混凝土斜拉橋

指主梁結構為混凝土製作的斜拉橋。作為板較厚，重量及剛度較大的混凝土梁，使得這種斜拉橋抗風能力較強，而梁也不必做成複雜的抗風形斷面輪廓。但同時，梁重的增加也增加了所需的拉索數量或拉索上拉力的大小。另外由於混凝土易於形成各種細節，錨固斜拉索較鋼斜拉橋有較多的方法。

基本介紹

• 中文名：混凝土斜拉橋
• 外文名：concrete cable stayed bridge
• 釋義：主梁結構為混凝土製作的斜拉橋
• 代表：武漢長江二橋

混凝土斜拉橋的發展狀況

斜拉橋的最早工藝技術發展於德國。一些重要技術進展也都在50年代與60年代中出現在德國，而且建築材料以鋼為主。

90年代在法國的世界最大跨度斜拉橋（諾曼第大橋）與日本的一些傑出的斜拉橋中，斜拉橋的工藝技術正在繼續得列發展。建橋材料仍以鋼為主。但世界上的某些國家與地區，由於當地的工業、技術、資源與傳統的關係，傾向於修建混凝土斜拉橋，我國也是這佯。實際上，混凝土斜拉橋的確也有它自己的一些優點，因而在中國與南美、法國、西班牙、義大利、瑞士、美國以及近期的挪威已經出現許多受人注意的優美的混凝土斜拉橋，包括就地澆注的和預製拼裝的。傑出的例子如我國的石門橋和武漢長江公路大橋，義大利的波爾塞弗拉(Polsev—era)高架橋，阿根廷的凱哥柯林茨(ChacoCorrientes)橋，法國的勃魯東(Broto,me)橋，美國的PK(Pasco—Kennewick)橋，東亨丁頓(巳Huntington)橋，西班牙的盧納(Barriosde Luna)橋，墨西哥的柯察考爾科斯(Coatzacoalcos)橋，阿根廷的PE(PosadasEncarnaeion)橋，美國的達姆岬(DamesPoint)橋與陽光高架(SunshineSkyway)橋，以及挪威的斯卡恩聖特(Skarnsundet)橋和赫爾格蘭特(ttelgeland)橋。

在世界範圍內，混凝土斜拉橋的發展雖比鋼斜拉橋晚一步，但在跨度方面並不落後於鋼斜拉橋。當鋼斜拉橋的最大跨度於1985年之前，尚停留在404m（法國的聖·納澤爾橋）時，混凝土斜拉橋的最大跨度在1983年時已經達到440 m（西班牙的盧納橋）。到90年代初，挪威的斯卡恩聖特橋以530 m的跨度雄居世界混凝土斜拉橋的首位，而當時鋼斜拉橋的最大跨度尚未超過500m大關，直到1994年末日本才建成主跨510m的鶴見航道橋，仍未超過530m。

從長遠的發展觀點來看，混凝土斜拉橋的最大跨度要小於鋼斜拉橋、結合梁斜拉橋和混合梁斜拉橋。

我國由於國情關係主要發展混凝土斜拉橋。到80年代末，我國已建成混凝土斜拉橋約30座，約占世界斜拉橋總數的1/10或混凝土斜拉僑的1/5。但我國混凝土斜拉橋的最大跨度在80年代中尚未突破300m，最大跨度為260m的天津永和橋。進入90年代後，我國混凝土斜拉橋便越過300~400 m級，一舉邁入400~500m級。

混凝土斜拉橋的特點

(1)恆載

鋼斜拉橋上部結構的恆載最輕。上部結構的恆載對總的造價是比較敏感的，因為它會影響斜拉索、主塔及基礎的截面尺寸。但上部結構的恆載對其本身造價不一定有很大的影響，除非跨度特別大。因為由於鋼結構恆載較輕，所能節減的造價很容易被其他一些因素抵消，這些因素對上部鋼結構是不利的。 ·

(2)上部結構的質量

跨度很大時，橋樑上部結構的空氣動力性能開始控制設計。質量就是能改善截面抗風性能的一個特徵，並且比其他改善空氣動力穩定的方法，如導風構造或質量阻尼器等更為有效和重要。

(3)材料阻尼

材料阻尼也能改善空氣動力性能，雖然橋樑上部結構的鈉與混凝土的材料阻尼相差並不太大。鋼斜拉橋上部結合通常假設它具有極限阻尼值0.1%。近代PC斜拉橋或結合梁斜拉橋的上部結構，擁有處於高三維應力狀態的高強度混凝土．在小振幅(150mm)時一般具有0.3%的汲限阻尼值。固然，混凝土的阻尼值在振幅較大時才可能會增大，但是在實際空氣動力性能驗算中，只需考慮小振幅時的結構阻尼值。

(4)徐變與收縮

時程對混凝土斜拉橋與結合梁斜拉橋的影響是較大的。在混凝土橋樑中它們首先：降影響上部結構的長期幾何線形變化，並在一定的程度上使上部結構中的恆載彎矩有所改變。在結合梁斜拉橋中收縮與徐變還會另外長期改變混凝土截面與鋼截面兩者共同承受的軸向力之間的比例。

上述情況直接與材料的徐變係數及收縮係數有關。這些係數最好在準備用於橋樑的混凝土級配試件上測得。試驗應在工作中儘早開始準備。

(5)耐久性

橋樑上部結構的耐久性將受到初步（概念）設計、詳細設計以及環境中許多因素的影響。然而，橋樑設計的結果將使大部分橋樑在各個組成部分的壽命終了之前就在技術上和功能上變成無用。除了採用耐候鋼材之外，根據當地的環境條件鋼橋每隔10到20年需油漆一次。混凝土橋不需油漆，但是如果腐蝕滲入混凝土而達到鋼筋處時，修復的費用將遠遠超過鋼橋的油漆。細節上的充分注意，如採用較厚的混凝土保護層、用分布鋼筋來控制裂縫、施加後張預應力以及在梁體橋面中使用塗有環氧樹脂的鋼筋等，都能增加混凝土橋樑的耐久性。

以上措施將在橋樑的壽命價值上受益，這只需在基本投資上增加一筆較小的數目。

(6)關於改造

鋼斜拉橋與結合梁斜拉橋的另——優點是它們易於改造。對既有鋼橋的構件採用現場鑽孔栓接或進行焊接是可以仿到的，它可得到足夠的連結強度並且不影響既有構件的強度。這種易變性是鋼結構構造上的一個很大的優點。改造混凝土橋樑就不能如此地容易進行，囚為難以採用這種方法去連結，勢必要為錨固補強鋼筋或後張預應力筋而在早已密布鋼筋和預應力筋的截面中進行鑽孔。

(7)關於施工

方便施工對斜拉橋來說足一個主要的造價參數。鋼的橋樑構件可以在工廠內製造得尺寸很梢確．並易於在工地栓接。幾何；尺寸的精確與連結的方便有助於控制橋樑線形與加快施工速度。

預製的預應力混凝土構件同樣可以保持線形和方便施工，雖然它的連結一般是採用將構件粘拼後再施加後張預應力。這比鋼構件的栓按稍微複雜一些，因為混凝土構件在充分對連結處施加預應力之前，被連結的構件不能支承自己的重量，而鋼結構在按頭處一經插上鉸銷後就呵負擔其自重。

就地澆注混凝土的情況就大為不同。這種橋樑的新澆注構件在它達列足夠的強度之前不能承受它的自重，這意味著要等待幾天或幾個星期的時間去支承它的自重後才能再繼續向前施工。另外，對就地澆注構件的結構線形要更加注意它的恆載變形、徐變及收縮等的影響。

就地澆注混凝土的工作還與氣候有關。混凝土的強度增長對環境氣溫很敏感，這在冬季會嚴重影響施工進度。

混凝土斜拉橋的構造特點

拉索的布置：

（一）輻射式

這種布置方法是將全部拉索匯集到塔頂，使各根拉索都具有可能的最大傾角。由於索力主要由垂直力的需要而定，因此斜技力較小，這將減少拉索用鋼量；外索以內的其它各索拉力較小，使錨頭及張拉都易於處理；拉索能擔負最大的荷載作用力。而且絞結的輻射索使結構形成幾何不變的體系，對變形及內力分布都有利。

這種做法的缺點是：有較多數量的拉索匯集到塔頂，將使錨頭擁擠，構造處理較困難；塔身從頂到底都受到最大壓力， 自由長度較大，塔身剛度要保證壓曲穩定的要求。

（二）平行式

這種形式中各拉索彼此平行，因此各索傾角相同。各對拉索分別連線在塔的不同高度上，於是索與塔的連線構造易於處理；由於傾角相同，各索的錨固設備構造相同，塔中壓力逐段向下加大，有利於塔的穩定性；各索平行因此各個方向上看來，索都沒有交叉，外形上較整齊美觀。

但是，這種形式索的用鋼另：最大；由於各對素拉力的差別，將在塔身各段產生較大的彎矩；由於是幾何可變體系，對內力及變形分布較不利，不過可以用在邊跨內設輔助墩的辦法來改善。

（三）扇式

扇式是介於輻射式和平行式之間的形式，一般在塔上和樑上分別按等間距布咒，兼顧了以上兩種形式的優點而減少缺點，因此有較多的斜拉橋採用這種形式。

（四）星式

星式在美觀上具有突出之處，不過這種作法將拉索集中朴梁的一點上，既使構造複雜又不符合盡顯將連線點沿梁縱向分開以減小跨徑的原則。

若斜拉橋邊跨不大時，在邊跨部分採用星式布索，中跨採用扇式，形成組合索，則可以增大橋樑的整體剛度。

在拉索布置中還應該注意到，斜拉索是一種外露的預應力鋼束，利用增加高度來加大力臂，因此應放在梁的受拉一邊，以利承擔正、負彎矩。

混凝土斜拉橋的抗風性能

主梁截面形狀與寬高比

鋼斜拉橋的主梁可以作成抗風性能較佳的扁平六角形（流線型）鋼箱梁。混凝土斜拉橋的主梁根據需要可以澆注成任何形狀的截面。實際上已有大量實踐的帶仲臂橋面板的倒梯形(斜腹板)混凝土箱形截面，其抗風性能並不比扁乾六角形鋼箱形截面遜色。準三角形截面與三角形截面的混凝土箱梁，其抗風性能更勝一籌。

從抗風性能的觀點來看，對梁體的寬高比值希望儘量大一些，作成比較扁平的形狀。鋼斜拉橋的梁高H一般為2~3 m，根據車道的多少寬高比一般在5~10之間。混凝土斜拉橋的梁高也可做得很小，其寬高比通常與鋼斜拉橋大致相同，也在5~10之間。最近出現的板式混凝上樑截面的寬高比已突破10。

綜上所述，無論是截面形狀或寬高比，混凝土斜拉橋的抗風性能均不比鋼斜拉橋差。

梁重與固振頻率

鋼斜拉橋單位橋面面積的鋼樑重量約為0.35一0.5 t/m²，混凝土斜拉橋的梁重則約為1.4—1.5t/m²，後者約為前者的3~4倍。

對固振頻率來說，雖然資料數據尚不多，但從已有資料來分析，混凝土斜拉橋的撓曲振動周期約為鋼斜拉橋的1/2.5—1/3，頻率則為2.5—3倍。

綜上所述，無論是梁重或固振頻率，混凝土斜拉橋的抗風性能都比鋼斜拉橋優越。

結構阻尼

無論是鋼斜拉橋或混凝土斜拉橋，結構阻尼尚無足夠的實測數據可供參考。英國的抗風設計規範規定鋼橋的阻尼係數為δ=0.03，混凝土橋則為δ=0.05。日本大部分橋的設計·分析中假設鋼結構的阻尼係數為0。02，混凝土結構的為0.05。

根據以上1~3的比較，可以認為混凝土斜拉橋的抗風性能要比鋼斜拉橋優越。