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斜拉桥发展史及现状综述精品文档从斜拉桥看桥梁技术的发展姓名：马哲昊班级：1403 专业：建筑与土木工程学号：143085213086摘要: 介绍了国内外斜拉桥的发展历史,综述了现今斜拉桥发展的现状,并分析了斜拉桥的结构形式和布置形式及其经济效益，并简述了其中的桥梁技术，对今后斜拉桥的发展做出展望。关键词: 斜拉桥；发展史；现状；展望Abstract: the paper introduces the domestic and foreign in recent decades history of Cable-stayed bridge.the paper summarized the The structure of cable-stayed bridge and the Economic benefits and Introduced the technology of it.the direction of further research in the future was put forward.Key words: Cable-stayed bridge; Review; Looking forward to1.斜拉桥的发展1.1 斜拉桥的历史斜拉桥是一种古老而年轻的桥型结构。早在数百年前，斜拉桥的设想和实践就已经开始出现，例如在亚洲的老挝，爪哇都发现过用藤条和竹子架设的斜拉结构人行桥。在古代，世界各地也都出现过通行人、马等轻型荷载的斜拉结构桥梁在 18 世纪，德国人就曾提出过木质斜张桥的方案，1817 年英国架成了一座跨径为 34m 的人行木质斜张桥，该桥的桥塔采用铸铁制造，拉索则采用了钢丝。以后在欧洲的很多国家都先后出现了一些斜拉桥，如 1824 年，英国在 Nienburg 修建了一座跨径为 78m 的斜拉桥，拉索采用了铁链条和铸铁杆，后来由于承载能力不足而垮塌。1818 年，英国一座跨越特威德河的人行桥也毁于风振。现在看来，这些桥梁的垮塌主要是由于当时工业水平的限制、对斜拉桥这样高次超静定结构体系缺乏理论分析方法和技术手段以及桥梁结构构造存在缺陷。世界上第一座现代化的大跨径斜拉桥诞生于 1955 年，在第二次世界大战结束后，Dischinger 在瑞典设计建成了 Stromsund 桥。该桥主跨 182.6m，全桥采用斜拉式结构，主梁为钢板梁，中间用横梁连接，双塔式，每塔只用了两对高强钢丝拉索，梁上索距 35m 左右，梁高 3.25m 为跨径的 1/56，塔高 28m 为跨径的 1/6.5。这座桥在现代的观点来看虽然在细节上存在着一些不足，如桥面采用的分离的混凝土梁，索塔的造型缺乏美感等，但在桥梁结构上却开创了一个新的纪元，创造出了一种新的桥梁体系，且这种桥梁结构拥有着诸多优点： 用少量拉索取代了深水桥墩，不但节省了费用、降低了施工难度，而且有效的提高了桥梁的跨越能力，利于通航和排洪。 拉索作为主梁的中间弹性支承，使得在桥梁跨径增大的同时，主梁的梁高却可以减小，从而使主梁本身以梁以及段引桥的造价得以降低。 拉索自锚固于主梁上，梁身能够得到免费的预压应力，在很多情况下，尤其对于中等跨径桥梁是有利的，和悬索桥相比还可以节省庞大而昂贵的地锚。 拉索和索塔、主梁组成了多个三角形结构，稳定性高，刚度大。静、动力性能都良好。 整体结构新颖，造型美观。斜拉桥这种新桥型的的出现，以其先进的技术，经济的造价、美观的外形，很快的得到了社会的认同，并在许多国家得到了推广，从 Stromsund 桥建成后的第二年起，诸多有名的斜拉桥相继诞生，且发展的速度很快，平均每年就能完一座斜拉桥的修建。早期的斜拉桥结构大多采用当时盛行的轻型钢结构正交异性桥面板，各桥不仅在形式上不尽相同，各具特色，而且技术构思上也互有区别。在这个过程中，斜拉桥在世界各地也逐渐广泛流行起来。1.2 国外斜拉桥的发展从全世界的范围来看，20 世纪中期，由于结构分析技术的进步、高强材料和新施工方法的应用以及防腐技术的发展，推动了大跨径斜拉桥的发展。从 20 世纪70 年代开始，斜拉桥开始进入高速发展的阶段，直到 20 世纪 90 年代，斜拉的跨径已经进入以前悬索桥适应的特大跨径范围，建造的数量也越来越多。斜拉桥的跨径的世界记录是斜拉桥发展的重要标志。斜拉桥的跨径记录在上世纪 70 年代到 80 年代缓慢发展，从 90 年代开始跨径记录则不断被刷新（表 1.1）。 从全世界第一座建成的斜拉桥瑞典 Stroemsund 桥（74.7m+183.0m+74.7m）开始，欧洲国家开始出现了一系列稀索结构的钢斜拉桥。1957 年德国建成的杜塞尔多夫北桥，跨径组成为 108m+260m+108m，主梁为钢结构，高度 3.12m；钢塔高 41m，横向不设置横梁；拉索呈竖琴形布置，索距为36m。1959 年德国克隆建成的 Severin 桥，主跨 302m，首次采用“A”形主塔，结合斜索面，首次采用主梁漂浮体系，也是首座非对称、独塔双跨斜拉桥。1962 年在委内瑞拉建成了的马拉开波桥是世界上第一座混凝土斜拉桥，该桥由意大利 Morandi J 设计，主跨跨径为 235m，主梁为带挂孔的悬臂体系。20 世纪 60 年代开始，随着计算机技术的广泛应用，密索体系的斜拉桥开始出现，解决了过去稀索体系斜拉桥存在的主梁重且配筋多的缺陷。1967 年德国波恩建成的弗瑞德里西埃伯特桥是单索面密索体系斜拉桥，主跨 280m，该体系的优点还包括锚固点的集中力较小，易于悬臂施工，为期后修建的斜拉桥作出了典范。在密索体系出现后，主梁支撑间距缩短，主梁的高度得以降低，主梁的柔薄化成为了斜拉桥发展的新趋势。特别是对于混凝土主梁而言，梁高的减小对于恒载的降低有尤其重要的意义，例如：1985 年建成的美国 East Huntington 桥，独塔主跨 274.32m，梁板式主梁高1.52m，高跨比为 1/180。1988 年建成的美国 Dame Point 桥，双塔主跨 396.24m，主梁高 1.524m，高跨比为 1/260。1991 年建成的挪威 Skarnsundet 桥，双塔主跨 530m，主梁高 2.15m，高跨比为 1/274。可以看出，斜拉桥主梁的柔薄化，使得高跨比视跨径大小、主梁材料、结构形式等在 1/1501/300 之间变化，甚至可以更低。上世纪末，斜拉桥的发展向着大跨径和特大跨径不断进军。法国 1994 年修建的跨径为 856m 的诺曼底大桥和日本 1998 年修建的跨径为 890m 的多多罗大桥标志着斜拉桥进入了特大跨径领域。斜拉桥的复兴与辉煌也被认为是 20 世纪下半叶桥梁界最重要的事1.3 国内斜拉桥的发展斜拉桥在我国的发展起步较晚但发展速度很快。我国第一座斜拉桥为 1975 年交通部重庆科学研究所设计和指导施工的四川云阳桥。由于尚处“文革”时期，各方面条件受限，该桥是在一座人行吊桥的桥墩和桥塔基础上改建而成的试验桥，桥宽仅能维持单车道 3.75m，主跨跨径 75.84m。虽然该桥在结构和外形等方面存在一定不足，但云阳桥的成功修建为我国斜拉桥的进一步发展提供了宝贵了的经验。19751985 年是我国斜拉桥的起步阶段，在这期间，我国共修建了各式的混凝土斜拉桥 15 座，以 1980 年修建的主跨为 128m 的三台涪江桥和 1982 年建成的主跨 220m 的山东济南黄河斜拉桥为代表。这标志着我国已基本掌握大跨度斜拉桥设计与施工技术。1985 年后，随着国家经济建设和公路交通的发展，我国的斜拉桥建设进入高速发展阶段。尤其在 1990 年以后，全国各地大规模修建高速公路和改渡为桥，迎来了公路建设的第二个春天。临江、城市对跨江河交通的迫切需求，使得跨径适用范围广、外形美观且具有现代感的斜拉桥成为我国跨江、跨河桥型的首选。在这期间，我国斜拉桥修建数量迅速增加。据不完全统计，我国 19861990 五年间造成斜拉桥 33 座，19911995 五年间建成 43 座，19962000 五年间建成 33 座（图 1.1）。如今，我国的斜拉桥发展取得了巨大的成就，主要表现在以下方面： 我国已经成为世界上修建斜拉桥数目最多的国家。目前我国共修建斜拉桥200 多座，约为全世界斜拉桥总数的 1/3。 我国的斜拉桥遍布全国，形式多样。在这些桥中有 50m 以下的小跨径斜拉桥，也有跨径 1000 米以上的特大跨径斜拉桥；有独塔、双塔、三塔、多塔、斜低塔、高低塔等各种塔形；有混凝土梁、钢梁、组合梁、混合梁等各种材料的梁型；有平行索、钢绞线索、刚性索等各种索性和相关锚具，在结构上，我国还创新了一些斜拉桥的结构形式和采用了一些新的材料。 我国大跨径斜拉桥居于世界前列。一般认为，跨径是衡量桥梁建设水平的一个重要尺度。目前在世界目前排名前十位的大跨度斜拉桥中，除日本的多多罗大桥和法国的诺曼底大桥外，其余 8 座打垮度斜拉桥全部在中国（表 1.2）。其中，2008 年建成的苏通长江公路大桥，主跨为 1088 米，是当今世界跨径最大斜拉桥。以上充分表明，中国的斜拉桥建设水平已经跨入了世界先进行列。2.斜拉桥的现状2.1 斜拉桥的类型斜拉桥依据主梁的材料类型,可分为钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、叠合梁斜拉桥及混合梁斜拉桥。在国内建造得最多的是混凝土斜拉桥及叠合梁斜拉桥,而钢斜拉桥及混合梁斜拉桥则很少。近二十多年来,斜拉桥由稀索体系变为密索体系,带来的突出变化是主梁的截面高度变小,因此其质量和抗弯刚度显著减少。对于主梁采用连续体系,边跨主梁抗弯刚度的减小并非有利,特别是对边跨与主跨比值较小的斜拉桥更是如此。因此,需要将边跨主梁的质量与刚度加大,从而减小主跨的内力和变形。而且边跨采用混凝土梁段压重,可减少或避免端支点的负反力。混合梁斜拉桥正是基于这样的思路应运而生的。混合梁斜拉桥是指斜拉桥主跨采用钢梁,边跨采用混凝土梁,混凝土梁与钢梁的连结点一般设在桥塔附近,可以在边跨侧,也可在主跨侧。这种混合型主梁结构满足了中跨与边跨主梁的质量平衡,保证了端索的稳定,也改善了塔柱纵向受力。混凝土箱梁外型与钢箱梁一致,在钢箱梁与混凝土箱梁之间的连接部位设置了一段过渡节段。设置过渡节段的目的在于采取特殊的构造措施来保证钢箱梁与混凝土箱梁既要应力匀顺传递又要刚度匀顺过渡。2.2 斜拉桥的结构体系形式目前,国内斜拉桥主梁的结构体系分为连续体系和非连续体系。主梁采用连续梁形式,可以获得连续梁桥的主要优点。即结构整体刚度好,对抗震有利,行车平顺,变形缝少。目前我国大跨径斜拉桥,绝大多数都采用连续梁形式。主梁采用非连续体系,其优点是可以降低结构的超静定次数,减小主梁由于温差、砼收缩、徐变及桥塔基础不均匀沉陷引起的次内力。但缺点是破坏了桥面的连续性和结构的整体性,对抗震不利。并且容易导致伸缩缝处的跳车现象,而且也增加了施工及其养护的的困难。因此非连续结构形式很少采用。2.3斜拉桥总体布置形式斜拉桥目前最常见的立面布置形式为:双塔三跨式和独塔两跨式。从目前的资料统计来看,国内双塔三跨式斜拉桥以对称式最为普遍。双塔三跨式斜拉桥,其具体布置形式又可分为: (1)用主孔整跨跨越河流,将两个桥塔设在岸边,两个边跨设在岸上。(2)两个桥塔设在河道中,用三孔来跨越整个河道或主航道。独塔双跨式斜拉桥一般采用非对称形式(双跨不等跨,边跨为锚固孔),适用于跨越中小型河流及城市立交。依据目前国内资料的统计,它的主孔跨径在70 m160 m之间。独塔双跨式斜拉桥,由于边跨可以处理成锚固孔,即将边跨最外索直接锚固在支座上形成端索,有效地限制塔顶的侧移,将主跨内的荷载传到支座上。同时端索在恒载作用下储备足够的初始索力,减小了索自重引起的垂度对轴向刚度的影响,起到了提高结构整体刚度的作用。采用非对称布置形式,使得构件整体上以受轴向力为主,充分发挥斜拉桥的优势,是一种经济合理的做法。采用独塔双跨式布置形式,有两种做法:第一种采用两跨跨越河道,将桥塔置于河道中;第二种采用主跨跨越河道或主航道,将桥塔及边跨设在河流的一岸在斜拉桥总体布置中,有两个主要的技术问题需要妥善处理。2.4 主梁截面形式钢梁的截面形式与斜索的空间布置形式有关。对于双索面,钢梁截面形式分为以下五种: (1)双工字形边主梁,两主梁之间用多道横梁和桥面板连结。(2)单箱单室箱梁,箱室内有加劲斜撑。(3)双箱单室边箱梁,两箱之间用多道横梁及桥面板连结。(4)单箱多室箱梁。(5)流线型扁平箱梁。对于单索面,钢梁截面形式基本上为以下两种: (1)单箱单室或多室截面。(2)流线型扁平箱梁。混凝土斜拉桥常用的截面形式为以下几种: (1)双主梁。混凝土边主梁呈矩形或梯形,两主梁之间由混凝土桥面板与多道混凝土横梁连结,斜索直接锚固在主梁中,适用于双索面桥。(2)双箱梁。混凝土边箱梁,两箱之间由混凝土桥面板和多道混凝土横梁连结一体。为了有利于抗风,可将外侧腹板斜置,斜索锚于箱梁边腹板上。适用于双索面斜拉桥。(3)单箱多室。单箱多室截面既适用于双索面斜拉桥,也适用于单索面斜拉桥。所不同的是,双索面时应将两个中间腹板尽量拉开,使中室大于边室,目的是获得较大的截面横向惯性矩。而对单索面应尽量靠拢,借以方便地将斜索锚固在较密的中室内。(4)准三角形混凝土三室箱形截面。将一般的倒梯形三室箱梁稍作改变,缩减箱底宽度,增加斜腹板水平投影长度与桥面板伸臂长度,同时将箱内的2个竖腹板尽可能靠近,形成准三角形三室箱形截面。这种截面的优点是,宽高比大,外轮廓接近三角形,对抗风十分有利,较窄的中间箱室,可有效地锚固单索面斜索。2.5斜 索斜索是斜拉桥上部结构的重要组成构件,它对斜拉桥的主梁和桥塔的内力和变形起着重要影响作用。斜索在空间内的布置形式主要有以下三种类型:单索面、竖向双索面、斜向双索面。上述三种索面形式,在我国斜拉桥斜索的空间布置中均被采用,但以双索面为主,约占斜拉桥总数的75%。采用单索面形式,斜索对抗扭不起作用,主梁必须采用扭转刚度大的箱形截面。而且斜索位于桥面中央,势必占据一部分桥面有效行车面积。综合上述原因,限制了单索面斜拉桥的应用。采用双索面形式,作用于桥梁的扭矩可由斜索来抵抗,且双面斜索还可有效地控制主梁在风振下的逆对称扭转振动,因此双索面斜拉桥成为国内大跨径斜拉桥的主要形式。斜索在索面内的形状有以下三种基本类型:放射形(标准扇形)、扇形(半扇形)、竖琴形(平行形)。从目前统计资料看,国内大跨径的斜拉桥普遍采用扇形索面形状,而竖琴形索面形状仅用于中等跨径的斜拉桥,放射形索面用的很少。从力学观点看,三种索面形状以放射形为优,因为它的斜索水平倾角较大,斜索提供的垂直分力对主梁的支承效果最大,斜索水平分力引起的塔的弯矩较小,塔的高度相对其它形式可做得低一些。但放射形斜索的致命缺点是斜索集中交汇于塔顶,导致塔顶斜索锚固构造十分复杂,应力集中很大,施工也很困难。因此也就限制了它在大跨径斜拉桥中的应用。而竖琴式斜索,有整齐的外观,由于所有斜索倾角相同,能使斜索在塔上锚固点分散开来,故斜索在塔上的锚固构造趋于简单化,应力集中小,施工也便利。但竖琴式斜索的突出缺点是由于斜索在塔柱上的锚固点间距较远,倾角平坦,当活载位于中跨时,要靠刚度较大的边跨最外一根斜索作用,构件中弯矩、轴力都较大。而扇形索面的力学性能在放射型和竖琴型之间,故对于大跨斜拉桥,当斜索的根数过多时,采用扇型索面无论从结构上还是外观上都是合理的。早期斜拉桥主要采用稀索体系,由于梁以受弯为主,故需要较大的梁高,斜索的内力与截面也相对较大,给架设和施工带来较大困难。斜索锚固点的构造复杂,为克服锚固点及附近的应力过分集中,需作大规模补强工作,耗材较多。随着结构设计理论、计算机技术,新材料和施工工艺等方面的不断进步,斜拉桥出现了由稀索体系向密索体系的转变。采用密索体系后,稀索体系所造成的上述问题均得到了有效解决。突出的变化是:主梁出现以轴向压力为主的受力状态,截面做得更小,悬臂施工更加便利,容易更换斜索,且不需要中断交通。2.6桥塔布置形式桥塔是斜拉桥的主要构件。桥塔的形状与构造既严重影响着全桥的景观效果,又对结构的整体刚度及受力稳定性具有十分重要的作用。我国大跨径斜拉桥桥塔常用的形式和特点如下:(1)单柱形。单柱形桥塔适用于单索面斜拉桥。优点为全桥外观简洁,桥塔结构简单,塔墩宽度可以减少。缺点是索面在桥面中央锚固所需要的中央分隔带所占宽度较大,桥面的有效宽度减小。单柱式单索面桥塔的横向刚度和抗扭刚度较小,对抗风不利。(2)H形桥塔。适用于双索面。由于横梁位于桥面与塔顶高度中点附近,它对两根塔柱顶部产生的反向水平变位的约束作用要优于双柱形桥塔,对梁体扭曲振幅也有一定的约束作用,而且景观效果也较好。(3)梯形桥塔。梯形桥塔由于在H形桥塔及其附近增设上横梁,因此其横向刚度比H形桥塔大,塔柱的横向压屈自由长度也减少不少。(4)倒Y形桥塔。倒Y形桥塔可适用于跨度很大的两种索面的斜拉桥,由于具有斜塔柱相交后向上延伸的竖直柱段,可以容纳较多的斜索。一般仅利用竖直柱段来锚拉斜索,可以布置成每层单股索(只适用单索面)或双股平列索(双索面或单索面均可)。当用于双索面时斜索成双向倾斜,对抗风与增强全桥横向刚度特别有利。(5)其它形式桥塔。其它形式桥塔指A型、花瓶型、钻石型桥塔。A形桥塔对单索面与双索面皆适用。当用于双索面时,由于两根斜柱在顶部交于一点,不产生塔顶反向水平变位,对缓和梁体的扭曲振动与振幅特别有利。而花瓶形和钻石形桥塔,梁体位置高出墩顶较多,因此是要求桥下具有很大通航净高的斜拉桥的适用形式。2.7边跨的辅助墩设置从结构受力角度来讲,边跨增设中间辅助墩是有利的,将拉索分散锚固在各个辅助墩上,可缓解端锚索的应力集中。通过辅助墩支承、缩短边跨跨径,减小边跨主梁的弯矩,增大桥梁的总体刚度。但施工的难易程度及造价往往是一个制约因素,需要进行方案比较来确定。从资料统计来看,国内大跨斜拉桥边跨设中间辅助墩和不设中间辅墩的两种做法都普遍存在。3 斜拉桥今后发展的展望 大跨斜拉桥,尤其是跨海的超大跨斜拉桥的发展面临许多技术难题的挑战,其主要方面有:3.1超大跨斜拉桥的结构体系及其力学性能问题当斜拉桥的跨度超过2 000 m时,斜拉桥结构有许多特殊的力学问题需要加以解决。如:超大跨斜拉桥的面内屈曲稳定问题;风载下的空气静力扭转发散和侧向弯扭屈问题;主梁的侧向变形和颤振稳定性问题;连续多跨斜拉桥的刚度问题。3.2 轻质、高强、耐腐蚀性高性能材料的开发为减轻超大跨斜拉桥结构的自重,进一步提高跨越能力,轻质、高强、耐腐蚀性高性能材料的研究和开发十分重要。如发展高性能、高强度、耐腐蚀混凝土不仅是发展超跨斜拉桥的需要,也可减少塔、墩和基础的尺寸和造价。另外,纤维加劲塑料(简称FRP)是一种新型复合材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点,因此采用纤维加劲塑料修建超大跨斜拉桥也是今后的发展方向。3.3 超大跨斜拉桥抗灾性能及措施研究对于跨海的超大跨斜拉桥柔性桥面的抗风和高索塔的抗震,均是特别重要的研究课题。另外,斜拉索受风雨振、颤振等振动的影响比较大,表面要采取防止形成雨线的措施以及拉索要有减振的阻尼装置。3.4 施工技术的研究和施工过程控制系统的完善修建超大跨斜拉桥必须试验和研制一些超巨型设备,必须创造新工艺,必须有一套完善的斜拉桥施工计算机控制系统,在斜拉桥的施工过程中对索力、梁和塔的位移、应力均由计算机跟踪控制,确保施工安全和质量。参 考 文 献1 林元培.斜拉桥M .北京:人民交通出版社, 1995.2 周孟波等.斜拉桥手册M .北京:人民交通出版社, 2004.3K.Riok 著，林正清译.斜拉桥M，交通规划设计院内部资料.19864王伯惠.斜拉梁结构发展和中国经验（上）M.北京:人民交通出版社，2004，45公路斜拉桥设计细则（JTG/T D60-12007）.20076陈明宪.斜拉桥的发展与展望J.中外公路，2006，26(4)7王伯惠.斜拉梁结构发展和中国经验（下）M.人民交通出版社，2004，48胡明义.我国长大桥梁技术发展与展望(第十四届全国桥梁学术会议论文集) M.同济大学出版社，2000，11收集于网络，如有侵权请联系管理员删除