斜拉桥与悬索桥的优缺点比较

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一

概念与定义

斜拉桥,又称斜张桥，是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，拉索的存在可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻结构重量，从而节省材料。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。

悬索桥，又称吊桥，是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。由于主要承重构件是悬索，且主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材(钢丝、钢绞线、钢缆等)制作。悬索桥可以充分利用材料的强度，具有用料省、自重轻的特点，在各种体系桥梁中的跨越能力最大。悬索桥由索塔、主缆（大缆）、吊杆、锚碇、加劲梁组成。

二

优缺点比较

从结构构造来说：斜拉桥是超静定结构,其稳定性较静定结构的悬索桥要好；斜拉桥可以做成连续多跨,但悬索桥做成多跨在技术上还有难度（目前世界最大三塔双跨悬索桥是中国的泰州长江大桥,单跨1080m）；悬索桥必须有锚碇,如果所在河流较宽,而单跨达不到一跨跨越的跨度,则锚碇就要放置在河中,会严重影响水流,威胁到航运,同时建设难度及成本也会增加（因此苏通大桥宁可选择斜拉桥）。

从结构受力来说：跨度越大时悬索桥的受力比斜拉桥更加合理,所以能做到更大跨度（规划的墨西拿海峡桥已经做到3300米）；斜拉桥跨度过大时,为使拉索受力不至于过大,就必须加高桥塔高度,而桥塔高度又不可能无限加高；斜拉桥拉索会对主梁有水平方向的作用力,加大了主梁强度要求,悬索桥就没这一情况。

从经济方面说：在这方面，世界桥梁界没有一个统一的认识，传统观念认为跨径500m以上时，采用悬索桥较斜拉桥经济合理。在2011年国际桥协第35届年会上，丹麦I.Hauge先生认为在1 200m以下的跨度斜拉桥占优，超过1200m的跨度，斜拉桥将受到塔高和长索的限制，锚碇条件有利的悬索桥将会占优。日本Nagai教授认为自锚式斜拉桥跨度的极限在1200～1400m之间，如采用部分地锚斜拉桥，极限跨度还可延伸至1600m，当悬索桥的锚碇只能设在水中，则斜拉桥方案仍有竞争力。同济大学肖汝诚等人在《同济大学学报》2013年第2期发表《缆索承重桥的体系比选》认为：当锚碇条件为岸上岩石时，跨度超过900m时悬索桥就会占优；对于岸上软土锚碇，则跨度1100m以上悬索桥才会占优；而对于浅水锚碇，初步估算在1600m以上才会占优。

由此可见，三方面的研究结论是基本一致的。总体来讲：

1.斜拉桥作为一种自锚体系，不需要昂贵的地锚基础；防腐技术要求更低；刚度更大，抗风能力更强；施工可采用悬臂施工方法，不妨碍通航；钢束用量更少等。斜拉桥另一大优点是造型可以多样化：平行双索面、斜索面或中央单索面配以各种不同造型的桥塔，形成刚性塔和轻型漂浮桥面的风格，或者刚性桥面辅以挺拔塔柱的另一种姿态。

2.悬索桥是桥梁界公认的桥梁领域中最优美的桥型。从现今材料发展来看，长细杆件材料抗拉强度相对于抗压（弯、扭）高，因此可以充分利用当今材料优势，从而显得受力更加合理。传统观念认为跨径在500 m以上，采用悬索桥较为经济合理。从目前的研究与认识来看，我们可以认为1200 m才是斜拉桥与悬索桥经济比较的分界线。

三

协作与妥协

目前，700m以上到1200m的跨度范围是斜拉桥和悬索桥的竞争区。但是关于斜拉桥的极限跨度曾有过不少讨论，七十年代德国Leonhardt教授为意大利墨西拿海峡做了一个1800m跨度的斜拉桥方案，并从刚度、力学性能、经济指标等方面和悬索桥进行了对比，论证了斜拉桥的技术可行性。近年来，一些学者研究了大跨度斜拉桥主梁轴力引起的稳定性问题，当斜拉桥的跨度超过1200m后，桥面的压屈将成为控制因素，为此需要增加主梁的断面以保证其稳定性，提出的解决办法是采用部分自锚和部分外锚的“双锚体系”，通过设置一个较小的锚碇平衡掉一部分索力，使主梁的轴力减小来解决稳定问题，这也使斜拉桥极限跨度向前延伸。既然有了一个小锚碇，人们很自然地想起早在上世纪50年代德国工程师Dishinger提出过的悬索和斜拉协作体系，即主跨的中段用悬索体系，两边用斜拉体系，斜拉体系部分还可以采用混凝土桥面和悬索体系部分的钢桥面组成混合桥面，这样既可提高整个桥梁的刚度和稳定性，又可利用悬索部分的主缆约束斜拉部分悬臂施工中的变形，减小风致振动产生的塔、墩内力。当然结合部的吊杆存在着疲劳控制设计的问题，需要认真研究提出解决办法，但是两种体系出现协作与妥协已被认为是更大跨度桥梁的最佳解决方案。

1997年，在我国的贵州省，诞生了世界第一座斜拉悬索协作体系桥梁——贵州乌江大桥，主跨288m，结束了世界上对协作体系桥型各种疑虑和争论不休从而停滞不前的状况，为本世纪超长跨径桥梁最具明显优势和发展前景的新一代桥型的开端。

乌江大桥是贵遵高等级公路横跨遵义乌江渡口，全长461.6米，主跨288米，索塔高60米，为预应力钢纤维混凝土连续加劲梁吊拉组合桥（简称P.F.C吊拉组合索桥），桥型结构新颖，是交通部与贵州省“九五”科技联合攻关项目。于1995年3月开工，1997年12月竣工。

2019年6月13日、14日，为期两天的甬舟高速公路复线线位方案论证报告及金塘至大沙段工程可行性研究报告评审会在舟山召开。其中西堠门、桃夭门及富翅门水道拟采用与甬舟铁路合建方案。主跨1488米新西堠门特大桥，在对悬索桥或斜拉悬索协作体系桥方案进行比较后，推荐采用斜拉悬索协作体系，建成后将成为世界同类桥梁中跨度最大的公铁合建大桥。

▲西堠门特大桥两方案比较图

▲西堠门特大桥（斜拉悬索协作体系）效果图

协作体系至少有以下优点值得考虑：

1.协作体系塔根弯矩较斜拉桥大幅减小，在纵向风载作用下，协作体系受力优于斜拉桥，活载作用下主梁弯矩较斜拉桥大幅减小；

2.与斜拉桥相比，悬吊部分主梁不再产生由斜拉索引入的主梁轴向力，主梁承受轴力得以减小，使主梁设计更加方便，有更大选择；

3.活载作用下主梁挠度比斜拉桥小，充分显示主缆外锚对提高结构刚度的有效性；

4.与悬索桥相比，竖向刚度可大幅提高，尽管其主梁、主塔弯矩大于悬索桥，但竖向刚度增加对桥梁特别是铁路桥梁十分重要。同时，由于斜拉部分桥面荷载不需通过悬索桥主缆传递，因此主缆、锚碇可以减小；

5.充分发挥两种桥型的优点，既克服了斜拉桥由于悬臂长度加大引起主梁压力过大问题，又大大减小了大跨悬索桥中主缆拉力和地锚的工程量；

6.斜拉部分主梁可改用较重的混凝土桥面体系(如叠合梁)，节省大量钢材，降低造价，且能用这部分重型结构增加全桥的稳定性，对提高主梁强度、刚度都有帮助；

7.悬吊与斜拉部分长度分配关系可视主塔墩基础、锚碇修建条件和费用及主梁承受轴向力的能力适当调配，主梁形式可作出多样选择。协作体系斜拉部分的尾索应力幅有所降低，但悬索结合部吊索的交变应力幅较大，这可以通过边跨设置辅助墩，或必要时增加吊索恒载的方法解决其疲劳问题。

随着桥梁跨径增加，协作体系的经济性能有望优于斜拉桥，协作体系具有受力合理、抗风性能好、施工安全方便、造价合理的优点，是一种合理的超大跨度桥梁体系。

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