第四节 主梁构造与设计
第三节 索塔构造与设计
[A4-2.86]斜拉桥的主梁按材料不同分为混凝土梁、钢箱梁、钢桁梁、钢—混组合梁等，如图4-2-26所示。主梁截面形式应根据材料、跨径、索距、桥宽、索面数等，并综合考虑结构受力、耐久性、抗风稳定性和施工方法进行选用。不同材料的主梁适用范围见表 4-2-7，主跨在400m以下的双塔斜拉桥宜采用混凝土主梁，预应力混凝土梁的混凝土强度等级不宜小于C50；主跨在600m以上的斜拉桥宜采用钢主梁或钢—混混合梁；主跨在400〜600m的斜拉桥，应对组合梁、钢主梁、混凝土梁、混合梁等类型主梁进行经济技术比较后采用。本节重点介绍斜拉桥混凝土主梁的构造，其他材料建造的主梁将在“钢桥”课程中介绍。
a)分离式混凝土箱梁；b)整体式混凝土箱梁；c)分离式钢箱梁；d)整体式钢箱梁；e)钢-混组合梁
图4-2-26 主梁截面构造形式
| 主梁类型 | 预应力混凝土梁 | 钢-混组合梁 | 钢-混混合梁 | 钢梁 |
| 受力特点 | 混凝土主梁抗压能力较强，抗拉能力较差 | 钢主梁与预应力混凝土结合共同受力，发挥各自材料特性优点 | 对中跨、大跨采用钢主梁，边跨采用混凝土梁，发挥各自材料特性优点，有效提高结构刚度 | 行车道板采用正交异性板,能够较好地适应弯曲和变形 |
| 优点 | 结构刚度大、抗风稳定性好、后期养护简单、造价低 | 具有钢主梁的优点、能节省钢材用量且刚度及抗风稳定性均优于钢梁 | 加大边跨主梁的刚度和质量，减小了主跨内力及变形，能减小边跨梁端支反力，减少钢梁长度，降低造价 | 跨越能力大，构件可以在工厂制作，质量可靠、施工速度快 |
| 缺点 | 主梁自重大，跨越能力受限制，施工速度慢 | 预制混凝土桥面板与钢主梁的联结工艺较复杂 | 钢、混凝土结合面连接工艺较复杂 | 钢材需求量较大，造价较高、后期养护工作量大及抗风稳定性差 |
| 适用跨径 | 200～400m | 400～600m | 600～1000m | 600～1000m |
[A4-2.87]混凝土主梁由于受到斜拉索的支承作用，特别是密索斜拉桥中主梁的受力以压力为主，弯矩较小，因此主梁受力特性已经不同于传统的梁桥，主梁高度可以大大降低。通过斜拉索的索力调整，可以使恒载弯矩减小到很低的程度，引起主梁弯矩的主要因素是活载及温差等附加荷载。影响活载及温度附加荷载弯矩的主要因素是索塔的刚度、主梁与索塔的连接方法、索的面积及索型。在双索面情况下主梁在两边均有斜拉索支承，主梁横向受力以正弯矩为主，而采用单索面时主梁横向受力基本为负弯矩，同时还要承担不对称活载扭矩，因此索面的空间形式对主梁截面有决定性的影响。所以主梁的设计必须综合考虑主梁、索塔、拉索三者之间的相互关系。在大跨径斜拉桥中，由于采用密索体系，主梁相对刚度越来越小，抗风稳定性问题越来越突出，往往成为决定现代斜拉桥主梁截面形状的主要因素，一般而言，主梁截面必须有较好的流线型和较大的抗扭刚度。
[A4-2.88]斜拉桥混凝土主梁截面有实心板截面、肋板式截面、边箱梁截面（PK梁）、箱形截面、带斜撑箱形截面等（图4-2-27）。设计中应考虑纵、横向受力情况，合理选择截面形式。
图4-2-27 混凝土斜拉桥主梁典型截面示意
[A4-2.89]实心板截面适用于跨径200m以下的混凝土斜拉桥，板式截面最简单，迎风面积小。为了锚固斜拉索需要，边缘厚度适当加厚。在索距较密而桥梁跨度、宽度不大的情况下，可采用这种形式的主梁。板式双主梁截面为双主梁截面的一种改进形式，构造简单，施工方便，用料较省。
[A4-2.90]肋板式截面及边箱梁截面适用于双索面斜拉桥；由于单索面的结构扭转刚度比较小，一般采用抗扭刚度比较大的箱形截面，有单箱单室、单箱多室两种形式。
[A4-2.91]闭合箱形截面有较大的抗弯和抗扭能力，将外侧腹板做成倾斜式，既可改善空气动力性能，又可减小桥墩（台）宽度。缺点是节段重量较大。
[A4-2.92]当桥面很宽时，主梁截面可考虑设为单箱多室截面、肋板式截面及边箱梁截面，必要时适当增加在中间板部分的梁肋数。
[A4-2.93]采用悬臂法施工时，一般混凝土斜拉桥合龙段长度小一些，可取2.0～3.0m，工程上大多采用2.0m；钢或钢-混凝土组合梁斜拉桥合龙段长一些。
[A4-2.94]斜拉桥主梁是弹性支承连续梁，在密索体系时恒载弯矩只与索距有关，而与桥梁跨径无关，只有活载内力与跨径有关，在大跨径桥梁中活载弯矩的绝对值较小，因此，斜拉桥的主梁高度不像其他体系桥梁的梁高随跨径增大而明显增大，而是与索塔刚度、索距、索型、拉索刚度、主梁的结构体系及截面形式等因素相关，特别是与索距大小有直接关系。对于密索体系且索距沿纵向等距布置时，通常主梁可做成等高度形式以简化施工。
[A4-2.95]双塔三跨斜拉桥梁高与跨径之比，双索面或单索面的混凝土主梁宜采用1/100〜1/220，组合梁宜采用1/125〜1/200，钢主梁宜采用1/150〜1/330，跨径越大，相对梁高越低。双索面密索体系相对梁高较低；而单索面体系则用较高值，同时高宽比一般不宜小于1/10。不同的主梁截面形式，梁高的取值会有所不同，如选用实体双主梁截面，且取主梁高度等于横梁高，则主梁高度将取决于横向弯矩的大小，即主梁高度与桥宽和横向索距相关。
[A4-2.96]独塔斜拉桥梁高视主跨长度、索面数、截面形式等变化较大，可略低于同跨径的双塔斜拉桥。国内、外已建成混凝土斜拉桥相关参数见如表 4-2-9、表 4-2-10所示。
| 桥名 | 主跨l(m) | 主梁宽B(m) | 结构体系 | 主梁截面形式 | 主梁高h(m) | 高跨比h/l | 宽高比B/h | 宽跨比l/B | 梁上标准索距(m) |
| 广东西樵大桥 | 125 | 20.42 | 塔梁固结 | 肋板式 | 2.08 | 1/60 | 9.8 | 6.1 | 8.0 |
| 长沙湘江北大桥 | 210 | 30.1 | 双薄壁墩连续刚构 | 单箱三室 | 3.4 | 1/62 | 8.9 | 7.0 | 6.2.0 |
| 山东济南黄河桥 | 220 | 19.5 | 漂浮(连续) | 单箱三室 | 2.75 | 1/80 | 7.1 | 11.3 | 8.0 |
| 上海泖港桥 | 225 | 12.5 | 塔梁固结(带挂梁) | 边箱梁 | 3.5 | 1/64 | 3.6 | 18.0 | 6.5 |
| 重庆石门大桥 | 230 | 22.5 | 刚构 | 单箱三室 | 4.0 | 1/58 | 6.4 | 9.0 | 7.5 |
| 四川犍为桥 | 240 | 14.1 | 刚构(跨中铰) | 单箱三室 | 2.4 | 1/100 | 5.9 | 17.0 | 8.0 |
| 涪陵长江大桥 | 330 | 22.1 | 漂浮(连续) | 实心板 | 2.3 | 1/143 | 9.6 | 14.9 | 6.0 |
| 海口世纪大桥 | 340 | 34.4 | 半漂浮(连续) | 实心板 | 2.1 | 1/162 | 16.4 | 9.9 | 7.2 |
| 番禺大桥 | 380 | 37.7 | 漂浮(连续) | 实心板 | 2.2 | 1/173 | 17.1 | 10.1 | 6.0 |
| 郧阳汉江桥 | 414 | 15.6 | 刚构(跨中铰) | 单箱三室 | 2.0 | 1/207 | 7.8 | 26.5 | 8.0 |
| 安徽铜陵长江大桥 | 432 | 23.0 | 漂浮(连续) | 实心板 | 1.7 | 1/254 | 13.5 | 18.8 | 8.0 |
| 重庆长江二桥 | 444 | 24.0 | 漂浮(连续) | 肋板式 | 2.5 | 1/178 | 9.6 | 18.5 | 9.0 |
| 重庆大佛寺长江大桥 | 450 | 30.0 | 漂浮(连续) | 实心板 | 2.7 | 1/167 | 11.3 | 14.7 | 8.1 |
| 湖北鄂黄长江大桥 | 480 | 27.7 | 漂浮(连续) | 实心板 | 2.4 | 1/200 | 15.7 | 12.7 | 8.0 |
| 湖北荆州长江大桥 | 500 | 27.0 | 漂浮(连续) | 实心板 | 2.4 | 1/208 | 15.4 | 13.5 | 8 |
| 桥名 | 主跨l(m) | 主梁宽B(m) | 结构体系 | 主梁截面形式 | 主梁高h(m) | 高跨比h/l | 宽高比B/h | 宽跨比l/B | 附注 |
| 委内瑞拉马拉开波桥 | 235 | 17.4 | 刚构(带挂梁) | 单箱三室 | 5.0 | 1/47 | 3.5 | 13.5 | 双索面 |
| 阿根廷科林特斯桥 | 245 | 14.5 | 刚构(带挂梁) | 边箱梁 | 3.5 | 1/70 | 4.1 | 16.9 | 双索面 |
| 荷兰塔伊尔桥 | 267 | 31.5 | 刚构(带挂梁) | 边箱梁 | 3.5 | 1/76 | 9.0 | 8.5 | 双索面 |
| 美国东亨丁顿桥 | 274.3 | 12.2 | 漂浮(连续) | 实心板 | 1.52 | 1/180 | 8.0 | 22.5 | 双索面 |
| 利比亚威得库尔夫桥 | 282 | 13.3 | 刚构(带挂梁) | 单室箱 | 3.5~7.0 | 1/40~1/81 | 3.7~1.9 | 21.2 | 双索面 |
| 法国伯劳东纳桥 | 320 | 19.2 | 塔梁固结(连续) | 单室箱 | 3.8 | 1/84 | 5.1 | 16.7 | 单索面 |
| 阿根廷巴拉那河桥 | 330 | 22.6 | 漂浮(连续) | 单箱三室 | 2.6 | 1/127 | 8.7 | 14.6 | 双索面 |
| 美国达姆岬桥 | 396.3 | 32.2 | 刚构(跨中铰) | 单室箱 | 1.55~1.88 | 1/256~1/211 | 20.8~19.3 | 12.3 | 双索面 |
| 法国艾龙河桥 | 400 | 23.1 | 塔梁固结 | 实心板 | 3.47 | 1/115 | 6.7 | 17.3 | 单索面 |
| 西班牙卢纳奥斯桥 | 440 | 22.5 | 刚构(跨中铰) | 单箱三室 | 2.5 | 1/176 | 9.0 | 19.6 | 双索面 |
[A4-2.97]对于部分斜拉桥，边、主跨跨径比在0.36～0.76之间，多数在0.50～0. 65之间，与混凝土连续梁的边、中跨跨径比非常接近。梁高与主跨之比在1/35～1/45之间，多数在1/35～1/40之间（平均梁高），较常规斜拉桥大；跨径较大时，靠近塔处梁高可增大，形成变截面。
[A4-2.98]主梁宽度B主要取决于使用要求与构造要求（图4-2-28，图4-2-29），即宽度等于行车道、人行道、分隔带﹑拉索锚固区宽度的总和。但是，在大跨度斜拉桥中抗风稳定性有时成为决定性因素，从提高主梁横向抗风稳定性考虑，主梁全宽B与主梁高度h的比值宜大于等于8，梁宽B和主跨L2的比值宜大于等于1/30。
图4-2-28 单索面斜拉桥净空条件
图4-2-29 双索面斜拉桥净空条件
[A4-2.99]在密索斜拉桥主梁上，一般在斜拉索锚固点处设置主要横梁，在纵桥向两个锚固点之间位置可设置次要横梁。横梁主要承担横向弯矩，可以按简支梁或悬臂梁进行设计，同时按空间结构进行验算。
[A4-2.100]一般可以根据桥面局部荷载按常规方法确定横梁和桥面板的尺寸。由主梁所承受的轴向力及构造要求确定主梁截面积大小，进而确定主梁截面各细部构造尺寸。
[A4-2.101]主梁腹板壁厚较薄，斜拉索强大的锚固力必须通过实体的锚固块分散传递到主梁的顶底板及腹板上。斜拉索与混凝土主梁锚固所采用的形式有：梁底锚固、箱内锚固、顶板锚固、斜隔板锚固、梁体两侧锚固和，如图4-2-30所示。
（1）梁底锚固
[A4-2.102]当采用带实心边缘的三角形主梁、实心双主梁或板式主梁时，斜拉索穿过主梁锚固在梁底，构造如图4-2-30a）所示。由于主梁高度比较小，一般不宜在梁底开槽，而在梁底设置锚固块，直接将锚头锚固在锚固块上，张拉完成后用保护罩保护锚头。
[A4-2.103]当主梁截面采用箱梁，拉索穿过边箱梁锚固时，一般在锚点处要设置斜横隔板，如图4-2-30c）所示。锚头可以直接锚固在设置于底板上的锚固块上，也可以锚固在底板的齿槽内，以使主梁底面平整。
（2）箱梁内锚固
[A4-2.104]在箱梁内锚固时，斜拉索锚头一般锚固在横梁与顶板交接处的后方，如图4-2-30b）所示。锚点处的横隔板一般比非锚点处强大，以抵抗斜拉索的锚固力。
（3）横梁锚固
[A4-2.105]这种锚固形式是设置横贯主梁全宽的横梁，横梁与主梁浇筑在一起，倾斜设置于主梁内，两端悬出主梁外侧，斜拉索锚固在横梁两端。由于横梁悬出主梁且局部受力很大，故横梁的断面一般比较大，需设置横向预应力筋予以加强。斜拉索通过在横梁端部内的钢管锚固在横梁的下缘，如图4-2-30d）所示。这种锚固方式的锚固力较大，同时斜拉索不占用桥面，但是锚固横梁材料用量多，且从侧面看景观效果较差。
a）梁底锚固；b）箱内锚固；c）斜隔板锚固；d）梁体两侧锚固
图4-2-30 混凝土梁斜拉索锚固形式
[A4-2.106]一般斜拉索穿过主梁处应设钢套筒，如图4-2-31所示。套筒下端设锚垫板，上端伸出桥面一段距离以保护斜拉索不被车辆撞击，套筒上一般要焊接多道剪力环以帮助锚垫板传力。
a）混凝土主梁
b）钢箱主梁
图4-2-31 斜拉索穿过主梁处的钢套筒
[学习提示]
[A4-2.107]斜拉桥设计，首先根据地形、地质、水文、气象、通航等条件确定桥位、桥高、桥长、合理分跨等。其次是选择合适的结构体系，高地震烈度区可采用漂浮体系或支承体系（半漂浮体系）；在主跨跨径不是很大、单索面设计时，一般采用塔梁固结体系；当地震烈度小于7度，桥高较高时，可采用刚构体系。最后是各构件设计，主梁类型选择与截面设计，桥塔形式选择与截面设计，拉索形式确定与类型（成品索）选择，支座类型（成品支座）选择或特别设计，塔墩设计，基础设计等。
[思考与练习]
- 斜拉桥的主梁常采用哪些形式，各有何特点？如何考虑选择不同材料的主梁？
- 斜拉桥拉索的锚固方式有哪些？部分斜拉桥与常规斜拉桥斜拉索的锚固有何区别？
- 斜拉桥索塔高度如何确定？拉索倾角的确定应考虑哪些因素？
- 不等跨独塔斜拉桥，为满足桥跨结构受力要求和行车舒适要求，设计中可采取哪些措施？
- 独塔双跨式斜拉桥受桥下通航限制采用不等跨设计时，主跨跨径为边跨跨径的2倍，应如何设计？（绘简图分析说明）