结合梁斜拉桥施工过程中考虑剪力滞影响的分析方法
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 论文背景
§1.1.1 斜拉桥
斜拉桥[1]是一种以梁、塔构件受压为主、斜拉索受拉，充分发挥材料特点的结
构。斜拉桥结构的主要特点是利用斜拉索作为梁跨的弹性支承，借以减小主梁的
截面弯矩、减轻梁重、提高结构的跨越能力。
在世界范围内，现代斜拉桥的修建技术从 20 世纪 50 年代开始，90 年代得到
迅速发展，目前其跨径已进入以前悬索桥适用的大跨径范围。作为一种结构轻盈、
跨越能力大的桥型，斜拉桥已成为现代大跨度桥梁最具竞争力的桥型之一。如今，
结构分析的进步、高强材料和施工方法以及防腐技术的发展对于大跨径斜拉桥的
发展起到了关键性的作用。
(1) 国外斜拉桥的发展史[2]
斜拉桥是一种由索、塔、梁三种基本构件组成的组合结构。这种结构型式的
雏形远在几百年之前就出现了，老挝和爪哇很早就有原始的竹制斜拉桥，古代埃
及的海船上也出现过用绳索斜拉的工作天桥。
1617 年意大利人 Fraustus Verantius 设计了一座用眼杆铁链吊拉的桥梁，
1784 年 Loscher 在德国设计过一座木制的斜拉桥，1817 年在英国出现的 King's
Meadow 桥己初具斜拉桥的结构形式。但由于当时材料水平和设计理论的制约，有
几座早期的斜拉桥已发生倒塌事故，因此在很长的一段时间内，斜拉桥发展几乎
成为空白。
1938 年德国的工程师 F.Dischinger 首先重新认识到斜拉桥这一结构体系的优
越性，开始对斜拉桥进行新的研究，并于 1949 年发表了他的研究成果，从而为现
代斜拉桥的发展奠定了基础。他指出，对钢斜拉索必须施加足够高的应力来消除
长索的自重垂度带来的柔性影响，从而使梁体的变形保持在较小的范围内。
1955 年，遵循 F.Dischinger 的设计思想设计建成的瑞典的 Strömsund 桥，标
志着现代斜拉桥的发展的开端。Strömsund 桥跨径为 74m＋183m＋74m，门型框架
塔，斜拉索辐射形布置，加劲梁由二片板梁组成。
1962 年，委内瑞拉建成 Maracaibo 桥，跨度 135m，为第一座混凝土斜拉桥，
A形塔，索用预应力刚性索，加劲梁亦用混凝土材料构成。
20 世纪 60 年代初期，结构分析有了新突破，开始采用电子计算机分析超静定
结构，密束体系由此产生。
1969 年，德国 Dusseldof 建成 Knie 桥，跨径 320m，塔采用无横系梁的塔，索
采用竖琴式布置，桥面中孔是钢结构，边孔采取混凝土梁构造。
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日本于 1999 年建成的 Tatara 桥，主跨径已达 890m，该桥为目前世界上己建
成的最大跨径的混合式斜拉桥。
(2)中国斜拉桥发展史
中国的斜拉桥建设始于七十年代。1975 年在中国四川省云县首先建成了中国
第一座斜拉桥——云阳桥，主跨径 76m，门型塔架，斜拉索为双面辐射型布置。
同年上海松江县的新五桥也宣告建成，主跨径 54m，门型塔架，斜拉索为双面竖
琴布置，这两座斜拉桥的建成，揭开了中国斜拉桥的序幕。
1982 年在中国上海建成柳港大桥，主跨径 200m，双塔双索面竖琴型布置的混
凝土斜拉桥，采用预制悬臂拼装施工工艺。同年在山东济南建成济南黄河桥，主
跨跨径 220m，是双塔双索面扇型布置的混凝土斜拉桥，采用现浇混凝土悬臂施工
工艺。1988 年，建成了天津永和大桥，主跨跨径 260m，双塔斜拉桥。这三座桥的
建造标志着中国已经具备了在大江大河建造斜拉桥的能力。
1991 年，在中国上海建成南浦大桥，主跨径 423m，双塔双索面扇型布置，结
合梁主梁。1993 年又建成了杨浦大桥，主跨径 602m，是当时世界上跨径最大的结
合梁斜拉桥，双塔双索面扇型布置，加劲梁采用箱型、主梁工字型、横梁以及
26cm-40cm 厚桥面板组合而成，塔采用钻石型以提高抗风能力，塔与斜拉索的锚
固方法已进入了世界先进水平。
进入九十年代，我国斜拉桥建设在数量、跨度、结构体系等方面都有了较大
的进展，进入一个新的发展高潮时期，出现了一批主跨超过 400m 的大跨度斜拉桥，
如上面提到的上海杨浦大桥(主跨 604m，结合梁结构)，尤其是正在兴建的苏通长
江大桥主跨跨径达到 1088 米、中国香港昂船洲大桥主跨跨径为 1018 米，主跨跨
径都超过千米，标致着我国斜拉桥整体建造技术跨入国际先进行列，部分技术达
到国际领先水平，表 1.1 为当前世界上跨径前 10 位的斜拉桥，从中可以看到我国
已经占有 8座，令人振奋，说明斜拉桥的设计、修建技术在中国确实得到了发展。
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表1.1 世界十大斜拉桥
排名
桥名
国家
完成年份
跨径（m）
1
苏通长江大桥
中国
在建
1088
2
香港昂船洲大桥
中国
在建
1018
3
鄂东桥
中国
在建
926
4
多多罗桥
日本
1999
890
5
诺曼底桥
法国
1995
856
6
马鞍山长江大桥
中国
在建
850
7
荆岳桥
中国
在建
816
8
上海长江大桥
中国
在建
730
9
南京长江三桥
中国
2005
648
10
南京长江二桥
中国
2001
628
§1.1.2 结合梁斜拉桥与问题
如今，在斜拉桥的发展中，另外一些特点是具有多种结构形式和应用组合材
料。按照斜拉桥主梁来分类主要有[3]：混凝土主梁、钢梁主梁、结合梁主梁和混合
式主梁系统。其中将由预制的混凝土桥面板与钢梁通过现浇混凝土形成组合截面
作为主梁的斜拉桥就得到了广泛的应用，本文将重点来讨论这种所谓的结合梁斜
拉桥。
通过实践，人们认识到，当钢板梁上浇筑的钢筋混凝土板尚未结硬之前，是
属荷载性质，它不但不能提高梁的承载力，反而因其重力而使钢板梁的下翼缘的
拉应力增大。但在钢筋混凝土板结硬之后，若采取一定的构造措施，它将与钢板
梁形成一个整体截面受力，这时，后期恒载（例如栏杆扶手、人行道等）及车辆
荷载等的作用，均由这个整体截面来承受，而不再是由钢板梁单独承受，从而大
大地改善了主梁的后期工作性能。通常把钢梁与钢筋混凝土板，以抗剪连接件连
接起来形成整体，而共同工作的受弯构件称为钢－混凝土结合梁，或简单称之为
结合梁。
结合梁的基本概念，由德国学者 Leonhardt 在1980 年提出，其主要思想是用
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混凝土板代替造价昂贵的钢正交异性板。与钢板梁相比，钢－混凝土结合梁有以
下特点：
a) 充分发挥了钢材和混凝土材料的各自材料特点。因为在简支梁情况下，钢
－混凝土结合梁截面上混凝土主要受压而钢梁主要受拉。
b) 节省钢材。由于钢筋混凝土板参与钢板梁共同工作，提高了梁的承受能力、
减小了钢板梁上翼缘的截面，节省了钢材。一般来讲，结合梁比钢板梁节省钢材
可达到 20％～40％。
c) 增大了梁的刚度。由于钢筋混凝土板有效参加工作，结合梁的计算截面较
钢板梁大，增加了梁的刚度、减小了主梁挠度。计算表明，梁挠度可减少 20％左
右。
d) 受压翼板为较宽大的钢筋混凝土板，增强了梁的侧向刚度，防止了在使用
荷载作用下扭曲失稳倾向。
e) 可利用已安装好的钢梁支撑模板，现浇混凝土桥面板。
f) 在活载作用下比全钢梁桥的噪音小，在城市中采用结合梁更合适。
基于以上特点，钢－混凝土结合梁最先在公路桥梁上使用。几乎所有技术先
进的国家都制订了有关结合梁的桥梁设计规范或规程。
1986 年，加拿大温哥华建成 Annacis 桥，主跨跨径为 465m，是第一座大跨径
结合梁斜拉桥；1991 年，上海建成了南浦大桥，主跨跨径 423m，是中国第一座结
合梁斜拉桥。
由于结合梁斜拉桥充分发挥了钢和混凝土两种不同材料的优点，而且施工速
度快，抗震性能好，用于铁路桥梁还能减小噪声和冲击系数。不仅如此，结合梁
斜拉桥在造价上也有很强的竞争能力，因此近年来在国内外发展很快，应用日趋
广泛，本文在表 1.2 中列出目前世界上主要的结合梁斜拉桥，说明该桥型的现状和
发展趋势。
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表1.2 大跨径结合梁斜拉桥一览表
序号
桥名
国家
完成年份
跨径（m）
1
杨浦大桥
中国
1993
602
2
徐浦大桥
中国
1997
590
3
南浦大桥
中国
1991
423
4
香港汀九桥
中国
1998
475＋448
5
青州闽江大桥
中国
2001
605
6
Annacis 桥
加拿大
1986
465
7
Second Hooghly 桥
印度
1992
457
8
达得福特桥
英国
1992
450
9
休斯顿航道桥
美国
1993
381
10
上海东海大桥主桥
中国
2006
420
11
广州鹤洞大桥
中国
1998
360
12
灌河大桥
中国
2006
340
同样通过表 1.2 中数量和跨径的比较，我们可以发现，我国修建结合梁斜拉桥
的成就，以及结合梁在斜拉桥中已具有十分重要的地位。
我们知道：由于材料存在剪切变形的原因，在板状结构形成的宽桥系中存在
剪力滞的影响问题，对于结合梁斜拉桥的主梁剪力滞的影响更加复杂，其中特别
是剪力滞分布沿着主梁的纵轴向是变化的、同时还随着荷载工况的改变而变化。
因此到目前为止，还没有看到如何在结合梁斜拉桥的施工过程中考虑剪力滞影响
的分析方法。由于剪力滞的纵向分布是变化的，因此无法用传统考虑剪力滞影响
的计算方法来正确给出施工过程中混凝土板内的应力分布和主梁挠度的变化值。
如果对施工过程的结构分析不确切，将造成一些结合梁斜拉桥在施工过程中和成
桥运营后出现一些有规则裂缝的现象。
在类似结构考虑剪力滞影响的计算中，一般采用“有效分布宽度”[4]的概念。
许多国家都制定了各种规范对“有效分布宽度”进行了规定，其中，中国的有关
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规范的计算方法为：
a
L
cbt 或或 3
212 10
，一般取三者之较小值。
其中：L为跨径，a为主梁间距，c1为加腋宽度，t为板厚，b0为肋宽。
注意：有效分布宽度取值不能大于主梁间距。
传统的计算方法就是利用规范中的公式通过取部分顶板来进行计算，但在结
合梁斜拉桥的施工过程计算中，剪力滞影响是非线性的，因此，规范建议方法明
显存在不足，所以必须采用更加确切的方法进行分析，这也就是本文所要解决的
问题。
§1.1.3 工程背景
江苏省灌河大桥是盐城至连云港高速公路上的一座特大型桥梁，起点桩号
K42+865.293，终点桩号 K44+684.253，桥梁全长 1.819km，其中主桥长 640m。主
桥为双塔双索面斜拉桥，跨径布置为 148.30+340.00+148.30 米，半漂浮体系，主梁
采用钢梁与预制混凝土桥面板的结合梁形式，主梁中心间距 34m，中间设 3道小
纵梁，横梁间距 3.4m，桥面全宽为 36.6m。主塔为 H型钢筋混凝土结构，每一塔
布置有 13 对斜拉索。
§1.2 本文的方法与工作
本论文鉴于上述情况，针对结合梁斜拉桥施工过程中剪力滞影响分析为目的，
以一座结合梁斜拉桥——灌河特大桥的施工控制为工程背景，在确定施工工艺之
后，采用平面结构分析与空间有限元分析结合的思想，由平面杆系计算方法按照
施工过程确定斜拉索的张拉索力，而用空间有限元分析方法考虑剪力滞的影响，
提供施工过程中监控所需要的结构挠度变化和应力分布值，分别解决施工过程中
斜拉索索力张拉值和剪力滞分布宽度变化引起的应力集中等问题，从而得到施工
过程中正确的主梁挠度变化计算值，以最终解决桥面板剪力滞分布宽度随着工况
改变和沿着桥轴纵向变化引起的结构计算问题，最后成功的实施了江苏省沿海高
速公路灌河大桥的施工监控工作。在整个施工过程中混凝土板没有发现以前其它
类似桥梁出现的裂缝，实践证明采用平面结构与空间有限元分析方法结合处理结
合梁剪力滞的思想是可行的，经验可以借鉴其它类似桥梁的施工分析。
其中，本文所采用的平面杆系结构施工仿真计算采用同济大学桥梁工程系开
发的 CSAB (Construction Structural Analysis for Bridges)软件，空间计算所采用的是
NASTRAN 软件。通过空间软件进行空间全模型分析与平面计算的两种手段，以
考虑施工过程中结构截面形心高度变化、桥面板剪力滞分布变化以及先钢梁、后
组合截面等因素，对平面有限元模型应力和变形计算结果进行修正。
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作者：牛悦
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时间：2025-01-09
