大跨度索辅梁桥桥梁结构的设计方法研究

董旭

华设设计集团股份有限公司 江苏 淮安 223001

索辅梁桥理论属于一种较为新颖的建设理论，其定义为“通过部分缆索辅助来增加梁体的承载能力，实现依靠梁体自身强度不能达到的跨度目标”。通过对定义进行分析可以发现，索辅梁桥本质上是通过缆索辅助增强桥梁结构的一种组合型桥梁，根据缆索的具体类型，索辅梁桥可以进一步划分为索辅梁斜拉桥、索辅梁悬索桥、索辅梁拱式桥三种基本类型。在实践中，我国索辅梁桥的建设数量相对少，相关理论内容较为薄弱，同时也欠缺高质量的技术总结，对其进行研究具有一定的现实意义。本文从这一角度出发，结合国内外相关类型桥梁的建设特点，对其设计思路、原则、要点进行深入研究。

1 大跨度索辅梁桥桥梁结构的基本特点

1.1 大跨度索辅梁桥桥梁结构概况

索辅梁桥与传统缆索承重桥梁之间存在比较明显的差异，具体而言，传统缆索承重桥梁的承重能力主要来源于其钢索线刚度、塔拱结构的弯曲刚度，而索辅梁桥的承载力主要是由梁体竖向弯曲刚度、部分缆索所提供的。在载重恒定的背景下，索辅梁桥刚度较大的梁体、缆索之间会自动进行力学平衡，保障桥塔、拱等牵引固定结构的受弯效应最小。在活载作用下，梁体、缆索会根据刚度关系调整受力，梁体承担最大受力，塔、拱等位置承担受力相对较小[1]。

索辅梁桥的受力及结构特征如下：（1）缆索。承担辅助受力功能，按照其承载比例提供部分刚度。，其特征为型号较小或者稀索布置，其总数比一般斜拉桥少很多。（2）梁体。在整体结构中属于主承载结构部件，提供整体刚度，其特征为梁高较大、刚度大。（3）桥塔。不需要提供纵向整体刚度，同时受力较小，按压弯构件设计，其特征为轻量化、造型多样。（4）拱肋。不需要提供纵向整体刚度，同时受力较小，需要控制减小面外受力。其特征为轻量化、造型灵活。（5）对于双塔三跨式结构，边跨、中跨的比值通常大于一般斜拉桥，其目的在于防止支座处出现较大的负反力，其具体比值一般在0.5左右[2]。

1.2 大跨度索辅梁桥桥梁结构设计发展

中国索辅梁桥设计与建设发展时间相对较短，在发展过程中也存在许多的尝试。在福建省三明市，其台江大桥采用了2×110m的桥跨布置方式，在实际建设阶段，其两端的道路已经建设完成，具有高程固定的特点，同时还需要满足较大的通行量，因此，桥梁纵坡的坡度应当控制在一定范围内。综合诸多要素，相关技术人员采用了索辅梁桥的设计思路，采用2.8m的预应力混凝土梁代替了钢箱梁，由缆索承担部分梁荷载，属于对索辅梁桥结构的初步探索。图1为福建省三明市台江大桥。

图1 福建省三明市台江大桥

综合中国索辅梁桥建设历史来看，主要呈现以下几个发展趋势：（1）跨径不断增大。在索辅梁桥建设早期，其跨径普遍相对较小，均在100m-200m的区间范围内，其典型代表为2008年建成跨度为2×100m的沈阳三好桥、2010年建成跨度为2×110m的三明市台江大桥等。而随着时间以及技术水平的发展，索辅梁桥的主跨跨度也逐渐增大，其典型代表包括2014年建成跨度为445m的重庆东水门长江大桥、2015年建成跨度为312m的重庆千厮门嘉陵江大桥等[3]。（2）主梁结构多元化。在索辅梁桥建设早期，其主梁结构普遍较为简单，一般为预应力混凝土箱梁结构，其典型代表为2008年建成的沈阳三好桥、2010年建成的三明市台江大桥、2011年建成的合川南屏嘉陵江大桥等。此后，索辅梁桥的主梁结构逐渐向着复杂化的方向发展，钢混组合结构、波形钢腹板的结合梁、钢桁梁等结构层出不穷。例如，2014年、2015年相继落成的重庆东水门长江大桥、重庆千厮门嘉陵江大桥均属于典型的钢桁梁结构，2019年建成的深圳前海区十一号桥则采用了分离式钢箱梁结构[4]。（3）主梁结构轻薄化。在索辅梁桥建设早期，主梁结构建设较为常规，但是随着时间的发展，设计人员发现，索辅梁桥的主梁内力可以通过斜拉索来进行调整，其尺寸灵活性比连续梁桥大很多。同时，为了适应民众对于桥梁美观性的需求，在后期阶段，桥梁主梁建设逐渐向着轻薄化的方向发展[5]。

2 大跨度索辅梁桥桥梁结构的设计方法

结合大跨度索辅梁桥桥梁结构的基本特点以及实际工作情境中大多数桥梁的设计实践工作，笔者从跨度设计、结构设计、梁体设计、拱与塔结构设计、缆索系统设计、锚固结构设计几方面对其设计方法进行综合分析。

2.1 跨度设计方法

根据上述内容可知，在索辅梁桥结构中，梁体、缆索分别承担不同比例的荷载，如果想要将其真正落实在实践中，就需要结合桥梁具体结构情况，对其荷载进行具体确定[6]。

随着的逐渐增加，梁体跨高比呈现出非线性、快速增长的趋势，结合实际桥梁建设数据分析可知，索辅梁桥适宜的主跨跨度如表1所示。

表1 索辅梁桥适合的主跨跨度

根据表1中的内容可知，当跨度为100m-300m时，索辅梁桥的优势才能充分发挥出来，在实际设计过程中，技术人员需要考虑缆索承载比，但不应被其所限制，需要以发挥梁体承载能力、优化缆索及其牵固结构设计为基本目标。

2.2 结构设计方法

当前，索辅梁桥建设所采用的结构体系包括半漂浮、整体固结、塔梁固结、下承式系杆拱、中承式拱几种基本类型，其适用场景有所不同。

桥梁结构指的桥梁各部位的形态及具体连接方式，从设计原理角度讲，结构设计应当以满足使用状态、受力要求为基础，充分发挥出各结构的协同受力效果。不同适用情况下的结构设计思路如下：（1）在满足基本受力要求的前提下，为了发挥上塔柱与梁或拱与梁的系统受力效果，可以采用固结体系[7]。（2）在桥墩、下塔柱满足手里要求同时能够提供足够的柔度时，即可选择采用塔梁固结体系。（3）在固结条件均满足时，可以采取整体固结体系。

2.3 梁体设计方法

索辅梁桥梁体设计的基本类型通常包括混凝土箱梁、钢混结合梁、钢箱梁、钢桁架四种主要类型，不同梁体存在不同的构造特点，在实践中的具体适用情况如下。

混凝土箱梁、钢混结合梁、钢箱梁。这三类结构具有较强的相似性，在实践中可以采用力学、气动性能优越的斜腹板整体式箱梁，一般不能选择承载力较低、抗扭性能较差的梁体，如边主梁、钢板梁等。在分幅施工过程中，相关技术人员通常可以采取斜腹板分离式箱梁进行施工，只需要注意横梁刚度、承载力设计即可，对于变高粱，需要着重分析受力情况，尽量避免斜腹板受力，为了实现这一目标，通常可以使用带挑臂的箱梁来实现。

钢桁架。与其他三种梁体结构相比，钢桁架结构具有一定的特殊性，当索辅梁桥采用该结构实现其基本功能时，可以采用受弯性能优越的三角桁、N型桁来实现，在端面上采用板桁结合构造。

2.4 拱、塔结构设计方法

拱、塔结构也是索辅梁桥的主要结构，其具体设计思路如下。

桥塔部分。在实际工作中，大多数索辅梁桥的力学承载结构均为缆索、梁体，桥塔在一般情况下不需要承担主要刚度，同时，其弯曲受力也相对较小，在此背景下，其结构通常采用轻型化、多样化设计思路，桥塔上塔柱部分一般设计为柔性、大偏心压弯构件，高度、形态可以根据自身人文情况进行适当选择，通常不受限制。例如，成都沱江大桥采用与索网布置结合的多肢空间组合桥塔，整体形态优美，已经成为了当地重要的地标性建筑[8]。

拱结构部分。在实践中，拱结构通常需要呈现轻型化、多样化的特征，因此其限制相对较少，在索辅梁桥建设过程中，将轻型化的拱结构与单索面、多索面吊索有机结合，打造出受力明确、独具特色的索辅梁式拱桥是拱结构设计的关键。在实践中，吊索应当结合拱结构特点，布置在最优受力位置上。

2.5 缆索系统设计方法

缆索系统是索辅梁桥辅助受力的重要基础，在梁体上集中布置于对辅助结构受力最有效的跨中、四分点等区域。在索辅梁桥结构中，不同缆索体系的缆索承载力存在一定差异，因此，在缆索设计过程中，需要根据桥塔、拱结构基本情况进行灵活设计。在实际设计过程中，大多数技术人员通常会将梁体均匀分为多个“小跨”，稀索体系索辅两斜拉桥梁体斜拉桥的梁体分为无索区长度、有索区长度，其具体设计应当根据根部梁高进行适当调整。

2.6 锚固结构设计方法

锚固结构设计是索辅梁桥设计最重要的内容之一。在实际工作中，索辅梁桥锚固构造通常具有空间小、局部受力显著的特点，需要着重注意以下几个基本步骤。

在桥塔锚固结构设计方面，需要根据实际情况选择合适的构造方案，主要构造方案包括环向预应力锚固构造、钢锚箱构造两种。其具体适用情境以及适用方法为：（1）环向预应力锚固构造。此种构造方式适合箱室较窄，整体结构较为规则，一般表现为矩形的塔柱界面，在宽型不规则塔柱上，需要对截面进行优化，使其与非锚固区塔柱界面形心保持一致性。（2）钢锚箱构造。主要包括内置型钢锚箱、夹层内置钢锚箱两种基本类型，利用此类构造能够较好的实现主拉钢板、混凝土侧塔壁连接，具有传力直接、连接紧密、受力较小等诸多技术优势，还能使减小塔柱局部受力[9]。

在大索力梁上锚固构造方面，其设计思路如下。大索力梁通常需要承担大量的承载力，其索力根据桥梁差异有所不同，但一般在8000kN-10000kN的区间范围内。在采用单腹板锚固构造时，通常会由于索力偏心产生过大的面外附加弯矩，最终影响整体桥梁受力情况，针对这种情况，通常可以对其进行针对性优化，即采用II型双腹板锚固构造。

在钢箱拱吊索锚固构造方面，需要根据实际情况进行构造设计。具体思路如下：（1）如果钢拱结构截面较大，内部存在焊接锚箱构造的空间、吊索张拉空间时，技术人员即可采用锚箱式锚固构造进行处理。（2）如果钢拱结构截面较小，或者内部不存在焊接锚箱构造的空间、吊索张拉空间时，就可以采取外置耳板式锚固构造模式进行处理，但是，在采用该技术时，需要注意，技术人员应当在拱肋内部设置与耳板对应的横隔板，以实现受力传递。

3 结束语

纵观全文，本文结合实际工程设计与建设案例，对索辅梁桥进行了综合分析，从跨度设计、结构设计、梁体设计、拱与塔结构设计、缆索系统设计、锚固结构设计方面提出了建设建议。相关单位在实践中，可以适当参考本文的研究内容，同时充分结合自身实际情况，对于主跨在100m-300m左右，采用缆索承重体系、混凝土梁式桥建设方案无法实现特定目的的桥梁工程，基本都可以按照索辅梁桥进行设计。

总而言之，索辅梁桥属于预应力混凝土梁桥、斜拉桥之间的过渡桥型，兼具以上两种桥梁的诸多优势，如结构合理、节省材料、跨越能力强等。但是，索辅梁桥在我国的研究、发展时间过短，相关理论研究存在比较明显的缺陷，仍旧需要对其开展持续、深入研究。可供参考的研究方向包括索辅梁桥主梁顶板处斜拉索锚固区的分析、主梁施工变形分析等，相信随着理论研究的进一步深入发展，索辅梁桥一定会在未来的交通建设领域发挥出更加夺目的光彩。