桥梁工程建设成本高、社会影响大、存在时间久，必须提升工程的全寿命经济性，践行可持续发展工程理念。这就要从桥梁结构体系与力学性能出发，针对不同结构体系桥梁，着力推动建筑材料、结构形式、施工方法等方面创新发展。
悬索桥
对于大跨度地锚式悬索桥，从总体受力角度看，加劲梁几乎退化为传力构件。悬索桥加劲梁在运营阶段的受力相对容易满足，桥梁跨度较大时会出现横向受力控制的情况，纵向受力甚至会出现加大梁高并不能减小主梁应力的情况。大跨度悬索桥加劲梁的选型往往受抗风性能的控制，需要采用抗扭性能良好的钢箱梁或钢桁梁等截面形式以及气动措施。主梁材料指标几乎不受跨度影响，单跨钢箱梁悬索桥（千米级）造价中，通常主梁小于1/3、缆与锚系统大于1/2，主梁自身造价对悬索桥总造价影响敏感度相对较低，而自身重量对造价影响变得至关重要。因此，重量最轻的全钢主梁几乎是大跨度悬索桥的唯一选择，这就需要高度重视正交异性钢桥面板疲劳问题。其中，张靖皋长江大桥开展了开口肋正交异性钢桥面的系统研究，应用于主通航孔2300m悬索桥中，值得类似工程借鉴和推广应用。
对于自锚式悬索桥，加劲梁需要通过弯曲承担较大比例的荷载，同时承受梁端主缆的轴向压力，从总体受力上更接近斜拉桥。组合梁用于自锚式悬索桥，可以较好地满足结构的运营受力要求和结构稳定要求，混凝土桥面板可以较好解决桥面刚度的问题，一般情况下抗风问题并不突出，容易通过合理的设计得到满足。
图1 舟山小干二桥
舟山小干二桥(图1)为跨度150m+370m+150m组合梁自锚式悬索桥，采用混凝土板组合梁，混凝土板厚度26cm。
图2 济南凤凰黄河大桥
济南凤凰黄河大桥（图2）为主跨2×428m三塔自锚式悬索桥，采用正交异性组合板组合梁，组合板的混凝土厚12cm。
舟山小干二桥和济南凤凰黄河大桥两座自锚式悬索桥的研究和实践表明，采用传统混凝土桥面板的组合梁自锚式悬索桥，其经济跨径可以达到400m左右，而采用正交异性组合桥面板的组合梁自锚式悬索桥，其经济跨径可以达到500m左右。综合考虑自锚式悬索桥的结构受力性能和施工条件，正交异性组合桥面板的组合梁值得在自锚式悬索桥上推广应用。
斜拉桥
对于现代密索体系斜拉桥，桥塔、加劲梁和拉索三者之间相互依存，共同承受和传递荷载。在恒载作用下弯矩几乎可以忽略，在活载作用下主梁和桥塔主要是弯矩作用。在结构体系确定的条件下，主梁和桥塔刚度变化对自身受力影响显著，对其他构件受力影响较小。因此，恰当的梁塔刚度是保证经济性的前提。总体上斜拉桥各部件中主梁造价占总造价之比随跨度增加而减少，但即使对于千米级斜拉桥，主梁造价占比常常达到50%以上，主梁自身造价对斜拉桥总造价至关重要，自身重量对造价影响敏感度相对较低。因此，不同主梁形式各占一段技术经济优势跨度范围，并在一定范围交叉竞争。
葡萄牙Prdro、Reis等人对世界各地已建公路和铁路组合梁斜拉桥主要设计参数进行了统计研究，统计表明每平方米主梁用钢量一般在125 kg/m2和300 kg/m2之间，平均值为213 kg/m2。安徽巢湖大桥主跨460m斜拉桥，主梁采用组合钢板梁，钢梁采用Q345qD钢、桥面板采用C60混凝土。斜拉桥主梁钢材指标约215kg/m2，桥面板厚度26cm。可见采用普通混凝土桥面板的组合梁斜拉桥具有较强的技术经济竞争力。
图3 阿根廷Zarate Brazo Largo桥
随着斜拉桥跨度增加，特别是进入千米级跨度，采用组合桥面板的组合梁，能够规避正交异性钢桥面板疲劳问题并减轻主梁自重，可以充分展现其技术和经济上的竞争力。代表性的工程如阿根廷的Zarate Brazo Largo桥（图3），为主跨330m公铁两用斜拉桥，公路面组合板混凝土厚140mm。该桥当时的主要目的并不解决钢桥面疲劳问题，但却证明了正交异性组合桥面板的耐久性和可靠性，这种组合桥面板的混凝土层厚度10～15cm，钢桥面板可以相对弱化以节约钢材，是值得进一步研究和推广应用的重要结构形式。
图4 湖北观音寺长江大桥
从减轻传统组合梁自重、提升其力学性能和跨越能力的角度出发，可以采用Uhpc桥面板替代RC桥面板。正在建设中的湖北观音寺长江大桥（图4）就采用了钢-UHPC组合梁，该桥中心线处梁高4m，主梁全宽41m，实腹式横隔板间距3.5m，UHPC桥面板厚度分为17cm、21cm、25cm三种规格。
图5 美加戈迪-豪国际大桥效果图
加拿大和美国合作建造的戈迪-豪国际大桥(Gordie Howe International Bridge，图5)，主跨 853m，桥面设置六车道，大桥将于 2024 年年底建成通车。主梁采用组合钢板梁，钢纵梁采用工字钢结构，混凝土桥面板强度约相当于中国C90混凝土。
戈迪-豪国际大桥一方面展现了组合结构桥梁的技术经济竞争力，另一方面也说明了在普通混凝土和超高性能混凝土（UHPC）之间应该有能够平衡受力需求和经济性的高性能混凝土（HPC）。
拱桥
对于拱桥，不同结构体系差异较大。对于推力拱桥，拱是受力主体，恒载状态下可以通过选择合理拱轴线使主拱弯矩接近于零，即使采用拱梁（桥面结构）固结的组合体系，恒载状态也是如此；在活载作用下，主梁和主拱主要产生弯矩作用。对于无推力拱桥，主梁用以平衡主拱的水平推力，拱、梁和索三者相互协同，共同承受和传递荷载。在恒载作用下，主动调索可以使主梁和主拱主要承受轴力，恒载弯矩几乎可以忽略；在活载作用下，主梁和主拱主要产生弯矩作用。
从拱桥结构体系看，中承式和上承式推力拱桥应结合具体建设条件与工程实际，通过采用梁拱共同作用的组合受力体系，经济合理的解决拱桥结构受力与稳定以及抗震等问题。
图6 挪威新斯文森德大桥
挪威新斯文森德大桥（图6）为单片中心混凝土拱肋分体钢箱梁拱桥，主拱的跨度247.3m。桥梁结构简洁明快，建筑师希望拱肋尽可能做得纤细，为了改善结构的侧向稳定性和抗屈曲性能，充分利用分体钢箱梁强大的横向刚度，在拱梁架设完成后对主拱与主梁交叉处进行固定连接，显著提高了整体稳定性以及控制拱肋的侧移。
图7 日本天城大桥
日本天城大桥（图7）主拱跨度350m的中承式钢拱桥，两侧边跨采用预应力混凝土T形刚构，与钢梁构成混合梁的特殊结构形式。不仅减小了主拱所承受的竖向荷载，而且拱跨主梁与拱肋固结并与边跨主梁连续布置，提高了主拱受力稳定、抗震性能和行车舒适性，也提高了桥梁的经济性。
飞鸟式部分推力拱桥的桥面不宜仅作为传力结构，而应该以梁拱共同作用、采用不同外部约束以及施工措施的灵活应用，进行拱桥受力优化，应对软土地基条件及温度荷载等不利作用。
图8 美国弗里蒙特桥
图9 弗里蒙特桥吊装施工
美国弗里蒙特桥（Fremont Bridge）为飞鸟式三跨连拱桥（图8、图9），主跨382.6m，采用梁拱固结体系，两主墩处拱脚与桥墩之间设置销铰支承，以释放转动约束。上层正交异性钢桥面承载4车道，并与系梁共同受力。下层钢筋混凝土桥面板承载4车道。拱肋采用矩形钢箱截面形式，宽1.22m，腹板高1.17m。采用拱肋与主梁固结的结构体系，在梁拱固结点之间的中跨部分，施工时先成为“系杆拱桥”，该结构范围拱肋水平分力由主梁平衡，不再传递到拱脚由桥墩与基础平衡。
图10 日本木津川新桥
飞鸟式三跨梁拱多为部分推力结构体系拱桥，无推力自平衡体系三跨连拱并不多见。日本木津川新桥（图10）主跨305m，由于桥面高、地基软弱、横向稳定及抗震要求高，选择无纵向推力的平衡拱结构。采用梁拱固结布置，中跨吊索采用网状布置，中间部分在架设时拼装成“系杆拱桥”的结构形式整体吊装。该中承式平衡拱是兼顾航道条件和景观的最佳形式。
下承式无推力拱桥应该加强系杆拱桥，特别是网状吊杆系杆拱桥的推广应用，并以先进设计理念提升其技术经济竞争力。
20世纪90年代以来，组合梁系杆拱桥的混凝土桥面板作为系梁的一部分，参与承受系梁中的拉力作用，开始成为主流的做法。德国德米茨1991年建成的易北河桥就是采用这种形式的桥梁。该桥跨度178m，两片拱肋采用钢箱结构。系梁采用组合梁，由钢纵横梁及混凝土桥面板组成，桥面板在端部拱脚处与水平横撑结合，其余范围与钢横梁结合。
图11 济南齐鲁黄河大桥
济南齐鲁黄河大桥主桥为网状拱桥（图11），设有双线轻轨、8车道公路、非机动车道和人行道，大桥以420m主跨创造系杆拱桥跨径世界纪录。主梁采用正交异性组合板组合梁，混凝土板厚120mm，钢顶板厚12mm，U肋厚8mm、间距720mm。主梁高4m、宽60.7m，空腹式隔板间距4.5m；拱肋高4m、宽3.5m。
该桥具有结构刚度大、材料用量少、造价低的特点，充分展现网状系杆拱桥以及正交异性组合桥面板在大跨度范围的技术经济竞争优势。
从拱桥的桥面结构（主梁）看，上承式拱桥应该多采用组合结构及连续结构（刚构）体系；中承式拱桥（推力拱和部分推力拱）的桥面结构应该采用整体式桥面结构（主梁），多采用组合结构及连续结构体系；下承式无推力系杆拱桥多采用组合结构。根据拱桥的跨度大小、主梁自身造价以及梁重对拱桥造价的敏感性，组合结构应该随跨度逐步增加，从RC板组合梁到RC组合板组合梁，再到HPC/UHPC组合板组合梁，做出合理选择。
从拱桥技术发展看，随着全寿命经济性理念的推行以及向大跨径发展，一些钢和混凝土等高性能材料、正交异性组合桥面板等新结构，将具有加大跨越能力、提升结构性能以及发挥技术经济优势的潜力。
梁桥
相对于斜拉桥、悬索桥和拱桥，梁桥的结构体系和受力行为相对简单。以应用最为广泛的连续梁为例，预应力混凝土梁、组合梁、钢箱梁、钢桁梁都是常用结构形式，并且都有其合理的应用场景和经济跨径范围。但钢梁的正交异性桥面板存在疲劳问题，在常用百米以下跨度范围经济性差；预应力混凝土梁随跨度增加经济性下降，混凝土时变效应等因素使其长期变形与力学性能难以准确把握。组合梁可以规避钢桥面板的疲劳风险、预应力混凝土梁开裂和变形风险，在40～100m跨度范围（组合钢桁梁在更大跨度范围）具有更好的经济性。因此，一方面，有必要采用先进理念提升传统组合梁（包括组合钢板梁、组合钢箱梁和组合钢桁梁）技术水平与竞争力；另一方面，可以采用正交异性组合桥面板的组合梁，进一步拓展组合结构桥梁的技术经济竞争力和应用范围。通常认为，对于连续梁结构体系，大约在150m以上跨度，从经济性角度钢梁较组合梁具有优势，而采用正交异性组合桥面板替代传统混凝土桥面板，可以减轻结构自重，可以使组合梁在更大跨度范围与钢梁竞争。
图12 德国维滕堡易北河大桥效果图
德国维滕堡易北河大桥（The Elbebridge Wittenberge，图12），为主跨160m连续梁桥，采用RC正交异性组合桥面板，混凝土厚150mm，U肋高350mm、间距900mm。
济南凤凰黄河大桥南北两岸跨大堤连续梁桥均采用了正交异性组合桥面板。
南岸主跨165m三跨连续梁，全宽54～61.7m，梁高4.5～7.0m，组合桥面板采用纤维混凝土板、厚120mm，U肋高280mm、间距720mm，横隔板间距4m。
图13 济南凤凰黄河大桥主跨245m连续梁
北岸主跨245m连续梁（图13），全宽54～61.7m，梁高4.8～10.0m，高跨比为1/24.5。组合桥面板采用高性能混凝土板、厚80mm，U肋高280mm、间距720mm，横隔板间距4m。中墩混凝土板厚0.35～1.2m。钢材指标721kg/m2。
以上实例展现了混凝土桥面板板组合梁以及组合桥面板板组合梁的技术经济优势，特别是混凝土正交异性组合板和高性能混凝土正交异性组合板，用于替代正交异性钢桥面板或传统混凝土板，可以使得组合钢箱梁连续梁竞争跨度分别达到200m和300m以上。
中国幅员辽阔，从平原到山地、从水乡到河谷，各种地形地貌都有代表性的城市分布。相应于城市类型的多样性，城市桥梁最突出的特征也是多样性，这为桥梁工程师提供了巨大的创新空间。城市桥梁不仅要满足功能、美学要求，还要满足可持续发展要求，这就需要桥梁工程师充分发挥人类适应和利用自然环境的智慧和创造力。
谈谈城市桥梁（上）
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2024年 第5期 总第121期
作者 / 邵长宇
作者单位 / 上海市政工程设计研究总院
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
审校 / 李天颖 王硕 廖玲
联系人：李天颖
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
联系电话：13552183635
稿件投递
联系人：王硕
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
联系电话：13910070564
联系人：黎伯阳
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
联系电话：010-64282959-503
联系人：穆玉
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
联系电话：18910480043
喜欢请转发吧！
原创稿件，转载请标明出处