斜拉桥发展历程

斜拉桥发展历程斜拉桥作为桥梁的一种重要结构形式，出现于17世纪，其发展几乎与悬索桥同时代。在欧美，有记录的最早的斜拉桥是，1617年意大利工程师Verantius建造的一座有几根斜铁链的桥，但受制于当时的科技发展水平，不能对其进行可靠的力学分析和提供足够强度的材料，致使其没有发展起来。18世纪，德国人就曾设想过建造木制斜拉桥，1817年英国架成了一座跨径34m的人行木制斜拉桥，桥塔是铸铁的，缆索使用铁丝，但是材料的强度有限，结构的受力也无法分析，这座桥不久就毁坏了。之后，英、法、德等国都曾修过一些木制斜拉桥，但不久都毁坏了。1824年，在英国在Nienburg跨越Saale河修了一座用铁链条和铸铁杆作拉索的斜拉桥，不久就毁于一场游行。1918年，位于英国Dryburgh-Abber附近，跨越Tweed河建造的一座长约79m的人行桥，在风力振荡的情况下，致使斜链在节点处折断而出现事故。这些的主要原因是当时的工业水平不高，无法制造高强钢丝，只能用铁丝或者铁丝绳，同时由于当时的理论体系不健全和计算手段落后，无法准确计算多次超静定结构，也无法分析风振动对桥梁的影响。1930年，法国的著名工程师Navier在研究了这些桥的事故后，著文声称斜拉桥概念是模糊不清，是不能成立的，并宣布了斜拉桥的死刑。他认为毁坏的原因是由于没能精确计算力的变化过程，同时对一些细节处理不够。他提出悬索桥和斜拉桥相结合的方案，后来由美国的一位工程师设计并建成当时世界上跨径最大的桥梁。直到1938年德国工程师Dishinger重新认识到了斜拉桥的优越性,并对其进行了研究。1955年，Dischinger设计建成了世界第一座现代化的大跨斜拉桥——瑞典的Strömsund桥（图1-1），主跨182.6米，采用全部斜拉结构，其主梁为钢板梁，中间用横梁连接，双塔式，每塔只用两对高强钢丝拉索，属于稀索体系。尽管用现代的观点来看，这座桥在细节处尚有一些不足之处，如桥面采用分离的混凝土梁的方案，索塔造型尚缺美观等，但其在桥梁结构上却是开创了一个新纪元，创造了一个新体系。而此时正值战后重建恢复时期，这样一种技术先进、造价经济、外形美观的新桥型一出现，立即得到社会的欣赏和认识，并大量进行推广随后。图1-1第一座现代预应力混凝土斜拉桥建于1962年，由意大利工程师Morandi设计的委内瑞拉马拉开波湖大桥，也属于稀索体系，此后的一段时期大多采用这种体系。其有优点是结构形式简洁、传力途径明确、分析容易及斜拉索集中易于养护，缺点是由于索距太大，主梁必须很高，导致主梁很重，配筋较多。随着计算机技术的广泛应用,到了20世纪60年代采用电子计算机分析高次超静定结构的效率极高，从而导致密索体系的产生和发展。这种体系的优点是索距减小使主梁弹性支承点增加，主梁内力显著降低，且较均匀，梁高减小，梁自重减少了；提高主梁刚度，减小其跨中挠度；有利于，减少因承受施悬臂法施工工荷载而过多增加辅助钢材，增强了抗风稳定性；索力分散，每根拉索拉力小，锚固相对简单。1967年德国波恩建成的Friedrich-Ebert桥,跨径280m,单索面密索体系,使得结构的应力分布均匀,充分发挥了材料的潜在性能,为以后的许多斜拉桥作了典范。随着现代工业技术的发展，高强度、高弹性模量钢丝得以大量生产，加之有限元法和计算机技术的开发，使得能够精确分析多次超静定结构，结构可靠度理论、结构动力学的出现和发展也为斜拉桥抵抗风振、地震等危害提供了强力支持，结合平衡悬臂施工工艺的开发，现代斜拉桥最终得以大量建造，流行开来，并伴随着斜拉桥理论体系的不断进步和施工工艺的不断提高，现代斜拉桥正向着大跨径和特大跨径不断突破，在短短几十年的时间内,跨度由100m左右跃进到1000m以上。世界范围内斜拉桥的数量和跨度不断攀升,至今已建成300余座,具有代表性的有:1959年德国Cologne建成的Severin桥,跨径302m,塔采用A形,钢索呈放射形,结构为漂浮式,同时考虑了大跨桥梁的抗震问题。目前跨径超过1000m的斜拉桥有三座，其中建于2012年的俄罗斯岛大桥以1104m的跨径雄踞第一。斜拉桥在国外的迅速发展,也引起我国桥梁界的注意。1975年在我国的四川云阳县建成的云阳桥,跨径75.8m,为预应力钢筋混凝土公路斜拉桥,同时也拉开中国斜拉桥的建造历史。近三十年间我国已建成斜拉桥190余座，遍布大江南北，其中跨径大于200m的有52座，跨度超过400m的斜拉桥已达20座，居世界首位，发展势头极其强劲，其中的苏通大桥以1088m的跨径居于世界第二。概括起来,斜拉桥的发展可以分为以下3个阶段:⑴稀索体系，斜拉索布置比较稀疏，主梁基本为弹性支持的连续梁，梁的无支撑长度很长，梁高必须很大，同时仅有的几根拉索承受的拉力很大，在梁上锚固点处的应力集中问题突出，较难处理。⑵密索体系，斜拉索布置密集，主梁梁高降低、自重减少，相应可少用拉索，降低墩台、基础工程量，同时斜拉索锚固装置得以简化，消除了锚固点应力集中现象，加强了结构的整体稳定性。⑶主梁柔薄化，当斜拉索加密布置后，主梁支撑间距变小，主梁的高度得以降低，工程中把梁高和跨径之比作为一个指标来显示主梁的柔度。工程实例和理论分析显示，主梁越柔薄，越能少吸收活载引起的弯矩。目前的斜拉桥向着大跨径进军，主梁柔薄化已成为必然趋势。