作者：José J. Oliveira；Pedro António J. Reis
本文介绍了近50年来组合梁斜拉桥的发展概况，研究了现代中大跨度公路桥和公铁组合桁架桥的设计与施工方法。本文还探讨了组合梁斜拉桥的发展趋势，特别对材料、拉索和桥梁设计等领域的发展前景进行了展望。
1.组合梁斜拉桥发展简介
斜拉桥是一种美观、高效的桥型方案。在过去的50年里，斜拉桥的适用范围逐步扩大，目前已成为中大跨度桥梁中应用最多的桥型。对于跨度超过1000米的桥梁，斜拉桥已成为悬索桥的有力竞争桥型。
斜拉桥的设计方案和施工方案可以根据具体项目的特点、难点进行灵活调整，同时还可以保证良好的景观效果。这些特点使得斜拉桥备受青睐，并在设计和施工中不断取得成功。
跨度的增加需要自重更轻、强度更高的主梁断面。钢箱梁断面结合正交异性桥面板正是这种轻质、高强断面，适用于大跨度桥梁。从过去20年建造的各种钢-混组合桥面的跨度统计来看（图1），对于跨度达到600m，甚至700m的斜拉桥，钢-混组合桥面是最有效和最具竞争力的选择（参考文献Leonhardt and Zellner, 1991; Svensson, 1999, 2012; Taylor, 1994, 2001; Walther et al.,1985）。
采用斜拉索支持桥梁可以追溯到十九世纪。然后，直到过去的50年间该技术才出现了重大的发展，这主要是由于材料性能、施工工艺以及计算理论和数值分析的发展和进步。
1955年完工的瑞典斯特罗姆桑德大桥（Strömsund Bridge）通常被认为是现代第一座斜拉桥。该桥主跨跨径为182.6m，采用钢主梁支撑混凝土板的桥面系（图2）。该桥混凝土桥面板仅作为传递车辆荷载给钢主梁的构件，不承受斜拉索的水平分力。事实上，第一次实现将斜拉索水平力传递到桥面板的桥直到1956年在德国Büchenauer才建成（参考文献Svensson，1999）。
目前，“组合”一词已经被赋予了各式各样的斜拉桥。可以定义以下四种钢和钢筋混凝土组合类型（参考文献Svensson，2012）:
(a)组合梁，由钢结构和钢结构上部的混凝土板组成；
(b)混合梁，通常主跨采用全钢截面、边跨采用预应力混凝土截面；
(c)采用钢横梁或者其他横向钢构件的预应力混凝土截面；
(d)在顶部配有由混凝土磨耗面、沥青层或环氧树脂加固的正交异性板的钢桥面截面。
此外，不使用钢和混凝土，而使用复合纤维材料的小型人行桥也被称为“组合桥面”。
钢-混凝土组合梁斜拉桥桥面系通常被认为由顶部带有混凝土板的钢结构组成，钢-混凝土两部分共同提供刚度和抵抗矩承受桥面系的弯矩和轴力。本文不涉及桥面类型（b）、（c）和（d）。事实上，只有在（a）型桥面中，钢梁和混凝土板才作为同一横截面参与纵桥向受力。
最常见的组合梁斜拉桥桥面系由两道斜拉索支持的纵向钢主梁和支撑于纵梁及密布横梁网格上的混凝土板组成。纵梁与混凝土桥面板一起抵抗拉索的高轴力（文献Taylor，1994）。随着时间的推移，混凝土板的徐变和收缩效应会导致混凝土桥面板和桥塔变形，同时将混凝土板的压力转移给钢纵梁（参考文献Pedro，2007；Pedro and Reis，2010年）。
钢材的采用使得整个截面自重小、强度高。施工阶段，钢材还可以进行主梁模块化预制，制造过程可以高质量控制，构件尺寸保持高精度。此外，由于钢主梁节段易于组装，且架设后立即具备各项强度，使用钢梁截面可以更快的施工主梁。
混凝土桥面板的使用大大增加了桥面抵抗拉索轴力的能力，并为支撑公路/人行道表面或铁路道碴和/或铁路轨道提供了合适的平台。预制板采用高强度和高尺寸精度的钢筋混凝土制成，提高了桥面施工速度。将钢和混凝土组装在一起，可实现轻质桥面的方案，施工便利、快速，具有高质量和高耐久性的特点。
在斯特罗姆桑德大桥和Büchenauer大桥建成后的20年里，建成了一些斜拉桥，但只有少数采用了组合梁。1972年，银卡港大桥（Silka-Harbour Bridge）在阿拉斯加建成，这是通常认为的第一座公路组合梁斜拉桥（参考文献Podolny和Scalzi，1976）。该桥主跨137米，主梁断面由两个钢箱梁和一块混凝土板组成，支撑于横向距离45m的钢结构主塔上。1967年，为了蒙特利尔世博会，人们修建了一座公路和城市轨道桥，该桥有两个跨度105m的简支跨，由两个纵向组合箱梁组成，仅在中跨用斜拉索支撑（参考文献Troitsky，1988）。
直到20世纪70年代末，印度加尔各答的胡格利大桥（Hooghly bridge）等大跨度组合梁斜拉桥才得以设计。该桥主跨457米，设计于1978年至1982年之间，但直到1992年才完工。同时，1982年，美国佛罗里达州的阳光高架桥（Sunshine Skyway Bridge）也提议采用组合桥面。阳光高架桥主跨366米，经证明该跨径组合桥面在经济上具有竞争力，仅次于预应力混凝土方案（Svensson et al.，1986；Zellner等人，1984）。1986年，加拿大温哥华亚历克斯·弗雷泽大桥（Alex Fraser Bridge）采用了一种非常相似的组合桥面作为桥面设计（Taylor and Torrejon，1987）。该桥主跨465米采用组合桥面，保持了几年的该类斜拉桥世界纪录（图3）。
在接下来的25年里，钢-混凝土组合桥面板的数量显著增加（图1）。这主要是由于组合桥面的经济性，主要表现在大跨度桥梁上，特殊条件下部分中小跨径桥梁也具有优势。这种桥面类型的设计发展促成了它的成功。事实上，早期的斜拉桥，例如斯特罗姆桑德大桥有一个相当复杂的桥面，由一组小纵梁支撑的混凝土板构成，这些纵梁将竖向荷载传递给横梁。纵向主梁承受来自横梁的竖向荷载，由纵向分布、稀疏的斜拉索支持。
自20世纪70年代末和80年代以来发展的组合桥面采用了更加简单的体系。通过减小斜拉索间距，可以采用更细的纵梁直接由相对密布的斜拉索支持。主纵梁间距加大后，需要采用尺寸更大的横梁。因此，合理的选择是加密横梁间距，这样即给主梁提供横向约束，也可以取消设置横隔梁和横向支撑。此外，小间距横梁可以采用更薄、更轻的桥面板，可进行预制以加快施工进度。
现代组合梁斜拉桥设计可分为三类：
1、大跨度公路桥（主跨长度超过200–250m，采用轻薄的面板，通常由横向联系的双边梁组成，采用平衡悬臂法建造）。
2、中跨公路桥（主跨小于200–250m，桥面、悬挂系统和施工方法更加多样化）。
3、组合桁架梁斜拉桥。
2. 大跨度公路桥梁设计
现代大跨度公路桥梁采用更薄、更轻的桥面，节省了桥面系、缆索、桥墩和基础。主梁长细比（定义为主跨和梁高的比值）逐渐增加，目前在100至300之间。
亚历克斯·弗雷泽大桥是第一座采用非常规扁平桥面的斜拉桥，主梁梁高为2.27米，主跨长465米，相应的高跨比为1/205。该桥由两片横向布置的斜拉索索面支撑，斜拉索汇聚到塔顶形成空间（3D）桁架索面。这种布置有利于主梁的气动稳定性（图4（a））。斜拉索还对混凝土板施加了纵向和横向压力。该桥横梁之间的桥面板采用预制安装的，避免了昂贵的现场模板，也大大减少了混凝土收缩徐变效应。现场剪力钉为在相似的板件提供了快速和简单的连接，确保钢结构和混凝土桥面组件和现场施工工艺的最大程度标准化（图4（b））（Taylor，1994）。
几乎所有主跨超过200m的公路组合梁斜拉桥都采用相同的平衡悬臂施工方法，主要包括如下简要和重复的施工步骤：吊装钢梁节段，一般为两片钢边梁和两道或三道横梁，螺栓拼接与上一节段连接；吊装预制混凝土桥面板，搁置于横梁之间，并现场浇筑湿接缝；安装张拉一对斜拉索，锚固于纵梁。
拉索安装通常分两个阶段：第一阶段，在钢结构安装期间，只张拉部分索力；第二阶段，在桥面板施工后，第二次张拉剩余的索力。通常在跨中合拢后，还需要对索力进行微调，以实现最终的公路线形。
这一施工方法在上海已建成的南浦、杨浦、徐浦三座大型组合梁斜拉桥中得到应用，主跨分别为423m、602m和590m，分别于1991年、1993年和1997年竣工（Xiang，1999）。主跨605米的青州岷江大桥和主跨616米的武汉二七长江大桥，分别2001年和2011年建成通车，是目前主跨最大的两座组合梁斜拉桥。杨浦大桥和徐浦大桥的双边主梁均采用了矩形箱梁断面，主要目的是增加抵抗斜拉索轴向分力的能力。这种设计理念可用于更长跨度的桥梁，当桥塔处主梁考虑横风弯矩和使用阶段的轴压力组合效应后，这种设计可能变得至关重要（Taylor，2001）。
1998年建成的香港汀九桥（Ting Kau Bridge）（图5），采用了具有独特的设计方案。汀九桥两个主跨跨径分别448m、475m，桥面宽42.8m，采用四索面布置，纵向设置四道钢板梁作为主梁，钢板梁梁高仅为1.51m，具有以下显著特点：475m主跨主梁的长细比高达271；设置由从中塔塔顶拉至边塔桥面的长拉索，目的是保障中塔的稳定；设置桥塔横向索以提高主塔稳定性（Bergermann and Schlaich，1998）。
几年前，美国休斯顿海峡上的贝敦大桥（1995年；参见图6），也采用了两个上下行分离式桥面布置，每个桥面宽23.8 m，单幅桥面设置双板梁，通过拉索支撑于钻石型主塔上。这桥位于飓风区域，大桥经受住了飓风的考验，设计方案被证明是非常稳定的结构方案（Svensson and Lovett，1994）。本次桥梁设计也首次提出了传统悬臂方案的替代方案。该方案是考虑将钢梁和混凝土板一起吊装，从而进一步加快施工速度，也可以节省部分钢材。这种方案的主要缺点是运输和吊装节段尺寸和重量更大，对已架设悬臂梁段将产生较大的附加应力。最后，承包商决定使用标准预制板、现浇接头连接的方案。结果是，恒载作用阶段，横梁将不再有叠合效应，从而需要额外增加640t钢材（17%的额外钢材重量，相当于每平米桥面用钢量从121kg/m2增加到141kg/m2）（Tang，1994）。
最近，一批组合梁斜拉桥采用了相同的设计方案，如希腊的Rion-Antrion大桥（2005年）、英国南威尔士的塞文二桥（the Second Severn Crossing Bridge）（1996年）、泰国的普密蓬大桥（2006年）和中国的二七长江大桥（2011年，采用双主跨方案，主跨跨径616m）。Rion-Antrion大桥采用三主跨方案，主跨跨径均为560米，总长2252米，证明了斜拉桥方案可适用于更大的跨越长度，而不需要采用挂孔梁，虽然需要采用非常刚性、极具视觉冲击力的桥塔（图7）（Teyssandier，1997）。
英国塞文二桥桥面宽34.6m宽，创新的采用了普拉特型桁架横梁，（图8）取代了标准钢板横梁（Combault et al.，1994）。其混凝土桥面板同样提前在后场浇筑。现场仅浇筑少量的湿接缝，现浇混凝土达到强度后，一对斜拉索索力一次张拉，加快桥面架设速度。
泰国普密蓬大桥，由于桥面宽度大，采用了高度较大的钢板横梁，为承受弯矩作用，横梁横向跨中位置梁高达到了3.2m（Farquhar，2008）。实际上，设计实践表明，当采用横向悬挂时（双索面），包括板厚在内的横梁高度一般为1/10到1/12的斜拉索横向锚固点间距。
由于混凝土的时变效应，研究发现桥面板轴向压应力会减少。从而导致使用期间桥面板跨中部分产生拉力，并可能导致开裂（Pedro，2007；Pedro和Reis，2013年）。为了防止这种效应，桥面板采用施加纵向预应力。美国昆西大桥（Quincy Bridge）（1987年）（Tang，1994年）、中国杨浦大桥（1993年）（Virlogeux，2002年）以及最近的美国开普吉拉多大桥（Cape-Girardeau Bridge）（2004年）（Hague，2003年）就是这种情况。然而，后张法阻碍了桥面施工，预应力张拉要求混凝土桥面板应仅与横梁相连。只有在张拉之后，才能将桥面板和纵梁连接，这样可以保证预压力作用在桥面板内。尽管如此，一段时间后预压力也会转移到纵向钢梁中。
在美国，组合梁斜拉桥在过去的二十年中经历了长足的发展，在多个设计-建造招标方案中胜出。目前已建成跨度超过200m的组合梁斜拉桥十余座，另有几座正在设计或施工中。主梁一般采用双钢板梁，平衡悬臂施工。2005年建成的主跨471m的亚瑟罗浮奥桥（Arthur Ravenel Bridge）（亚伯拉罕，2005）和目前北美最长的斜拉桥482.5m的约翰詹姆斯奥杜邦大桥（John Audubon Bridge）就是两个很好的例子。
同样在墨西哥，过去几年也新建了多座重要的组合梁斜拉桥。最近的一个例子是巴鲁阿特大桥（Baluarte Bridge），该桥位于连接墨西哥北部大西洋和太平洋海岸的新建高速公路上（图9）（Virola，2013）。巴鲁阿特大桥主跨为520米，桥面位于山谷上方400米处，于2008年开始修建，2013年建成通车。主跨跨中范围的432m部分采用了标准的组合梁断面。为了减轻重量，桥面板采用了肋形截面，采用波纹钢板作为模板进行现场浇筑，这是Taylor（2001）首次提出的。较短的混凝土边跨先行施工，主梁采用钢横梁连接的双边矩形箱梁断面，通过钢横梁支撑混凝土肋板。
在目前正在建设的几座大跨度斜拉桥中，主要是在中国，昆斯费里大桥（Queensferry Crossing Bridge）是苏格兰福斯湾的第三座大桥，将于2016年完工，它以其独特的组合梁索面布置和两个主跨650米而受到瞩目（图10）。大桥采用三个一字型混凝土桥塔，从流线型箱梁中部穿过，两道斜拉索索面锚固于上下行行车道之间的中央分隔带位置。为了解决中塔的稳定性问题，大桥的一个独特设计是在每个主跨跨中出现了斜拉索交叉重叠（Curran et al.，2011）。虽然造型上美观、独特，但这一特点将给主跨合拢带来了其他斜拉桥没有的全新挑战。组合梁截面原来是作为一种替代方案提出来的，主梁包括149个12m长、40m宽的节段，在中国和西班牙制作（Carney和Nowak，2011）。混凝土桥面板采用工厂预制，设置横向预应力以防止开裂，同时提供箱形截面的抗扭刚度。节段将采用驳船运输，并采用平衡悬臂法安装。
通过对国内外公路、铁路组合梁斜拉桥主要特点的研究，得出了一些有意义的结论（Pedro，2007；Pedro and Reis，2013年）。关于主梁长细比（主跨跨径/主梁高度的比值）（图11）：
对于公路桥主梁，随着跨度的增加，长细比由75增加到225；当主跨超过500m后，长细比趋于近似恒定。
特别的，汀九大桥由于采用四主梁断面（图5），长细比高达271。
由于挠度要求限制，铁路桥主梁的长细比要低得多，常规一般低于50。
关于主梁自重，可以总结为以下几点：
每平方米主梁的钢材重量介于125kg/m2和300kg/m2之间，平均值为213kg/m2（图12（a））。
每平方米主梁的自重平均为850kg/m2（考虑了钢材和混凝土板的重量），典型值介于700kg/m2和1000kg/m2之间（图12（b）），与几位学者（Farquhar，2008；Virlogeux，2002年）的研究相符。
(a)
(b)
图12 （a）组合梁斜拉桥的主梁钢材比重；
（b）主梁自重比，每平方米桥面与主跨长度的比值
关于斜拉索重量，有以下几个总结：
对于钢、组合和混凝土斜拉桥来说，每平米桥面斜拉索用量均随着主跨跨径的增加而增加（图13（a）），曲线位于斜拉索手册中的界限范围内（Freyssinet，1994、2004）。
对于组合梁斜拉桥，每平方米桥面斜拉索用钢量差别较大。
由于更大的桥面恒载和活载，铁路桥每平米拉索重总是远高于公路桥。
假设不对称单塔公路斜拉桥的等效主跨长度L等于实际主跨长度的两倍（图13（b）），则每平方米桥面的斜拉索重量将更有规律。
二次回归趋势线几乎和斜拉索手册（Freyssinet，1994，2004）中针对大跨度组合桥面建议的平均线重合（图13（b））。