魅力無窮的斜拉橋

涇渭書院 2019-07-01

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人們游覽長江風光，沿途千姿百態的長江大橋便是一道靚麗的風景線。萬里長江，從宜賓到上海，已建有近90座長江大橋，細數起來可以發現，斜拉橋獨占半數以上。那么，長江上為什么會建造這么多斜拉橋呢？為了回答這個問題，我們從橋梁結構性能說起。

圖1 長江上的斜拉橋左：南京長江三橋右：蘇通長江大橋

獨特的結構性能

圖2 4種基本體系橋梁

橋梁型式千變萬化，可歸結為梁橋，拱橋，斜拉橋和懸索橋4種基本橋型及其組合（圖2），由主要受力構件和傳力構件組成。直觀來看，橋梁結構中傳力構件越少，性能越好。為此，梁橋在中小跨徑橋梁中成了主角。但從受力看，隨著跨度的增大，受彎為主的梁橋因傳力路徑過長而不再經濟，受軸力為主的結構傳力路徑短，更能發揮材料的性能。所以大跨度橋梁的任務交給了拱橋、懸索橋和斜拉橋。它們本質上都是通過將梁橋的彎矩轉變成軸力來發揮材料性能的。拱橋的主要受力構件為受壓的拱，懸索橋的則為受拉的主纜，但它們都要設置供人車通行的橋面系，擔當傳力構件，增大了結構重量和材料用量。而斜拉橋的塔、梁、索都是主要受力構件，其主梁還直接承受移動荷載作用，由此提高了斜拉橋的性能。拱橋的拱座、懸索橋的錨碇，不僅要承受豎向力，還要承受巨大的水平力，對地基要求高，建設投入大，而斜拉橋的塔、墩基礎主要承受豎向荷載，一般情況下更經濟，更能夠適應各種建橋條件。

圖3 瑞典Stromsund橋

第一座現代斜拉橋（圖3）自1956年誕生以來，歷經了稀索體系向密索體系的轉化（圖4），主梁受力由受彎變為受壓為主。經過材料、構件、構造、體系的改進，斜拉橋的跨越能力不斷提高，由開始的主跨182.6m發展到了現在的1104m。主梁由單一的鋼主梁發展成混凝土梁、組合梁、混合梁等，截面形式多樣，從而使主梁的力學和經濟性能在不同建橋條件和跨徑需求下得以充分發揮。橋塔在形式上，由門形發展成H形、A形、倒Y形、鉆石形等各種塔形，從而改變了斜拉橋的外形和結構性能。在構造上，用不同材料、不同截面形式及其組合，滿足了橋塔結構的各種性能需求。在立面布置上，除獨塔、雙塔外，還發展了三塔和多塔斜拉橋，以性能最優為目標，拓展了斜拉橋的使用范圍。這些變化、組合及其發展使得斜拉橋形式多樣、千姿百態。

圖4 上海南浦大橋

正是斜拉橋跨越能力大，適應性強，剛度大，抗風性能好，經濟美觀等特點，構成了其魅力的內在氣質，也是長江上大量選用斜拉橋的根本原因。

廣闊的創新空間

然而，斜拉橋的魅力還遠不止于上述性能，對設計師而言，其魅力還在于它廣闊的創新空間。

設計師可以根據橋位特點和功能需求，通過塔、梁、索的組合變化，尋求最佳設計方案。重慶東水門大橋（圖5），為了同時滿足機動車和軌道交通，設計師選用雙桁片雙層交通，上層供機動車和行人通行，下層供軌道交通。采用單索面部分斜拉橋體系，不僅充分利用了主梁的強度和剛度，解決了密集建筑群下空間利用和橋隧軌道接線難題，更增大了橋梁的通透性，使結構充滿層次感。

圖5 重慶東水門大橋

斜拉橋塔數的可變性為設計師提供了更多選擇。在建設條件僅適合單邊設塔或僅需設一個邊跨時，可采用獨塔斜拉橋，其跨度一般在100-400m之間；雙塔斜拉橋應用最廣，可因地制宜布置橋跨。塔高、邊跨既可對稱布置，也可不對稱布置，形成高低塔斜拉橋。雙塔斜拉橋合理跨度范圍在200-1200m之間。而在地形比較開闊的深海區域、山谷或其他適合建造多個橋塔的橋位，多塔斜拉橋可供選擇。多塔斜拉橋跨越長度大，經濟性能好，雖然結構剛度較小，但可用剛性橋塔或拉索加勁來提升（圖6）。

圖6 希臘Rion-Antirion橋

設計師還可通過優化選擇主梁和橋塔的材料，提高不同跨徑斜拉橋的經濟性能和競爭力。主跨在200-500m常用混凝土梁或組合梁，400-700m常用組合梁或鋼梁，超過700m則多用鋼主梁，邊、中跨比小的大跨度斜拉橋，可采用中跨鋼梁，邊跨混凝土梁的混合梁形式，來提高結構的性能。設計師通過索力調整，還可以有效優化斜拉橋主梁、橋塔的受力及其分配，充分發揮材料性能。

為了將斜拉橋性能發揮到極致，設計師可以將斜拉橋與其他型式的橋梁進行組合，形成斜拉-懸吊協作體系等多種組合體系橋梁。土耳其博斯普魯斯三橋(圖7)，為了具備公鐵兩用橋的結構性能，設計師采用斜拉橋與懸索橋協作的組合體系，提高剛度，降低造價，實現了主跨1408m的跨越。

圖7 博斯普魯斯三橋

可見，斜拉橋賦予了設計師廣闊的創作空間，在各種建設條件下，都能取得力學與美學，性能與經濟的統一，形成獨具魅力的方案。

橋型的繽紛魅力

對建造師而言，斜拉橋的魅力在于它特有的可施工性和較小的施工風險。建造師可以根據建造條件和周邊環境，因地制宜靈活選擇施工方法。懸臂施工法是利用斜拉索逐段吊拉主梁直至合龍，對周邊環境和航道影響小，是最常用的斜拉橋施工方法。主梁無論現澆還是拼裝，都能充分發揮斜拉橋的受力特點。

在特定條件下，建造師也可采用轉體施工，即先將橋梁結構在非設計軸線位置上進行制造，后通過轉動體系，旋轉安裝至設計位置。我國已有多座斜拉橋用此方法跨越既有鐵路，有效解決了復雜環境下橋梁跨線的施工難題。

此外，可采用頂推施工、支架施工等工法來加快施工進度、提高施工效率。法國的Millau橋采用了主梁頂推的施工工藝（圖8），使輕巧的結構設計與巧妙的施工方法得到了完美的融合，令人嘆為觀止。

圖8 法國Millau橋的頂推施工

對業主而言，斜拉橋的經濟、耐久性能也極具吸引力。不同種類斜拉橋的經濟適用范圍涵蓋了100～1200m跨度范圍，業主可以根據需要挑選合適的橋型來減小投資。纜索支撐橋梁中的拉索是結構的主要受力構件，斜拉橋的拉索具有可更換性，在運營過程中，如發現拉索出現疲勞、腐蝕等影響結構安全的問題，可更換新拉索，用最小的代價延長結構的服役期。

圖9 香港昂船洲大橋

民眾，既是橋梁的使用者，也是橋梁的鑒賞者。人們不僅關心出行的安全與便利，也在乎橋梁的舒適和耐久，更關注橋梁的景觀及美感。斜拉橋兼備這些特質。它那變化多樣的梁塔形式，在不同場合巧妙組合所顯示出的空間感和藝術感染力，給人以美的享受。香港昂船洲大橋采用獨柱形橋塔和雙箱分離式主梁，相得益彰，簡潔明快，又充滿現代感（圖9）。瑞士森尼伯格橋（圖10）作為山區橋梁，它甘愿放低姿態，把美隱藏在群山峻嶺之間。南京青奧會橋，雖然只是座人行橋，但它象征著運動、青春和友誼，每到華燈初放，兩只橢圓形橋塔在夜幕下綻放出迷人的光芒，猶如一對明亮的眼睛，于是南京市民送其雅號“南京眼”。類似的例子舉不勝舉。