120–140m，重達(dá)6200t的節(jié)段通過浮吊吊裝。主梁節(jié)段放置在臨時(shí)支架上并現(xiàn)場焊接，其后安裝當(dāng)前節(jié)段的拉索，并將臨時(shí)支撐移至下一位置（S?rensen &Thdorsen，1999）。 (b) 正在建設(shè)中的主跨360m的Mercosur鐵路橋梁（Humpf和Schiele，2009年）也采用了鋼-混組合華倫式桁架梁，桁架節(jié)間距10m，上下橫梁之間的間距為3.33m。與其他案例不同，該橋采用了中央索面。邊跨采用頂推施工，混凝土板現(xiàn)場后澆，隨后安裝、張拉張拉斜拉索。主跨的中央鋼梁部分長120m，重2400t，將由位于已施工懸臂節(jié)段上的四個(gè)橋面吊機(jī)從駁船上吊起。主跨的混凝土板最終將分步澆筑。 這兩座橋的桁高相對(duì)較高，鋼結(jié)構(gòu)高度分別為10.2m和11.6m，其細(xì)長度僅為48和28（圖11）。此外，這些主梁的自重和結(jié)構(gòu)鋼用量高于組合鋼板梁（圖12）。 通常，組合鋼桁架梁斜拉橋主梁會(huì)采用豎直斜腹桿。然后，也有采用3D鋼管作為腹桿的案例，葡萄牙蒙德戈河上的歐羅巴大橋（2004年，圖19）首次使用的3D鋼管斜腹桿（Reis和Pedro，2004年）。這座公路橋?yàn)橹骺?86m獨(dú)塔斜拉橋，采用中央平行雙索面布置，橋塔設(shè)置于左側(cè)河岸上。橋塔向邊跨傾斜8°，并由錨固到過渡墩上的斜拉索平衡。主梁采用3D組合鋼桁梁，桁高4.2m，橋面寬30m，由節(jié)間長度3.75m的高強(qiáng)度鋼管和上下兩塊混凝土橋面板構(gòu)成，混凝土橋面板采用縱橫雙向預(yù)應(yīng)力。 (a) (b) 圖19 （a）葡萄牙歐羅巴大橋（2004） （J. O. Pedro攝） （b）橋面橫斷面 這座組合鋼桁架橋在斜桿和混凝土板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)上也獨(dú)具特色。在上部桁架節(jié)點(diǎn)處采用了由鋼筋混凝土包裹的鋼板。這些板不僅傳遞來自橋面板的垂直力，而且可以平衡斜桿的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力，將水平力傳遞至混凝土橋面板。在3.75m單元的斜桿下端節(jié)點(diǎn)上，采用了兩個(gè)與腹板完全咬合的鋼板，以確保垂直和水平內(nèi)力的直接傳遞。橋面板采用預(yù)制構(gòu)件架設(shè)，這些板在河左岸預(yù)制場進(jìn)行預(yù)制。這些長3.75m，重達(dá)150t的節(jié)段通過駁船運(yùn)輸，然后被吊裝到橋面位置。在安裝預(yù)制橋面板并張拉縱向預(yù)應(yīng)力后，現(xiàn)澆橋面板懸臂部分，并張拉額外的橫向預(yù)應(yīng)力。 5.未來的趨勢 大跨度組合梁斜拉橋的競爭力首先是由于每平方米橋面造價(jià)對(duì)跨度的增加沒有很大的敏感性，其次是橋梁的主要部件—橋面板，橋墩/橋塔或拉索—均尚未達(dá)到使用極限。當(dāng)基礎(chǔ)建設(shè)條件較差時(shí)，大跨度組合梁斜拉橋也顯著更具競爭力。組合梁斜拉橋的未來的發(fā)展取決于結(jié)構(gòu)材料、斜拉索的發(fā)展以及設(shè)計(jì)方案的進(jìn)步。 對(duì)于超大跨徑斜拉橋，強(qiáng)度高達(dá)70–100 MPa的混凝土預(yù)制橋面板的應(yīng)用正在逐漸增加。高強(qiáng)度混凝土可以將橋面板的設(shè)計(jì)厚度降低大概0.2–0.25m，并能夠抵抗對(duì)應(yīng)于大約700–800m跨度的水平軸壓力。為了減輕重量，在離開橋塔根部區(qū)域，像近期采用的帶肋橋面板可能是一個(gè)好方案。目前，至少有一個(gè)組合梁斜拉橋橋面板采用了輕骨料混凝土，即挪威的格倫蘭大橋（Grenland Bridge，1996年），該橋在305m長的主跨中采用了輕骨料混凝土板。通過造價(jià)對(duì)比表明，輕骨料混凝土的采用使橋梁的總成本降低了1％（Fergestad和Jordet，2000年）。這些成本的降低是由于橋面板自重的減少，以及由此減少的斜拉索重量和橋梁基礎(chǔ)規(guī)模。盡管輕質(zhì)骨料制成的混凝土比正常混凝土價(jià)格更高，但在后續(xù)設(shè)計(jì)中，可以用自重降低節(jié)約的成本與之相抵。 近年來，S420和S460鋼材的使用逐漸增加，取代了以前常見的S355鋼材。高標(biāo)號(hào)鋼材可以使鋼板更薄，進(jìn)一步使鋼梁、橫梁，尤其是拉索錨固裝置的設(shè)計(jì)變得更緊湊。然而，高強(qiáng)鋼材的抗疲勞性能沒有明顯優(yōu)勢，并且可能增加失穩(wěn)屈曲的風(fēng)險(xiǎn)，需要設(shè)置額外的加勁肋。綜上所述，鋼材成本是否節(jié)約需要根據(jù)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合分析。將來可能會(huì)探索在橋梁結(jié)構(gòu)中引入更高等級(jí)的鋼材，例如S690和S700（IABSE，2005），這將需要開展一組新的研究主題，即穩(wěn)定和疲勞問題。 斜拉橋跨徑的增大將導(dǎo)致更長的斜拉索，纜索的剛度會(huì)相對(duì)降低。采用碳纖維和胺纖維增強(qiáng)聚合物制成的斜拉索由于強(qiáng)度高、自重輕，可以減輕纜索的重量和直徑。然而，與鋼材相比，組合斜拉索長期重載作用下的性能存在不確定性，變形更大、成本更高，這些缺點(diǎn)限制了復(fù)合材料斜拉索的應(yīng)用，一般僅用于某些人行橋和跨度較小的公路試驗(yàn)橋。 一直以來，傳統(tǒng)的鋼斜拉索也是逐步得到了改進(jìn)。經(jīng)典的預(yù)應(yīng)力鋼絞線斜拉索是設(shè)置在塑料管內(nèi)，各個(gè)鋼絞線相互獨(dú)立，其間填充水泥漿，這種方案自重很大，拉索的外徑也較大，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)單根更換鋼絞線。為了克服這些缺點(diǎn)，人們采用合成材料（例如蠟或樹脂）替代水泥漿作為索套內(nèi)的填充，從而增加防腐能力并減小了斜拉索的重量和直徑。 同樣在斜拉索的錨固領(lǐng)域也發(fā)生了重要的進(jìn)步，特別是在錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)，增加了限制斜拉索振動(dòng)的阻尼，減少了斜拉索由錨固引起的彎曲應(yīng)力。 斜拉索使用階段索力允許值一般限制為極限抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（FGUT）的45％。這個(gè)限制是為了防止疲勞應(yīng)力和初始錨固產(chǎn)生的局部彎曲應(yīng)力疊加導(dǎo)致斜拉索失效，除個(gè)別情況外，很少突破該限制值。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)3（CEN，2006a）第1.11條，對(duì)于荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，如果斜拉索錨固處采用了減振裝置并且使用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)1第2部分（CEN，2003）的作用，斜拉索允許索力可以提高至極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（FGUT）的50％。更高的應(yīng)力允許值是基于更高的斜拉索和錨固技術(shù)要求，過去10至15年間建造的橋梁普遍采用該方案。此外，在斜拉索施工階段中，初始安裝鋼絞線允許達(dá)到極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（FGUT）的60％，其它受拉構(gòu)件張拉后索力允許值為極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（FGUT）的55％。 一些國家已經(jīng)制定了有關(guān)斜拉索設(shè)計(jì)的指南和特定規(guī)范，例如2001年在法國和美國發(fā)布的文件（PTI，2001；SETRA，2001），還有歐洲規(guī)范3的第1-11部分（CEN，2006a）。這些規(guī)范定義了用于承載能力極限狀態(tài)的斜拉索安全系數(shù)，以及通常在設(shè)計(jì)中支配的正常使用狀態(tài)下的應(yīng)力限值。 斜拉索還應(yīng)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算（同時(shí)考慮軸向應(yīng)力和錨固點(diǎn)附近的彎曲應(yīng)力，該彎曲應(yīng)力主要是由于懸鏈線效應(yīng)、風(fēng)荷載和安裝誤差導(dǎo)致的拉索偏角引起的）。法國指南提出了一種適用于公路橋梁的簡單規(guī)定，將EC1-2的疲勞車輛LM3工可產(chǎn)生的斜拉索應(yīng)力幅限制在70MPa以下。歐洲規(guī)范3（CEN，2005，2006a，2006b）包含一套更為復(fù)雜的驗(yàn)算流程。設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，疲勞往往控制斜拉索設(shè)計(jì)，因此有必要開展進(jìn)一步的研究以評(píng)估疲勞影響機(jī)理，并獲得簡化驗(yàn)算方法。 在鋼混組合梁斜拉橋的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，多年來發(fā)展了多種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案，部分方案僅涉及到建筑造型創(chuàng)新，部分方案設(shè)計(jì)存在技術(shù)革新。這兩種創(chuàng)新都很重要，因?yàn)槿藗儗?duì)斜拉橋的興趣在很大程度上是由于該橋型造型美觀。事實(shí)上，良好的美感和景觀性，以及對(duì)有更高跨徑要求的環(huán)境敏感場地的適應(yīng)性，是采用不同的組合橋面、獨(dú)塔斜拉橋的主要原因。 最近的愛爾蘭博因河大橋和舒爾河大橋（2003年和2009年）、威爾士的Sirhowy河大橋（2005年）、德國的Berliner橋（2005年），意大利的Alcide de Gasperi大橋（2005年）和俄羅斯的科拉貝尼夫大橋（2011年）是遵循這些原則的中等跨徑組合梁斜拉橋的典型案例。新的同類型橋梁正在被建造或設(shè)計(jì)，如印度的Signature橋（2014年）。在這一領(lǐng)域提供的不同結(jié)構(gòu)方案，對(duì)傳統(tǒng)的懸臂施工三跨斜拉橋方案提出了挑戰(zhàn)。采用特殊支撐或部分地錨的獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋，中跨也可采用疊合梁。 為了降低橫風(fēng)效應(yīng)，當(dāng)跨度超過700m時(shí)，鋼板梁和箱形梁斜拉橋?qū)⒆兊酶颖馄健⒏恿骶€型?？紤]橫風(fēng)作用力，分離式主梁具有橫向抗彎優(yōu)勢，前提是通過橫向連接能實(shí)現(xiàn)整體橫向變形，確保寬度方向全截面有效。在這方面的例子是主跨1018m的昂船洲大橋，大橋橋位處設(shè)計(jì)風(fēng)速極高，主梁采用兩片縱向分離構(gòu)件，結(jié)構(gòu)上是空腹連接，就像之前汀九橋的構(gòu)造。盡管實(shí)施方案采用雙幅正交異性鋼箱梁方案，但對(duì)采用帶肋混凝土板（強(qiáng)度為60MPa，平均厚度為244mm，橫梁間距為3.75m）的組合梁方案也進(jìn)行了研究（泰勒（Taylor），2001年）。研究表明，對(duì)于距離主塔50m范圍內(nèi)的橋面，為了抵抗軸力和橫風(fēng)產(chǎn)生的橫向彎矩的疊加效應(yīng)，需要將混凝土橋面板板厚度增加到300mm。盡管如此，橫向彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力為25MPa，也大大超過了軸力作用下的15MPa壓應(yīng)力，這表明混凝土板中的拉應(yīng)力超過了開裂強(qiáng)度。通過以上分析，可以清楚地看到，當(dāng)組合梁橋跨度達(dá)到約1000m時(shí)，主梁橫風(fēng)彎矩和軸向力的組合效應(yīng)是主梁設(shè)計(jì)的一個(gè)控制工況（Taylor，2001年）。昂船洲大橋混凝土邊跨跨徑僅為主跨的30％，這增加了豎向剛度和橋面面內(nèi)剛度，對(duì)于施工期間平衡主跨至關(guān)重要。 目前正在建造的伊斯坦布爾博斯普魯斯三橋也采用相同的設(shè)計(jì)理念。該橋主跨采用1408m的全鋼主梁，跨中部分采用懸索吊桿支撐，其余部分采用斜拉索支撐，邊跨為300m長的混凝土梁，主纜采用地錨。博斯普魯斯三橋使斜拉-懸吊協(xié)作體系橋型煥發(fā)了活力。這種設(shè)計(jì)方案非常少見，將來可能會(huì)與組合梁一起使用。 多跨斜拉橋也有望取得重要發(fā)展。希臘Rion-Antirion橋采用了三個(gè)連續(xù)560m主跨，具有纖柔的疊合主梁和剛度非常大的橋塔，極具視覺沖擊力。這種設(shè)計(jì)具有巨大的潛力，正如最近的昆斯費(fèi)里大橋和費(fèi)馬恩海峽大橋所采用的，因?yàn)樗梢钥缭綆坠锒鵁o需采用特別大的跨徑。 在鐵路橋梁領(lǐng)域，組合梁也可以發(fā)揮重要的作用。鐵路橋需要?jiǎng)偠容^大的橋面板，同時(shí)當(dāng)橋面較窄時(shí)還存在抗風(fēng)問題。針對(duì)這些特性，較正交異性鋼板，混凝土橋面板能給主梁提供更大的剛度，也能更好的承受活載，具有一定的優(yōu)勢。在不久的將來，正如葡萄牙塔霍河三橋（GRID，2009; Reis，2008）以及連接德國和丹麥之間的費(fèi)馬恩海峽大橋的研究表明，組合梁斜拉橋肯定可以在鐵路橋梁領(lǐng)域有所建樹（Femern A / S，2011年）。 對(duì)于費(fèi)馬恩海峽大橋，雖然后面研究了全鋼斷面，但首先是研究了主跨724m的鋼混組合桁架斷面（圖20）。最后，橋梁方案也沒被采用，將采用沉管隧道方案建設(shè)。組合桁架斷面，火車在下層行駛，汽車在上層行駛。主梁高12.9m，寬28.7m，長細(xì)比為56，與其他鐵路組合桁架斜拉橋接近。   圖20 （a）德國和丹麥之間Fehmarn皮帶橋解決方案預(yù)覽 （由Jens Villemoes提供） （b）橋面橫斷面 里斯本的塔霍河第三通道方案研究了公鐵合建雙層橋梁，全長7公里，包括了兩條高速鐵路和兩條普通鐵路線（圖21）。目前，該項(xiàng)目由于資金原因暫停。該通道斜拉主橋主跨為540m，采用高11.4m的鋼混組合桁架斷面，橫向懸掛有兩個(gè)斜拉索平面（每個(gè)索面中有兩個(gè)斜拉索）。  (a)  圖21 （a）里斯本第三座塔格斯河跨河大橋概念圖 （由GRID Consulting Engineers提供） （b）橋面橫斷面 塔霍河三橋主梁將由兩片垂直桁架組成，弦桿和焊接圓形斜桿采用S460N/NL鋼。為了將斜拉索錨固在上層橋面，橫梁每隔15米外挑至弦桿外，錨固以錨固拉索。設(shè)置斜度相同的拉桿將載荷從斜拉索錨固力傳遞到下弦桿。上、下層橋面板均在弦桿間設(shè)置了四個(gè)縱梁，縱梁將參與主梁的整體抗彎，縱梁會(huì)減少弦桿的軸向力，但會(huì)增加橫梁的橫向彎矩。橫跨在橫梁和縱梁之間的混凝土橋面板將與上部和下部鋼框架組合后共同受力。盡管橋梁主跨跨徑水平通常是橋梁比較分析的基準(zhǔn)，但該橋的獨(dú)特之處是針對(duì)具有四條鐵路線的主梁提出的結(jié)構(gòu)解決方案，這在鐵路斜拉橋領(lǐng)域是出類拔萃的設(shè)計(jì)。 6.結(jié)論 主跨400–600m范圍內(nèi)，組合梁斜拉橋是一種非常有競爭力的橋型。在過去的25年中，該領(lǐng)域的研究取得了矚目的進(jìn)展，主要是用于雙鋼板縱梁、密橫梁支持鋼筋混凝土板的公路橋。在未來，通過組合縱向鋼梁或鋼箱梁和高強(qiáng)度混凝土橋面板進(jìn)行組合，組合梁肯定將進(jìn)一步向大跨發(fā)展。在鐵路橋梁領(lǐng)域，組合梁桁架斜拉橋也有望進(jìn)一步得到應(yīng)用，該斷面已經(jīng)被證明是大跨度、高剛度橋面板的有效解決方案。 翻譯：沈旭東 編輯：董佳霖 審核：王昌將 |
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