预应力混凝土斜拉桥：一种节约材料降低造价的竞争性桥型

斜拉桥由主梁、斜拉索及塔柱三部分组成（见图5-3-1）。主梁除支承于墩台外，还支承于由索塔引出的斜拉索上。按主梁所用材料不同，斜拉桥可分为钢斜拉桥和预应力混凝土斜拉桥。本任务介绍预应力混凝土斜拉桥。

图5-3-1　斜拉桥

斜拉桥桥式具有结构轻巧、跨越能力大等一系列优点。但斜拉桥轻巧柔细的外形也使结构抗振动性能较差，刚度较小，挠度变形较大，同时斜索两端锚固处抗疲劳性能较差。

斜拉桥是近几十年中发展起来的一种桥型。目前，斜拉桥已经成为大跨度桥梁中最有竞争力的一种桥型。

（一）斜拉桥的结构特点

斜拉桥是利用索塔引出的斜拉索悬吊跨越墩台间梁跨，这种悬吊作用相当于在梁跨下面设置若干弹性中间支墩。显然，斜拉索的设置可大大减少梁跨的弯矩，从而可提高梁的跨越能力。

斜拉索对梁的弹性支承作用，只有在斜拉索整个工作过程中始终保持“拉紧”状态才能得到充分发挥，因此在承受工作荷载前，必须对斜拉索进行预拉。斜拉索的预拉不仅能保证其在整个工作阶段处于拉紧状态，同时还能减少斜拉索的自重垂度，这些对于改善结构受力状况都是有利的。

斜拉桥具有如下优点：

（1）由于斜拉索的弹性支承作用，大大减小了梁的弯矩，从而减轻结构自重，降低梁高，提高桥梁跨越能力。

（2）索塔和斜拉索的设置有利于梁跨采用悬臂灌筑和悬臂拼装的施工方法。

（3）斜拉桥和悬索桥相比，前者刚度较大，比较容易满足铁路桥梁对刚度的要求。在各种类型桥梁的用料对比中，斜拉桥所需的单位面积桥面所用的混凝土体积最少，用钢量也是最经济的。因此斜拉桥具有节约材料和降低造价的优势。

（二）斜拉桥的结构形式

组成斜拉桥的主梁、斜拉索和索塔有各种不同的结构形式。它们之间的组合方式也有多种。因此，作为组合结构的斜拉桥其形式是多样的。

1．主梁横截面

预应力混凝土斜拉桥常用的主梁有连续梁，带挂孔或设铰的悬臂梁和悬臂钢架等。铁路桥梁在一般情况下都采用整体性强的连续梁。

主梁截面形式通常采用抗弯和抗扭刚度大的箱形截面。箱形截面根据桥面宽度不同可采用单室、双室或分离式等（见图5-3-2）。

图5-3-2　斜拉桥的截面形式

2．斜拉索

斜拉索宜采用抗拉强度高、抗疲劳性好、弹性模量大的钢材制成。弹性模量小的钢索变形大，影响结构刚度和梁的内力，不宜采用。目前国外斜拉桥常采用的钢索为厂制钢索。其中图5-3-3（a）所示的封闭钢索由异形钢丝扎制而成，它具有表面封闭、防腐比较简便的优点。图5-3-3（b）所示的预制平行钢索是由多根钢丝（或钢绞线）按六角形紧密排列而成。它的主要优点是弹性模量和抗疲劳强度都比封闭钢索高，而且比较容易按设计要求改变截面的大小，因此近年来应用较多；缺点是防护和安装较费时，同时费用也较高。

图5-3-3　拉索截面

斜拉索防护是斜拉桥至关重要的问题。一旦防护失当而发生锈蚀，必将危及全桥的安全使用。国外斜拉桥中因斜索锈蚀进行换索的教训不乏先例，因此拉索防护必须给予充分重视。

3．斜拉索的布置(www.xing528.com)

斜拉索在横桥方向的布置有单面索、双面索、三面索及空间索之分。其中单面索只用于公路桥；双面索又分为竖直双面拉索和倾斜双面拉索两种，前者是斜拉桥中最通用的一种，后者抗扭刚度好，适用于大跨度斜拉桥（见图5-3-4）；三面索是由近几年的工程实践发展形成的一种布置形式。

图5-3-4　索面横桥方向的布置示意图

斜拉索顺桥方向的布置，常用的有竖琴形、辐射形、扇形等，如图5-3-5所示。

图5-3-5　索面顺桥方向的布置示意图

4．索塔的布置

索塔一般都是钢筋混凝土结构，但也可以根据需要做成预应力混凝土结构。索塔的结构形式应根据拉索布置、主梁跨度以及桥面宽度等因素决定。常用的索塔形式在顺桥方向有单柱形、A字形及倒Y形等几种（见图5-3-6）；在横桥方向的形式有单柱形、双柱形、门形、梯形、倒V形、钻石形、A形及倒Y形等几种（见图5-3-7）。

图5-3-6　索塔的顺桥方向结构形式

图5-3-7　索塔的横桥方向结构形式

5．孔跨布置

斜拉桥的桥式分孔应根据桥位地形、河床断面、通航要求和全桥经济指标进行综合比较考虑。斜拉桥可以采用独塔或双塔方案。在通航、排洪或流水不能满足要求需要加大孔径时，应考虑用双塔方案。但独塔比双塔方案经济指标有利，这是因为双塔方案的边孔总比引桥昂贵，比路堤更贵。因此，采用独塔方案可以缩短斜拉桥孔的总长而取得较好的经济效果。

双塔三孔方案一般均系对称布置。

独塔的两孔不一定做成对称，很多独塔桥以大孔跨越主河槽而边跨做成小孔。当边孔离地面不高、基础施工不很困难时，架设辅助墩将边孔再分成小孔。

现代斜拉桥最典型的孔跨布置有两种：双塔三跨式和独塔双跨式（见图5-3-8）。

图5-3-8　斜拉桥典型孔跨布置

（1）双塔三跨式。

双塔三跨式最为常见。双塔三跨斜拉桥的中跨常用于跨越河流的主槽，是主要通航孔，边跨也可用于副通航孔，通行较小的船只，但多为依据主跨的受力而配置。从简化设计、方便施工考虑，两边跨可以是相同跨径。一般来说，主跨和边跨跨径之比常控制在2.0～3.0。

当斜拉桥的边孔设在岸上或浅滩，边孔高度不大或不影响通航时，可在边孔设置辅助墩以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。

（2）独塔双跨式。

独塔双跨斜拉桥是因跨越对象及其地形、地质特点而产生的。独塔双跨式斜拉桥可以布置成两跨跨径相等的对称布置或两跨跨径不等的非对称布置。通常将跨径较大的一侧称为主跨，较小的一侧称为边跨，主跨和边跨长度之比控制1.2～2.0。