桥面下（拉索）斜拉桥和组合（拉索）斜拉桥的发展

周鹏

摘要：本文主要介绍了这两种桥梁当前最先进技术的总体概况和关键点，并阐明了与方案设计、桥梁施工及其研究工作相关的问题。对其高效的结构性能和非常规的设计标准给予了极大的关注，与没有斜拉索的传统桥梁相比，这种结构类型大大减少了所需材料的数量，从而实现了可持续设计。本文还强调了这些桥的其他优点，例如多种施工方案的可行性，极强的美学特征和广泛的适用范围等。

关键字：桥面下（拉索）斜拉桥；组合（拉索）斜拉桥；缆索支撑系统；

1 引言

桥面下（拉索）斜拉桥和组合（拉索）斜拉桥是两种创新的桥梁结构类型，在过去30年里，这两种桥梁的设计和建造相对较少，大多由著名的结构工程师设计和建造。在这些类型的桥梁中，斜拉索的布置与常规斜拉桥不太一样：桥面下（拉索）斜拉桥的斜拉索布置在桥面以下，而组合（拉索）斜拉桥的斜拉索在桥面上、下方同时布置^[1]。

桥面下（拉索）悬索桥比桥面下（拉索）斜拉桥早出现近150年。罗伯特第一个在1821年为爱丁堡阿尔蒙德河上的克莱蒙德桥提出了采用链子的桥面下（拉索）悬索桥方案，可惜这座桥并未真正实施。第一个建造的桥面下悬索桥是Bergues桥(1834年)和Bel-Air桥(1837年)，它们的主缆系统分别为铁链和缆绳。两座桥都是亨利·杜福尔（Henri Dufour）设计的。他将主缆置于桥面以下而不是桥面以上的原因有以下几点:

（a）经济——节省砌体塔的成本

（b）结构，沿横向均匀分布缆索支撑系统而不是集中在侧面，可以减少横向弯矩并有利于拉索的锚固；

（c）减少维护，拉索可免受雨淋和人为破坏;

（d）可施工性，用斜拉索为施工和维修提供了猫道;

（e）用户舒适，他们当时并不知道这种缆索系统的创新性，但由于用户在桥面上看不到拉索，因此他们也感受不到这种创新性的风险。

2 Fritz Leonhardt教授的发明

Fritz Leonhardt是第一个设计桥面下（拉索）斜拉桥的结构工程师；1978年建成了跨越德国内卡尔河的维廷根高架桥，这种新型桥梁是莱昂哈特为解决一个复杂的工程问题而提出的。从斯图加特到辛格的新公路必须穿过900米宽的内卡尔河谷，线位高度在河床之上120米。最合适的桥跨方案是主跨略大于主墩墩高的高架桥。在此基础上再假定边跨跨径为主跨的80%，则通过简单计算可以得到5个主跨跨度约135米的方案，边跨根据受力平衡需要跨度稍小一点。但该方案在高架桥的边跨设计中遇到了很大的困难，主要是因为山谷边坡的土壤有严重的蠕动。莱昂哈特于是提出了取消高架桥边墩的办法来解决这个问题，他设计了一种桥面下的缆索支撑系统。采用支撑将桥面下斜拉索的预张力导入到主梁中，短柱的向上分力可以消除主梁在自重等永久荷载作用下的竖向反力(作用相当于桥墩)。同时他还是把支撑的位置移到了更接近主跨的位置，使得该桥边跨跨径比通常要长。

3 Jorg Schlaich的发明：组合（拉索）斜拉桥

通过设计和建造于1991年完工的Obere Argen高架桥Schlaich再次取得了重大进展。这是第一座采用组合拉索的桥梁。Schlaich被邀请为德国A96高速公路设计730米长的高架桥，桥面位于Obere Argen山谷之上约45。这一次，他不得不像十年前的莱昂哈特一样解决一个类似的问题——山谷斜坡上的土壤沉积物的缓慢蠕动。他设计了一座边跨258米的高架桥，采用了由三根支柱组成的组合拉索斜拉桥体系，将主跨细分为6段，每段长度43米。这一结论是在深入分析了不同的传统桥型(如拱、桁架和斜拉桥)和非传统桥型(如桥面下拉索斜拉桥和组合拉索斜拉桥)之后得出的。他选择的结构是通过斜拉索消除高架桥边跨桥墩的最佳方案。与莱昂哈特一样，他选择了一个钢箱梁与倾斜支柱支持横向悬臂的桥面方案。

4 桥面下（拉索）斜拉桥和组合（拉索）斜拉桥的蓬勃发展

随着主跨200米以上的Weitingen和Obere Argen高架桥这两座钢结构桥梁的成功建成，这些结构体系引起了许多结构工程师的重视。这两座高架桥的主梁高跨比都不是很高(分别为1/43和1/69)，但结构体系已在工程实践中得到了成功检验。1993年，由Michael Virlogeux设计的Truc de la Fare flora立交桥竣工。这是第一座采用预应力混凝土桥面的桥下斜拉桥。主梁高跨比为1/33，即使在桥面下（拉索）斜拉桥中主梁高度也是相对较低的，梁高由栏杆的高度决定的，本桥栏杆参与了主梁截面受力。在概念设计阶段，Michael Virlogeux非常清楚增加支柱对增大斜拉索效率的重要性。此外，他设计倾斜的支柱以适应斜拉索的角度，避免支柱上产生弯矩。他还对比了体外预应力与斜拉索的区别。随后的研究证明

^[2]，在一辆超过净空的重型车辆的碰撞中，索夹会提供额外的阻力，在这一种情况下，在支柱和主梁之间采用铰接连接将会更有效，可以避免在细长的主梁上增加附加弯矩。

1994年,由Javier Manterola设计的Osormort viaduct完成，这是第一个连续梁高架桥，所有跨度都采用了一个带有单一支柱的桥面下拉索斜拉索支撑系统。这是Schlaich和Menn很多年前提出的类似方案。可以预料的是，在主梁截面上较大的负弯矩并不允许主梁高度减少太多，按照通常的1/25的高跨比设计，但采用了一种双三角截面，其弯矩承载能力并不大。随后的研究已经证明连续桥梁采用桥面下斜拉索效率较低。事实上，对于具有适当偏心量的连续梁，桥面下斜拉桥体系的实施如果从美学的角度考虑，更倾向内部加劲桥梁而不是桥面下斜拉桥。

这座桥采用了移动模架逐跨施工法。接缝位于距支点7.5%跨径处，而不是通常的20%，这是通过桥面下斜拉索系统实现的跨径细分的结果。此外，Manterola还强调了对中等跨度桥梁，桥面下拉索斜拉索系统的效率很高，可以使用与外部预应力类似的具有传统疲劳强度的锚固来实现。这一结论已被随后的研究证实。

瑞士洛桑联邦理工学院教授Aurelio Muttoni也注意到了这些缆索支撑系统。然而，他的目标是提高斜拉索系统的效率，同时斜拉索提供额外的保护，他的最终设计是一个似而不同的桥梁类型。在他于1996年完成的Capriasca和Bedretto桥的设计中，桥面下的缆索支撑系统被预应力混凝土构件所取代。此外，他将每个支柱替换为两个支柱，以创建一个带有桥面的三角形单元。

5 应 用

5.1单跨桥梁

无论是桥面下拉索系统还是组合拉索系统都非常适合单跨桥梁。然而，两种系统之间存在一定的差异，这对设计有很大的影响。由于组合斜拉桥的有效偏心量约等于跨中和支点处偏心量之和，因此，与桥面下斜拉桥相比，组合斜拉桥斜拉索所需的横截面面积约为桥面下斜拉桥的一半^[3]。然而，锚索数量需求导致了同样数量用钢量。此外，锚索所需的配重对结构每平方米的材料费用有显著影响。

5.2 多跨桥梁

对于连续桥梁，只有组合（拉索）斜拉桥系统在车辆活载下具有较高的效率虽然斜拉索受时间影响的损失较大，但桥面下斜拉索系统适用于实现跨径细分。然而，从美学角度考虑的恰当允许偏心量时，在活荷载作用下，它们的效率不够高。桥面下拉索系统适用于跨径独立（简支）的多跨桥梁，在保证道路使用者舒适度的前提下，采用半连续板结构。

5.3 不平衡跨径分布取消桥墩

桥面下（拉索）斜拉桥和组合（拉索）斜拉桥系统允许取消中跨桥墩。通过桥面下拉索布置和组合拉索布置，即便高架桥中存在一个特定的跨度是其他跨度的两倍，主梁仍可采用相同的特性（如梁高、混凝土强度、钢筋、钢材数量）。在这些情况下，跨度细分应优先考虑永久状态，其次是时间效应，尽管时间依赖效应造成的损失不可忽略。然而，由于主梁的高跨比不够小，斜拉索系统的效率还不够高，因此，在大跨度的桥梁中，由于车辆活荷载的作用，桥面的弯矩会增加一倍。相应设计策略应该是抵消车辆活荷载作用下弯矩的增加，同时减小跨径细分后引起的恒态弯矩。

6 结 语

本文综述了近30年来桥面下（拉索）斜拉桥和组合（拉索）斜拉桥的发展概况。重点介绍了这类桥梁的主要特点和应用领域。这些桥型由优秀的结构工程师提出并得到发展，主要建造在德国、日本、法国和西班牙，有非常高效的结构行为，主梁材料用量非常少（与没有斜拉索的传统桥梁相比），适应可持续发展设计需求，具有较大的施工可形性和较高的美学特性。

参考文献

[1]Ana, M, Ruiz-Teran. Developments in under-deck and combined cable-stayed bridges[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Bridge engineering, 2010, 163(BE2).

[2]Ruiz-Teran, A. M , Aparicio, et al. Parameters governing the response of under-deck cable-stayed bridges.[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2007.

[3]肖汝诚, 项海帆. 斜拉桥索力优化及其工程应用[J]. 计算力学学报, 1998, 015(001):118-126.