21世纪特大跨径桥梁的展望

　　本文为了纪念父亲周念先教授，他在生命最后的一刻还念念不忘发展中国的桥梁事业，在87岁高龄、双目失明的情况下，还发表了“21世纪斜张桥的展望”一文。本文中的斜张桥与协作体系引用了他的观点。

　　随着世界经济的快速发展，大跨径桥梁的建设在20世纪末进入了一个高潮时期。从表一和表二看，前十位的斜张桥都是90年代建成的，就是已有一百多年历史的悬索桥前十位的大部份是在80-90年代建造的。目前的桥梁TRANBBS技术已经能较好的解决现存问题，但是桥梁跨度不断增大，向着更长、更大和更柔方向发展，为了保证桥梁的可靠性、耐久性、行车舒适性和TRANBBS施工简易性还有大量的工作要做。

　　从1883年建成美国布鲁克林桥（主跨488米），近代悬索桥已有约120年的历史，特别是1940年美国塔可马旧桥被不大的风速吹毁，大力研究桥梁风致振动问题以来悬索桥有了很快的发展。1964年建成的塞文桥首先采用了流线型的扁平钢箱梁，它抗风性能好、重量轻、制造简便、其造价比桁架梁少15%、维护费用低。

图1　流线型的扁平钢箱梁

1970年建成的丹麦小海带桥，采用了箱梁内部的空气干燥装置，起了很好的防腐作用。对于公铁两用的双层桥面仍用钢桁架结构，1997年建成的香港青马桥，在桁架两侧还装有不锈钢风嘴，并且在横断面中心处留有通风通道，减少主梁上下气压不平衡，防止升力和升力矩过大，对于提高风动稳定性有很大的好处。

图2　青马大桥加劲梁

1959年建成的法国坦卡维尔桥首次采用中间铰和中边跨连续加劲桁架的方法，提高了整体刚度和防止跨中短吊索疲劳破坏。采用与不采用中间铰的方法，我们在千米跨度以上的大桥做了初步比较，活载挠度减少约7％，梁端水平位移减少7-8cm。1998年建成的丹麦大海带桥为了控制纵向位移采用了大型阻尼器约束。减少施工和运营期主梁和塔的振动影响。在诺曼底桥、明石大桥、来岛大桥等都采用了调质阻尼器等抑振装置，起了很大的作用。

图3　TMD装置示意图

在主缆架设上日本首创采用预制平行钢丝索股法（PPWS），大大提高索股架设质量和速度，江阴长江大桥主缆孔隙率达到了16.6%。由于1994年发现日本濑户大桥主缆钢丝在五年内发生锈蚀，日本采用了主缆干燥方法。吊杆的防腐也引用了斜张桥的斜拉索防腐的工艺。在悬索桥的锚碇基础方面也发生了突破，丹麦小海带桥把锚碇做成拖板式扩大基础以紧密砂砾土为持力层，以后的大海带桥也相应采用类似的方法，控制锚碇水平位移，从架设主缆开始到通车一年，水平位移量分别为1厘米和3厘米；江阴大桥由于软基较深，采用沉井为基础，其相应时段的水平位移4.8厘米，沉降2.3厘米，而这位移大部份是施工时体系形成时完成，对主桥的内力影响不大。在土基上建造锚碇的还有明石海峡大桥、亨伯桥和维拉扎诺桥。

图4　北锚鞍部散索鞍沉井顶面时间-位移过程图

　　从1945年瑞典建成了主跨185米的斯特劳姆桑德钢斜张桥，1962年委内瑞拉建成了5孔236米的马拉开波混凝土斜张桥以后，斜张桥的建设取得辉煌的成就。从目前来看，200-650米跨度的公路桥（铁路桥在400米以下）中，斜张桥是较佳的方案，甚至跨度不在这范围的也用斜张桥的方案。斜张桥的外形结构和构件材料的选择范围比悬索桥大得多，索塔形状有独柱、A型、倒Y型、菱型、双菱型、H型等；主梁有混凝土箱梁、钢箱梁，带纵横肋的混凝土板，混凝土桥面板与钢纵肋结合的结合梁，主跨为钢箱梁和边跨为混凝土的混合梁等构制。拉索体系有单索面，双垂直或双倾斜索面。特别是发展为密索体系加劲梁以轴力为主，加劲梁可以用预应力混凝土梁，降低造价，同时使拉索锚固简化，施工方便。因为斜张桥有比悬索桥更好的抗风性能，对梁的外形不那么苛求。最近，斜张桥有新的发展，跨度突破千米的香港昂船州桥和中国的苏通长江公路大桥将要开工建设。

　　在400米以下的中小跨度斜张桥要特别注意发展独塔斜张桥（2000年建成的台湾高屏溪桥主跨为330m混合梁的独塔斜拉桥），它可以省去一个桥塔，独塔可以选择在地基条件较好的一岸，从而降低了塔基造价；独塔斜张桥的主梁由于平衡孔只须一个，主梁总长比双塔的短；独塔斜张桥在抗震中不象双塔考虑地震波相位差那样严重；独塔斜张桥的整体刚度较高，容易取得更好的抗风性能和活载挠度较小，无索区的长度也可较长；拉索用量和双塔相当。

图5　宁波大桥

　　独塔斜张桥更容易做得美观，并与景观协调。但是要注意以下几点：

　　1、主梁应做成流线型，梁宽/梁高>10，至少也要≥8。

　　2、塔型最好用A型或倒Y型。

　　3、在平衡双悬臂施工时，由于中孔倾复力矩较大，应尽早在边孔建临时拉力墩或主塔后倾一点，做足边孔主梁截面甚至加压重以增加稳定力矩，而中孔预制面板可以后安装。

　　大跨径斜张桥由于斜拉索张力的水平投影到主梁，造成在塔处主梁跟部的压力很大，不仅压应力过大，还可能造成压屈失稳。主跨856米的法国诺曼底大桥在边跨和塔处主跨侧116米长的主梁为C60的高强混凝土箱梁，能经济地承担巨大的压力。而主跨890米的多多罗大桥则采用加大钢箱梁截面积起了同样的作用。

图6		图7

长柔的拉索易发生独立索振动和非线性变形增大，在诺曼底桥采用了斜拉索上垂直方向布置辅助加固索（二次索）并在跨中附近的拉索根部布置缓冲器。在长拉索上还布置了抗风振阻尼器。为了便于斜拉索的更换和防腐，每根斜拉索采用若干根平行钢绞线组成，更换时钢绞线可以一根根地换，但是，斜拉索直径加大，所受风荷载也相应大，不利于抗风。为了防止斜拉索的雨振发生，要使斜拉索保护的套管做得粗糙一些，多多罗桥的斜拉索面上包微凹状聚乙稀材料，而诺曼底大桥则在套管上布置了螺旋肋不让造成雨振的雨线发生。跨度加大，同样宽的桥面侧向刚度减少，在斜张桥中采用了侧向倾斜的索平面布置，大大减少侧向位移的幅度。

　　近来，大家都关注着一座构思非常大胆但结构处理又十分精细的大桥建设项目，这就是跨越希腊科林斯海峡的里翁--安蒂雷翁大桥。它建造在欧洲地震活动的频发地区，地基上的地震最大加速度为0.5g，海峡两岸正以8mm/年的速度发生着地壳的相对变化。该桥位的水深为50~65m，基岩于水面以下800m，必须在砂和粘土互层的冲积地基上建设基础。因此，在TRANBBS设计中允许基础和地基之间的滑动，提前预料断层位移，还要考虑万吨海轮的船撞等问题。同时考虑了建设费用问题后，选择了四塔五跨的连续斜拉桥结构。主桥跨径布置为286+3×560+286m（图8），全漂浮体系，两端是简支。

图8

主梁为钢和混凝土面板的叠合图梁，主梁在纵向和横向都有位移阻尼系统。在90m直径的圆形扩大基础下，有更大范围的钢管桩群来加固地基，两者之间为砾石垫层，在有地震或位移时可以产生滑动和缓冲，起了隔震的作用。如果主塔基础不滑动，那么桥上就会作用很大的地震力，使结构难以抵抗，而现在的处理方法，能消解巨大的地震力，而且也不会发生成为问题的塑性变形。（图9、图10）

图9		图10

　　随着力学的发展，悬索桥计算理论由弹性理论到挠度理论到有限位移理论（表三），1980年以来，有限位移理论随着计算机的发展，用非线形杆系有限元分析法分析，考虑了悬索桥几何非线性的影响因素，考虑了荷载作用下的结构大位移，力与变形非线性关系，考虑了缆索自重垂度的影响；缆索变形比直杆单元大，也考虑了初始内力的影响，不再采用叠加原理，对悬索桥特别要注意横向荷载下的结构分析。除了发生横向变形外，由于吊点与扭转中心偏离，还要发生扭转变形，由于悬索桥长而柔（主缆是几何可变的），偏载产生的影响比较大，同时带来加劲梁的扭转，有单独考虑扭转效应的分析理论和同时考虑偏心荷载引起的耦合变形效应的分析理论，所以现在还发展空间三维有限元分析。正在研究材料非线性影响分析，对特大桥和高速风时还应考虑静风荷载的非线性影响。静风荷载非线性主要是指随着风速的增加，结构发生扭转变形，导致风与结构的有效攻角变化，并引起作用于结构的静风荷载改变，即升力荷载增加，结构向上运动，重力刚度下降，导致结构区域发生显著的软化，颤振临界风速降低，发生空气静力失稳。在悬索桥受力分析，特别要注意动力分析，它包括抗地震分析和抗风动振动的分析。

　　不论是悬索桥和斜张桥向特大跨径发展，不仅给施工带来更大的难度，而且静力和动力的非线性问题，侧向稳定问题，风致振动问题，地震响应问题和悬索桥的锚碇与斜张桥主梁根部巨大的轴向压力都十分突出。不仅要进一步研究分析它们规律和危害，研究对策，更重要的是要在体系上采取措施，改善受力条件；发展新材料，采用高强、低松驰、耐腐蚀的材料；在理论上和计算方法进一步突破，准确的分析提高可靠度。

二、二十一世纪的展望

　　在世界经济全球化的推动下，沟通洲际之间，国家之间和本土与岛之间以及跨海湾工程显得越来越迫切。就以中国来说，同江至三亚主干线上就要有五个跨海工程--渤海湾跨海工程，长江口越江工程，杭州湾跨海工程，珠江口伶仃洋跨海工程以及琼州海峡工程。其中琼州湾海峡工程最困难，有20Km的海峡宽度，平均水深60m，加上灾害性的地震和台风的频繁袭击以及复杂的地质条件。还有大陆与舟山群岛、青岛与黄岛，甚至大陆与台湾的联岛工程。还有众多的越长江，黄河，珠江等大江大河的桥梁工程。在世界上洲际之间的直布罗陀海峡、博斯普鲁斯海峡，白令海峡等艰巨的工程，还有意大利墨西拿海峡，日本东京湾和伊势湾海峡，北欧各国之间和德国到丹麦的菲马海峡大桥。在20世纪桥梁工程取得了大发展的基础上，人们更能畅想21世纪的宏伟蓝图。

　　项海帆院士在谈到这个问题时，特别强调“知识经济时代的桥梁工程建设”将具有以下一些特征：首先，在桥梁的TRANBBS规划和设计阶段，人们将运用高度发展的计算机辅助手段进行有效的快速的优化和仿真分析，虚拟现实技术的应用使业主可以十分逼真地事先看到桥梁建成后的外型、功能，在模拟地震和台风袭击下的表现，对环境的影响和昼夜的景观等以便于决策。其次，在桥梁的制造和架设阶段，人们将运用智能化的制造系统在工厂完成部件的加工，然后用全球定位系统（GPS）和遥控技术，在离工地千里之外的总部管理和控制桥梁的施工。最后，在桥梁建成交付使用后，将通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全和正常运行。一旦有故障或损伤，健康诊断和专家系统将自动报告损伤部位和养护对策。

三、新桥型的构思

　　从目前来说，不管悬索桥还是斜张桥跨度要有较大幅度的增长都有一些难以克服的难题。悬索桥在施工中虽然比较稳定，但成桥后风动稳定性较差，锚碇难度增加，特别是跨海工程，锚碇要设在相当水深的水中，工程浩大。而斜张桥可以省去锚碇，风动稳定性优于悬索桥，但是在施工中大悬臂施工稳定性差，塔处主梁轴向压力过大，还会有压曲失稳的问题。

图11　双索斜拉桥原理图

　　虽然J.Mmuller教授提出了双索斜张桥的方法：将悬臂一定长度以后的梁体节段，其拉索通过塔顶锚固于边跨的锚固墩上而不是边跨梁体，而拉索拉力的水平投影分力由另外的张拉力来平衡，不传到塔处主梁截面上，使梁的轴向压力大大减少，但是这样方法施工上还有一定的难度。

　　由于斜张桥是一个自锚体系，在跨海长桥中，人们很容易想到的是多跨斜张桥，一种是类似于马拉开波桥的型式，用刚度很大的塔支承每一个悬臂部份，在两塔的悬臂端间设一简支挂孔。希腊的里翁--安蒂雷翁桥是560米跨径的连续全漂浮体系，另一种是多跨斜张桥主梁是连续的，中间塔的刚度放大或者在中间塔顶有拉索锚固于边跨桥台上或边跨塔的塔梁结合处。后者就是香港汀九桥，它中间跨也达到448和475米。当要求跨度较大时，塔顶用辅助拉索是比较经济的方法，但是这样的桥每跨跨度不能太大，而且中间塔的基础难度也较大，特别是辅助拉索至关重要，如一侧拉索松驰或断裂将对桥的安全带来很大危害。对于多跨连续悬索桥中，为了限制局部孔跨加载状态下的梁体挠度以及改善动力性能，中间桥塔需要有足够的刚度（它的增大主要是塔型在顺桥向由I型改为A型来取得）。这种连续形式的桥型深水基础还要有一套防撞设施才行。特别是在软基和强台风地区中实施的难度更大。不过在地质条件好，通航要求允许时，这也不失为一个好的比较方案。

图12　汀九桥

　　我们很容易想到是否有一种桥型兼顾悬索桥和斜张桥的优点。虽在18世纪初，建成了一座100米跨度的斜张悬索协作桥，但未被世人所注意。90年代初，法国坦卡维尔悬索桥在加固时采用了这一体系。最近土耳其伊兹密特港口大桥和我国的伶仃洋东航道桥都考虑了这样的方案，就是在塔附近采用斜张桥方法而跨中附近采用悬索桥的悬吊方法，并把悬索主缆中的拉力锚固于边跨末端的锚碇中，这样锚碇受力也大大减少。这种桥型充分发挥了两种桥型的优势，既克服了斜张桥由于悬臂长度加大而引起主梁压力过大的问题，又减少了大跨悬索桥中主缆的拉力和锚碇的工程量（初步估算拉力减少20-30%），还增加了风稳定性。这是因为主梁扭转基频比提高了，混凝土箱梁增加了桥梁与空气质量密度比，主缆、桥塔和拉索能分担主梁从导流中吸收的能量，增加结构抗风能量，提高了颤振临界风速。从经济性来说，协作桥锚碇可以减小，斜张桥或部份主梁还可以高强混凝土替代钢箱梁，主缆和拉索的钢丝用量可以节省，所以在同济大学做的伶仃洋东航道桥斜张悬索协作桥方案投资比相近跨度的江阴长江大桥还要少。然而，在这组合结构中，吊拉结合部竖向刚度变化大，两端边吊杆产生较大的交变应力，容易引起疲劳破坏，要特别重视。可采用扩大吊杆范围与拉索交织在一起，和在边跨增加辅助墩，可以提高协作体系的结构刚度，减少活载内力和位移，从而减小它的交变应力幅度，避免吊杆的疲劳破坏。同时，也可以减小吊杆工作的平均应力，提高它的疲劳安全度。

图13 伶仃洋桥方案图

　　对于特大跨度桥梁要研究与解决的主要课题是上部结构的抗风稳定性与深水下部结构。前面研究了如何从桥型布置上提高桥梁的抗风能力，我们也可以从横断面上采取措施。

　　为了取得足够的临界风速，必须增大加劲梁的抗扭刚度，这就要增加重量，或采用新的箱梁设计构思以提供良好的风动稳定性。如果把单箱梁分为孪生的双箱梁，虽然单个箱的抗扭刚度减少了，但悬索桥的主缆是控制它扭曲振动频率的主要构件，由于两根主缆间距加大，整体来说，抗扭刚度大多数情况下是提高了，同时也降低了风动产生力矩和升力率。但它与分开的宽度有关，曾经对于3000米跨度的悬索桥做过试算，当分开的宽度是双箱合计宽度的1/2时，临界风速最低，所以要通过试算各种方案后再定。青马大桥虽没有把它分为两个独立箱，但上部通风口宽度从9.4米减少到2米时，才保持满意的临界风速，最终采用了上层通风口宽3.5m，下层利用轻轨道下透风加宽到12.5m，涡流发散振幅减小。

图14　青龙桥加劲梁方案图

分开的两个箱型也要通过节段模型试验，使它得到最佳的状态。不久要开工主跨为1418m的香港青龙桥就采用了孪生双箱的方案。酝酿已久的意大利墨西拿海峡大桥主跨为3300米，采用了三箱方案，两侧是公路桥，中间是轨道运输，该设计方案使桥梁具有良好的风动稳定性。如果每个箱梁由2个索面承受，可以减少横梁工程量，如果采用侧斜索面，更可以提高整个桥梁的风动稳定性。但是，这样做也带来构造复杂，施工难度大和造价高的缺点。为了解决悬索桥的抗风稳定性问题，还有从改变缆索体系角度来研究，采用单缆、倾斜的双缆甚至三缆、四缆方案。

　　在特大桥梁的设计中，必须进行地震危险性分析。不仅要考虑水平与竖向地震力的作用，由于各基础间隔较远，在地震波作用下，还存在着各基础位移相位差的影响，这种地震动力的空间变化效应是不可忽略。除了进行地震危险性分析进行抗震设计，同时还可以采用一些措施进行防震。要提高桥梁抗震能力不能单纯依靠结构的强度，同时对增加结构延性（变形能力）给予充分重视。减震和隔震是利用材料或装置的耗能性能，达到减小结构地震反应的影响。有弹性支座隔震、液压阻尼器、调质阻尼器等等。如斜张桥中在结构上采用悬浮体系消耗能量。

　　回顾20世纪桥梁工程的成就，技术发展起了决定性作用，特别是20世纪末期发展速度更快，必然对21世纪的发展打下了良好的基础。从墨西拿海峡大桥来看，达到3300米以上的跨度是完全可能的，如果新型材料的开发，跨度还可以增加。跨度加大主要是为了避开深水基础在技术上的困难，虽可用海洋平台技术修深水墩，但造价昂贵，施工难度大，超过1200米以上跨度的大桥都可以用斜张悬索协作桥进行方案比较。如果在深水基础上能够新的突破，采用连续多跨的桥梁可能成为经济合理的方案。但是多跨桥在通航繁忙的航道上，易遭到航运部的反对。我们中国在建设特大桥梁上有广阔的市场，在我们共同努力下，一定会创造更辉煌的成就。

参考文献：

（1）周念先 《21世纪斜张桥的展望》 1998年江苏TRANBBS交通工程第四期

（2）周念先 《斜张-悬索协作桥》 1997年江苏交通工程第二期

（3）项海帆 《21世纪世界桥梁工程的展望》 2000年土木工程学报第33卷第3期

（4）Jean M.MULLER 《Very Long Span Bridges:Concepts，Materials and Methods》1998IABSE年会

（5）Niels J GIMSING 《Long Span Cable Supported Bridges:Present Technology and Trends》1998年IABSE年会

（6）肖汝诚 项海帆 《斜拉-悬吊协作体系桥力学特性及其经济性能研究》1998年第十三届全国桥梁学术会议论文集

（7）周世忠 《江阴长江大桥建设中的重大技术问题》 2000年第二期 桥梁建设

（8）周世忠 《非岩基上特大跨径桥梁的研究》 1992年4期 江苏交通工程

（9）Jacques COMBAULT《The Rion-Antirion Bridge Main Bridge Structure》