大跨度索輔梁橋橋梁結構的設計方法研究

董旭

華設設計集團股份有限公司 江蘇 淮安 223001

索輔梁橋理論屬于一種較為新穎的建設理論，其定義為“通過部分纜索輔助來增加梁體的承載能力，實現依靠梁體自身強度不能達到的跨度目標”。通過對定義進行分析可以發現，索輔梁橋本質上是通過纜索輔助增強橋梁結構的一種組合型橋梁，根據纜索的具體類型，索輔梁橋可以進一步劃分為索輔梁斜拉橋、索輔梁懸索橋、索輔梁拱式橋三種基本類型。在實踐中，我國索輔梁橋的建設數量相對少，相關理論內容較為薄弱，同時也欠缺高質量的技術總結，對其進行研究具有一定的現實意義。本文從這一角度出發，結合國內外相關類型橋梁的建設特點，對其設計思路、原則、要點進行深入研究。

1 大跨度索輔梁橋橋梁結構的基本特點

1.1 大跨度索輔梁橋橋梁結構概況

索輔梁橋與傳統纜索承重橋梁之間存在比較明顯的差異，具體而言，傳統纜索承重橋梁的承重能力主要來源于其鋼索線剛度、塔拱結構的彎曲剛度，而索輔梁橋的承載力主要是由梁體豎向彎曲剛度、部分纜索所提供的。在載重恒定的背景下，索輔梁橋剛度較大的梁體、纜索之間會自動進行力學平衡，保障橋塔、拱等牽引固定結構的受彎效應最小。在活載作用下，梁體、纜索會根據剛度關系調整受力，梁體承擔最大受力，塔、拱等位置承擔受力相對較小[1]。

索輔梁橋的受力及結構特征如下：（1）纜索。承擔輔助受力功能，按照其承載比例提供部分剛度。，其特征為型號較小或者稀索布置，其總數比一般斜拉橋少很多。（2）梁體。在整體結構中屬于主承載結構部件，提供整體剛度，其特征為梁高較大、剛度大。（3）橋塔。不需要提供縱向整體剛度，同時受力較小，按壓彎構件設計，其特征為輕量化、造型多樣。（4）拱肋。不需要提供縱向整體剛度，同時受力較小，需要控制減小面外受力。其特征為輕量化、造型靈活。（5）對于雙塔三跨式結構，邊跨、中跨的比值通常大于一般斜拉橋，其目的在于防止支座處出現較大的負反力，其具體比值一般在0.5左右[2]。

1.2 大跨度索輔梁橋橋梁結構設計發展

中國索輔梁橋設計與建設發展時間相對較短，在發展過程中也存在許多的嘗試。在福建省三明市，其臺江大橋采用了2×110m的橋跨布置方式，在實際建設階段，其兩端的道路已經建設完成，具有高程固定的特點，同時還需要滿足較大的通行量，因此，橋梁縱坡的坡度應當控制在一定范圍內。綜合諸多要素，相關技術人員采用了索輔梁橋的設計思路，采用2.8m的預應力混凝土梁代替了鋼箱梁，由纜索承擔部分梁荷載，屬于對索輔梁橋結構的初步探索。圖1為福建省三明市臺江大橋。

圖1 福建省三明市臺江大橋

綜合中國索輔梁橋建設歷史來看，主要呈現以下幾個發展趨勢：（1）跨徑不斷增大。在索輔梁橋建設早期，其跨徑普遍相對較小，均在100m-200m的區間范圍內，其典型代表為2008年建成跨度為2×100m的沈陽三好橋、2010年建成跨度為2×110m的三明市臺江大橋等。而隨著時間以及技術水平的發展，索輔梁橋的主跨跨度也逐漸增大，其典型代表包括2014年建成跨度為445m的重慶東水門長江大橋、2015年建成跨度為312m的重慶千廝門嘉陵江大橋等[3]。（2）主梁結構多元化。在索輔梁橋建設早期，其主梁結構普遍較為簡單，一般為預應力混凝土箱梁結構，其典型代表為2008年建成的沈陽三好橋、2010年建成的三明市臺江大橋、2011年建成的合川南屏嘉陵江大橋等。此后，索輔梁橋的主梁結構逐漸向著復雜化的方向發展，鋼混組合結構、波形鋼腹板的結合梁、鋼桁梁等結構層出不窮。例如，2014年、2015年相繼落成的重慶東水門長江大橋、重慶千廝門嘉陵江大橋均屬于典型的鋼桁梁結構，2019年建成的深圳前海區十一號橋則采用了分離式鋼箱梁結構[4]。（3）主梁結構輕薄化。在索輔梁橋建設早期，主梁結構建設較為常規，但是隨著時間的發展，設計人員發現，索輔梁橋的主梁內力可以通過斜拉索來進行調整，其尺寸靈活性比連續梁橋大很多。同時，為了適應民眾對于橋梁美觀性的需求，在后期階段，橋梁主梁建設逐漸向著輕薄化的方向發展[5]。

2 大跨度索輔梁橋橋梁結構的設計方法

結合大跨度索輔梁橋橋梁結構的基本特點以及實際工作情境中大多數橋梁的設計實踐工作，筆者從跨度設計、結構設計、梁體設計、拱與塔結構設計、纜索系統設計、錨固結構設計幾方面對其設計方法進行綜合分析。

2.1 跨度設計方法

根據上述內容可知，在索輔梁橋結構中，梁體、纜索分別承擔不同比例的荷載，如果想要將其真正落實在實踐中，就需要結合橋梁具體結構情況，對其荷載進行具體確定[6]。

隨著的逐漸增加，梁體跨高比呈現出非線性、快速增長的趨勢，結合實際橋梁建設數據分析可知，索輔梁橋適宜的主跨跨度如表1所示。

表1 索輔梁橋適合的主跨跨度

根據表1中的內容可知，當跨度為100m-300m時，索輔梁橋的優勢才能充分發揮出來，在實際設計過程中，技術人員需要考慮纜索承載比，但不應被其所限制，需要以發揮梁體承載能力、優化纜索及其牽固結構設計為基本目標。

2.2 結構設計方法

當前，索輔梁橋建設所采用的結構體系包括半漂浮、整體固結、塔梁固結、下承式系桿拱、中承式拱幾種基本類型，其適用場景有所不同。

橋梁結構指的橋梁各部位的形態及具體連接方式，從設計原理角度講，結構設計應當以滿足使用狀態、受力要求為基礎，充分發揮出各結構的協同受力效果。不同適用情況下的結構設計思路如下：（1）在滿足基本受力要求的前提下，為了發揮上塔柱與梁或拱與梁的系統受力效果，可以采用固結體系[7]。（2）在橋墩、下塔柱滿足手里要求同時能夠提供足夠的柔度時，即可選擇采用塔梁固結體系。（3）在固結條件均滿足時，可以采取整體固結體系。

2.3 梁體設計方法

索輔梁橋梁體設計的基本類型通常包括混凝土箱梁、鋼混結合梁、鋼箱梁、鋼桁架四種主要類型，不同梁體存在不同的構造特點，在實踐中的具體適用情況如下。

混凝土箱梁、鋼混結合梁、鋼箱梁。這三類結構具有較強的相似性，在實踐中可以采用力學、氣動性能優越的斜腹板整體式箱梁，一般不能選擇承載力較低、抗扭性能較差的梁體，如邊主梁、鋼板梁等。在分幅施工過程中，相關技術人員通?？梢圆扇⌒备拱宸蛛x式箱梁進行施工，只需要注意橫梁剛度、承載力設計即可，對于變高粱，需要著重分析受力情況，盡量避免斜腹板受力，為了實現這一目標，通?？梢允褂脦舯鄣南淞簛韺崿F。

鋼桁架。與其他三種梁體結構相比，鋼桁架結構具有一定的特殊性，當索輔梁橋采用該結構實現其基本功能時，可以采用受彎性能優越的三角桁、N型桁來實現，在端面上采用板桁結合構造。

2.4 拱、塔結構設計方法

拱、塔結構也是索輔梁橋的主要結構，其具體設計思路如下。

橋塔部分。在實際工作中，大多數索輔梁橋的力學承載結構均為纜索、梁體，橋塔在一般情況下不需要承擔主要剛度，同時，其彎曲受力也相對較小，在此背景下，其結構通常采用輕型化、多樣化設計思路，橋塔上塔柱部分一般設計為柔性、大偏心壓彎構件，高度、形態可以根據自身人文情況進行適當選擇，通常不受限制。例如，成都沱江大橋采用與索網布置結合的多肢空間組合橋塔，整體形態優美，已經成為了當地重要的地標性建筑[8]。

拱結構部分。在實踐中，拱結構通常需要呈現輕型化、多樣化的特征，因此其限制相對較少，在索輔梁橋建設過程中，將輕型化的拱結構與單索面、多索面吊索有機結合，打造出受力明確、獨具特色的索輔梁式拱橋是拱結構設計的關鍵。在實踐中，吊索應當結合拱結構特點，布置在最優受力位置上。

2.5 纜索系統設計方法

纜索系統是索輔梁橋輔助受力的重要基礎，在梁體上集中布置于對輔助結構受力最有效的跨中、四分點等區域。在索輔梁橋結構中，不同纜索體系的纜索承載力存在一定差異，因此，在纜索設計過程中，需要根據橋塔、拱結構基本情況進行靈活設計。在實際設計過程中，大多數技術人員通常會將梁體均勻分為多個“小跨”，稀索體系索輔兩斜拉橋梁體斜拉橋的梁體分為無索區長度、有索區長度，其具體設計應當根據根部梁高進行適當調整。

2.6 錨固結構設計方法

錨固結構設計是索輔梁橋設計最重要的內容之一。在實際工作中，索輔梁橋錨固構造通常具有空間小、局部受力顯著的特點，需要著重注意以下幾個基本步驟。

在橋塔錨固結構設計方面，需要根據實際情況選擇合適的構造方案，主要構造方案包括環向預應力錨固構造、鋼錨箱構造兩種。其具體適用情境以及適用方法為：（1）環向預應力錨固構造。此種構造方式適合箱室較窄，整體結構較為規則，一般表現為矩形的塔柱界面，在寬型不規則塔柱上，需要對截面進行優化，使其與非錨固區塔柱界面形心保持一致性。（2）鋼錨箱構造。主要包括內置型鋼錨箱、夾層內置鋼錨箱兩種基本類型，利用此類構造能夠較好的實現主拉鋼板、混凝土側塔壁連接，具有傳力直接、連接緊密、受力較小等諸多技術優勢，還能使減小塔柱局部受力[9]。

在大索力梁上錨固構造方面，其設計思路如下。大索力梁通常需要承擔大量的承載力，其索力根據橋梁差異有所不同，但一般在8000kN-10000kN的區間范圍內。在采用單腹板錨固構造時，通常會由于索力偏心產生過大的面外附加彎矩，最終影響整體橋梁受力情況，針對這種情況，通?？梢詫ζ溥M行針對性優化，即采用II型雙腹板錨固構造。

在鋼箱拱吊索錨固構造方面，需要根據實際情況進行構造設計。具體思路如下：（1）如果鋼拱結構截面較大，內部存在焊接錨箱構造的空間、吊索張拉空間時，技術人員即可采用錨箱式錨固構造進行處理。（2）如果鋼拱結構截面較小，或者內部不存在焊接錨箱構造的空間、吊索張拉空間時，就可以采取外置耳板式錨固構造模式進行處理，但是，在采用該技術時，需要注意，技術人員應當在拱肋內部設置與耳板對應的橫隔板，以實現受力傳遞。

3 結束語

縱觀全文，本文結合實際工程設計與建設案例，對索輔梁橋進行了綜合分析，從跨度設計、結構設計、梁體設計、拱與塔結構設計、纜索系統設計、錨固結構設計方面提出了建設建議。相關單位在實踐中，可以適當參考本文的研究內容，同時充分結合自身實際情況，對于主跨在100m-300m左右，采用纜索承重體系、混凝土梁式橋建設方案無法實現特定目的的橋梁工程，基本都可以按照索輔梁橋進行設計。

總而言之，索輔梁橋屬于預應力混凝土梁橋、斜拉橋之間的過渡橋型，兼具以上兩種橋梁的諸多優勢，如結構合理、節省材料、跨越能力強等。但是，索輔梁橋在我國的研究、發展時間過短，相關理論研究存在比較明顯的缺陷，仍舊需要對其開展持續、深入研究?？晒﹨⒖嫉难芯糠较虬ㄋ鬏o梁橋主梁頂板處斜拉索錨固區的分析、主梁施工變形分析等，相信隨著理論研究的進一步深入發展，索輔梁橋一定會在未來的交通建設領域發揮出更加奪目的光彩。