人们参观长江风景塔形钢结构，沿途的长江大桥是一道美丽的风景。数千英里的长江，从宜宾到上海，已经有近90座长江大桥，可以发现斜拉桥占了一半以上。那么，为什么长江上会建这么多斜拉桥呢？要回答这个问题，让我们从桥梁的结构性能开始。
图1 长江斜拉桥 左：南京长江三桥 右：苏通长江大桥
独特的结构特性
图2 4个基本系统桥接器
桥梁的种类千变万化，可归纳为四种基本桥梁类型及其组合（图2），由主力构件和传力构件组成。直观地说，桥梁结构中的力传递组件越少，性能越好。因此，梁桥成为中小跨度桥梁的主角。但从力的角度来看，随着跨度的增加，以弯曲为主的梁桥由于受力传递路径较长而不再经济，以轴向力为主的结构的受力传递路径较短，可以充分发挥材料的性能。因此，大跨度桥梁的任务被赋予了拱桥、悬索桥和斜拉桥。从本质上讲，它们都是通过将梁桥的弯矩转换为轴向力来发挥材料特性的。拱桥的主要受力构件是受压的拱，悬索桥的主索是受拉的主索，但它们都需要设置一个桥面系统供人和车辆通过，作为受力传递件，增加了结构的重量和材料的数量。而斜拉桥的塔、梁、索是主要受力构件，其主梁也直接承受动荷载，从而提高了斜拉桥的性能。拱桥的拱形、悬索桥的锚块，不仅要承受垂直力，还要承受巨大的水平力，基础要求高，施工投资大，而斜拉桥的塔墩基础主要承受竖向荷载，一般来说比较经济， 并且更能适应各种桥梁施工条件。
图3 瑞典斯特罗姆松德大桥
自1956年建成以来，第一座现代斜拉桥（图3）经历了从细索系统向密索系统（图4）的转变，主梁上的力也从弯曲变为压缩。通过材料、构件、结构和系统的改进，斜拉桥的跨度能力不断提高，从主跨度的182.6m开始到目前的1104m。主梁由单钢梁发展为混凝土梁、复合梁、混合梁等，截面形式多样，使梁的力学性能和经济性能在不同的桥梁施工条件和跨度要求下都能充分发挥。在形式上，桥塔从门形发展到H型、A型、倒Y型、菱形等各种塔型，从而改变了斜拉桥的形状和结构性能。在结构上，采用不同的材料、不同的截面形式及其组合，以满足桥塔结构的各种性能要求。在立面布局方面，除单塔和双塔外，还开发了三塔和多塔斜拉桥，以达到最佳性能为目标，并扩大了斜拉桥的使用范围。这些变化、组合及其发展使斜拉桥变得多样化和多样化。
图4 上海南浦大桥
正是斜拉桥跨度大、适应性强、刚度大、抗风性好、经济美观等特点，构成了其魅力的内在气质，也是长江上斜拉桥数量众多的根本原因。
广阔的创新空间
然而，斜拉桥的魅力远不止于上述性能，对于设计师来说，它的魅力在于其广阔的创新空间。
根据桥梁的特点和功能要求，设计者可以通过塔、梁、索的组合来寻求最佳的设计方案。重庆东水门大桥（图5），为了同时满足机动车和轨道交通的需要，设计者选择了双桁架双层交通，上层为机动车和行人，下层为轨道交通。采用单索面部分斜拉桥系统，不仅充分利用了主梁的强度和刚度，解决了密集建筑群和桥隧轨道布线下的空间利用问题，而且增加了桥梁的渗透性，使结构充满层次感。
图5 重庆东水门大桥
斜拉桥上桥塔数量的可变性为设计人员提供了更多选择。当施工条件只适合单侧塔或仅单侧跨时，可采用单塔斜拉桥，其跨度一般在100-400m之间;双塔斜拉桥应用最为广泛，桥梁跨度可根据当地情况布置。塔架的高度和侧跨可以对称布置或不对称布置，形成高低塔之间的斜拉桥。双塔斜拉桥的合理跨度范围在200-1200m之间。在深海地区、山谷或其他适合建造多个塔架的位置，多塔斜拉桥是一种选择。多塔斜拉桥跨度大，经济性能好，虽然结构刚度小，但可以通过刚性桥塔或拉索加劲肋进行改善（图6）。
图6 希腊里昂-安提里昂大桥
设计人员还可以通过优化大梁和桥塔的材料选择，提高不同跨度斜拉桥的经济性能和竞争力。主跨为常用200-500m常用混凝土梁或复合梁，常用400-700m常用复合梁或钢梁，700m以上多为钢梁，中跨比小跨度的大跨斜拉桥可采用中跨钢梁和侧跨混凝土梁的混合梁形式，以提高结构性能。通过拉索力调整，设计人员还可以有效优化斜拉桥主梁和塔架的受力和分布，充分发挥材料性能。
为了最大限度地提高斜拉桥的性能，设计人员可以将斜拉桥与其他类型的桥梁相结合，形成各种组合系统，例如斜拉桥和悬索配合系统。为了具有公路铁路桥梁的结构性能，设计人员采用了斜拉桥和悬索桥的组合系统，以提高刚度，降低成本，实现了1408m的主跨。
图7 博斯普鲁斯海峡三座大桥
可以看出，斜拉桥给了设计师广阔的创作空间，在各种施工条件下，都能实现力学与美学、性能与经济的统一，形成独特而有吸引力的方案。
桥式多彩的魅力
对于建筑商来说，斜拉桥的魅力在于其独特的可施工性和低施工风险。施工方可根据施工条件和周围环境灵活选择施工方式。悬臂式施工方法是利用斜拉索将主梁逐段吊起直至闭合，对周围环境和水道影响不大，是最常用的斜拉桥施工方法。无论主梁是现浇还是拼装，都能充分发挥斜拉桥的受力特性。
在一定条件下塔形钢结构，建造者也可以采用旋转结构，即桥梁结构首先在非设计轴位置制造，然后通过旋转系统旋转安装到设计位置。国内有多座斜拉桥采用这种方法穿越现有铁路，有效解决了复杂环境下桥梁穿越的施工难题。
此外，还可以采用顶升施工、支护施工等施工方式，加快施工进度，提高施工效率。法国的米洛大桥采用主梁推推技术（图8），将轻质结构设计和巧妙的施工方法完美地融合在一起。
图8 法国米洛大桥的顶升施工
对于业主来说，斜拉桥的经济耐用性能也非常有吸引力。不同类型斜拉桥的经济范围涵盖100~1200m的跨度范围，业主可根据自己的需要选择合适的桥梁类型，减少投资。斜拉桥中的电缆是结构的主要应力成分，斜拉桥的电缆具有可更换性，在运行过程中，如果发现电缆存在疲劳、腐蚀等影响结构安全的问题，可以更换新的电缆，以最小的成本延长结构的使用寿命。
图9 香港昂船洲大桥
公众不仅是桥梁的使用者，更是桥梁的鉴赏家。人们不仅关心出行的安全性和便利性，更关心桥梁的舒适性和耐久性，更关心桥梁的景观和美观。斜拉桥具有所有这些品质。其形式多样的梁塔，在不同场合巧妙地组合在一起，展现出空间感和艺术感，给人一种美好的享受。香港昂船洲大桥采用单柱桥塔和双箱体式梁，以简单、现代和现代的方式相辅相成（图9）。作为一座山桥，瑞士森尼贝格大桥（图10）愿意降低其轮廓，将其美丽隐藏在群山之间。南京青奥桥，虽然只是一座人行天桥，却象征着运动、青春、友谊，每当灯笼首次放开时，两座椭圆形的桥塔在夜色中绽放出迷人的光芒，像一双明亮的眼睛，因此南京市民给它起了个绰号“南京眼”。这样的例子不胜枚举。
图10 瑞士桑尼贝格大桥
结论
无论是在繁华的城市，还是在茫茫大海中，还是在深山之中，斜拉桥都以其卓越的性能和独特的姿态肩负着克服障碍、连接交通的使命。无论你是设计师、建筑商、业主还是普通人，你都会感受到，正是斜拉桥的无限魅力，让它成为大跨度桥梁的主流。
本文发表于《桥》杂志2019年第2期 共88期
作者 / 向海帆， 肖如成， 宋超林
作者单位 / 同济大学土木工程学院桥梁工程系
