[科普中国]-混凝土斜拉桥

混凝土斜拉桥的发展状况

斜拉桥的最早工艺技术发展于德国。一些重要技术进展也都在50年代与60年代中出现在德国，而且建筑材料以钢为主。

90年代在法国的世界最大跨度斜拉桥（诺曼底大桥）与日本的一些杰出的斜拉桥中，斜拉桥的工艺技术正在继续得列发展。建桥材料仍以钢为主。但世界上的某些国家与地区，由于当地的工业、技术、资源与传统的关系，倾向于修建混凝土斜拉桥，我国也是这佯。实际上，混凝土斜拉桥的确也有它自己的一些优点，因而在中国与南美、法国、西班牙、意大利、瑞士、美国以及近期的挪威已经出现许多受人注意的优美的混凝土斜拉桥，包括就地浇注的和预制拼装的。杰出的例子如我国的石门桥和武汉长江公路大桥，意大利的波尔塞弗拉(Polsev—era)高架桥，阿根廷的凯哥柯林茨(ChacoCorrientes)桥，法国的勃鲁东(Broto,me)桥，美国的PK(Pasco—Kennewick)桥，东亨丁顿(巳Huntington)桥，西班牙的卢纳(Barriosde Luna)桥，墨西哥的柯察考尔科斯(Coatzacoalcos)桥，阿根廷的PE(PosadasEncarnaeion)桥，美国的达姆岬(DamesPoint)桥与阳光高架(SunshineSkyway)桥，以及挪威的斯卡恩圣特(Skarnsundet)桥和赫尔格兰特(ttelgeland)桥。

在世界范围内，混凝土斜拉桥的发展虽比钢斜拉桥晚一步，但在跨度方面并不落后于钢斜拉桥。当钢斜拉桥的最大跨度于1985年之前，尚停留在404m（法国的圣·纳泽尔桥）时，混凝土斜拉桥的最大跨度在1983年时已经达到440 m（西班牙的卢纳桥）。到90年代初，挪威的斯卡恩圣特桥以530 m的跨度雄居世界混凝土斜拉桥的首位，而当时钢斜拉桥的最大跨度尚未超过500m大关，直到1994年末日本才建成主跨510m的鹤见航道桥，仍未超过530m。

从长远的发展观点来看，混凝土斜拉桥的最大跨度要小于钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥。

我国由于国情关系主要发展混凝土斜拉桥。到80年代末，我国已建成混凝土斜拉桥约30座，约占世界斜拉桥总数的1/10或混凝土斜拉侨的1/5。但我国混凝土斜拉桥的最大跨度在80年代中尚未突破300m，最大跨度为260m的天津永和桥。进入90年代后，我国混凝土斜拉桥便越过300~400 m级，一举迈入400~500m级。1

混凝土斜拉桥的特点(1)恒载

钢斜拉桥上部结构的恒载最轻。上部结构的恒载对总的造价是比较敏感的，因为它会影响斜拉索、主塔及基础的截面尺寸。但上部结构的恒载对其本身造价不一定有很大的影响，除非跨度特别大。因为由于钢结构恒载较轻，所能节减的造价很容易被其他一些因素抵消，这些因素对上部钢结构是不利的。 ·

(2)上部结构的质量

跨度很大时，桥梁上部结构的空气动力性能开始控制设计。质量就是能改善截面抗风性能的一个特征，并且比其他改善空气动力稳定的方法，如导风构造或质量阻尼器等更为有效和重要。

(3)材料阻尼

材料阻尼也能改善空气动力性能，虽然桥梁上部结构的钠与混凝土的材料阻尼相差并不太大。钢斜拉桥上部结合通常假设它具有极限阻尼值0.1%。近代PC斜拉桥或结合梁斜拉桥的上部结构，拥有处于高三维应力状态的高强度混凝土．在小振幅(150mm)时一般具有0.3%的汲限阻尼值。固然，混凝土的阻尼值在振幅较大时才可能会增大，但是在实际空气动力性能验算中，只需考虑小振幅时的结构阻尼值。

(4)徐变与收缩

时程对混凝土斜拉桥与结合梁斜拉桥的影响是较大的。在混凝土桥梁中它们首先：降影响上部结构的长期几何线形变化，并在一定的程度上使上部结构中的恒载弯矩有所改变。在结合梁斜拉桥中收缩与徐变还会另外长期改变混凝土截面与钢截面两者共同承受的轴向力之间的比例。

上述情况直接与材料的徐变系数及收缩系数有关。这些系数最好在准备用于桥梁的混凝土级配试件上测得。试验应在工作中尽早开始准备。

(5)耐久性

桥梁上部结构的耐久性将受到初步（概念）设计、详细设计以及环境中许多因素的影响。然而，桥梁设计的结果将使大部分桥梁在各个组成部分的寿命终了之前就在技术上和功能上变成无用。除了采用耐候钢材之外，根据当地的环境条件钢桥每隔10到20年需油漆一次。混凝土桥不需油漆，但是如果腐蚀渗入混凝土而达到钢筋处时，修复的费用将远远超过钢桥的油漆。细节上的充分注意，如采用较厚的混凝土保护层、用分布钢筋来控制裂缝、施加后张预应力以及在梁体桥面中使用涂有环氧树脂的钢筋等，都能增加混凝土桥梁的耐久性。

以上措施将在桥梁的寿命价值上受益，这只需在基本投资上增加一笔较小的数目。

(6)关于改造

钢斜拉桥与结合梁斜拉桥的另——优点是它们易于改造。对既有钢桥的构件采用现场钻孔栓接或进行焊接是可以仿到的，它可得到足够的连结强度并且不影响既有构件的强度。这种易变性是钢结构构造上的一个很大的优点。改造混凝土桥梁就不能如此地容易进行，囚为难以采用这种方法去连结，势必要为锚固补强钢筋或后张预应力筋而在早已密布钢筋和预应力筋的截面中进行钻孔。

(7)关于施工

方便施工对斜拉桥来说足一个主要的造价参数。钢的桥梁构件可以在工厂内制造得尺寸很梢确．并易于在工地栓接。几何；尺寸的精确与连结的方便有助于控制桥梁线形与加快施工速度。

预制的预应力混凝土构件同样可以保持线形和方便施工，虽然它的连结一般是采用将构件粘拼后再施加后张预应力。这比钢构件的栓按稍微复杂一些，因为混凝土构件在充分对连结处施加预应力之前，被连结的构件不能支承自己的重量，而钢结构在按头处一经插上铰销后就呵负担其自重。

就地浇注混凝土的情况就大为不同。这种桥梁的新浇注构件在它达列足够的强度之前不能承受它的自重，这意味着要等待几天或几个星期的时间去支承它的自重后才能再继续向前施工。另外，对就地浇注构件的结构线形要更加注意它的恒载变形、徐变及收缩等的影响。

就地浇注混凝土的工作还与气候有关。混凝土的强度增长对环境气温很敏感，这在冬季会严重影响施工进度。1

混凝土斜拉桥的构造特点拉索的布置：

（一）辐射式

这种布置方法是将全部拉索汇集到塔顶，使各根拉索都具有可能的最大倾角。由于索力主要由垂直力的需要而定，因此斜技力较小，这将减少拉索用钢量；外索以内的其它各索拉力较小，使锚头及张拉都易于处理；拉索能担负最大的荷载作用力。而且绞结的辐射索使结构形成几何不变的体系，对变形及内力分布都有利。

这种做法的缺点是：有较多数量的拉索汇集到塔顶，将使锚头拥挤，构造处理较困难；塔身从顶到底都受到最大压力， 自由长度较大，塔身刚度要保证压曲稳定的要求。

（二）平行式

这种形式中各拉索彼此平行，因此各索倾角相同。各对拉索分别连接在塔的不同高度上，于是索与塔的连接构造易于处理；由于倾角相同，各索的锚固设备构造相同，塔中压力逐段向下加大，有利于塔的稳定性；各索平行因此各个方向上看来，索都没有交叉，外形上较整齐美观。

但是，这种形式索的用钢另：最大；由于各对素拉力的差别，将在塔身各段产生较大的弯矩；由于是几何可变体系，对内力及变形分布较不利，不过可以用在边跨内设辅助墩的办法来改善。

（三）扇式

扇式是介于辐射式和平行式之间的形式，一般在塔上和梁上分别按等间距布咒，兼顾了以上两种形式的优点而减少缺点，因此有较多的斜拉桥采用这种形式。

（四）星式

星式在美观上具有突出之处，不过这种作法将拉索集中朴梁的一点上，既使构造复杂又不符合尽显将连接点沿梁纵向分开以减小跨径的原则。

若斜拉桥边跨不大时，在边跨部分采用星式布索，中跨采用扇式，形成组合索，则可以增大桥梁的整体刚度。

在拉索布置中还应该注意到，斜拉索是一种外露的预应力钢束，利用增加高度来加大力臂，因此应放在梁的受拉一边，以利承担正、负弯矩。2

混凝土斜拉桥的抗风性能主梁截面形状与宽高比钢斜拉桥的主梁可以作成抗风性能较佳的扁平六角形（流线型）钢箱梁。混凝土斜拉桥的主梁根据需要可以浇注成任何形状的截面。实际上已有大量实践的带仲臂桥面板的倒梯形(斜腹板)混凝土箱形截面，其抗风性能并不比扁干六角形钢箱形截面逊色。准三角形截面与三角形截面的混凝土箱梁，其抗风性能更胜一筹。

从抗风性能的观点来看，对梁体的宽高比值希望尽量大一些，作成比较扁平的形状。钢斜拉桥的梁高H一般为2~3 m，根据车道的多少宽高比一般在5~10之间。混凝土斜拉桥的梁高也可做得很小，其宽高比通常与钢斜拉桥大致相同，也在5~10之间。最近出现的板式混凝上梁截面的宽高比已突破10。

综上所述，无论是截面形状或宽高比，混凝土斜拉桥的抗风性能均不比钢斜拉桥差。

梁重与固振频率钢斜拉桥单位桥面面积的钢梁重量约为0.35一0.5 t/m2，混凝土斜拉桥的梁重则约为1.4—1.5t/m2，后者约为前者的3~4倍。

对固振频率来说，虽然资料数据尚不多，但从已有资料来分析，混凝土斜拉桥的挠曲振动周期约为钢斜拉桥的1/2.5—1/3，频率则为2.5—3倍。

综上所述，无论是梁重或固振频率，混凝土斜拉桥的抗风性能都比钢斜拉桥优越。

结构阻尼无论是钢斜拉桥或混凝土斜拉桥，结构阻尼尚无足够的实测数据可供参考。英国的抗风设计规范规定钢桥的阻尼系数为δ=0.03，混凝土桥则为δ=0.05。日本大部分桥的设计·分析中假设钢结构的阻尼系数为0。02，混凝土结构的为0.05。

根据以上1~3的比较，可以认为混凝土斜拉桥的抗风性能要比钢斜拉桥优越。1