1.  斜拉橋設計計算特點

斜拉橋是一種高次超靜定結構（圖1a）,，其自重引起的內力和變形可以通過調整斜拉索的張拉力而人為地進行調整。因此斜拉橋的設計計算策略與其它橋型有所不同,。

圖1

在一般橋型如連續(xù)梁橋的設計中,，一旦結構尺寸、材料和施工方法等確定下來,，結構的恒載內力也就隨之確定了,，無法人為地再進行大的調整。而斜拉橋則不同,，設計時是先通過成橋階段的結構分析和調索,，選定設計者所滿意的恒載內力和變形狀態(tài)（注意，關鍵是在一定范圍內可選擇,，所以不同的人會選不同的狀態(tài)）,，即所謂成橋階段理想狀態(tài),。然后以此狀態(tài)為目標狀態(tài)，尋找為達到該目標狀態(tài)所需的施工過程和斜拉索的張拉力,，即尋找所謂各施工階段理想狀態(tài),。兩種設計計算過程簡略示于圖2中。

圖2a 斜拉橋

圖2b 連續(xù)梁橋

2．斜拉索的作用

一般認為,，對于彈性分析而言,，斜拉索的作用是為主梁提供一系列彈性支承，如圖1b所示,。在荷載的作用下,，主梁發(fā)生撓曲，使斜拉索伸長變形,，因而產生拉力（相當于彈性支承的反力）,。我們稱之為“被動受力”，即其受力是因主梁的變形而引起的,。這種比擬有一定的道理,，但不確切。對于成橋后施加的荷載,，如汽車荷載,、二期恒載等而言，斜拉索確實相當于彈性支承,。但對于主梁自重來說,，就不完全是這樣了。因為斜拉索在安裝或調索時要進行張拉,，這部分張拉力占斜拉索最終索力的大部分,。而這種張拉力是以外荷載的形式作用在主梁和橋塔上的（圖3），是一種“主動施力”,，即它不是因結構變形而引起的拉力,，而是其拉力引起結構的變形。正是由于斜拉索的這種主動施力的特征,，才使得人們可以通過調索來達到調整結構內力和變形的目的,。

因此可以這樣說，對在斜拉索錨固之后由其他因素施加在主梁上的荷載而言,，斜拉索對主梁起著彈性支承的作用,。而對于在斜拉索錨固之前的結構而言，斜拉索是以其張力作為外荷載作用在梁和塔上來影響結構內力的,。

圖3

3．主梁受力特征

為說明問題,，先分析一種特殊的情況，假設斜拉橋的梁和塔是一次性全部安裝上去，并且斜拉索是同時張拉的,，后面再分析實際分階段施工的情況,。

根據(jù)前面的分析，主梁在其自重作用下的受力和約束狀態(tài)不是支承于一系列彈性支承（斜拉索）上且跨度為斜拉索間距的連續(xù)梁,，而是跨度為L1 L2 L1的連續(xù)梁或簡支梁（視梁與塔墩的連接情況而定）,，其上作用著兩個強大的力系，一個是梁的自重q,，另一個是斜拉索的張力（圖3）,。這兩個力系在梁中分別產生巨大的內力和變形，但因它們在豎向的作用效應方向相反且絕對值相近,，所以梁的最終受力狀態(tài)是兩者之差,。這個差相對于這兩個力系單獨產生的效應而言，其數(shù)值很小,。而主梁的承載力也是按這個很小的差來設計的,。

在兩個強大力系作用下處于平衡狀態(tài)的結構，其內力和位移對這兩個力系是十分敏感的,。只要其中任何一個發(fā)生了不大的變化,，二者之差就會成倍甚至幾十倍地變化。因此,，與其它橋型相比,，對斜拉橋的施工控制計算有更高的要求，因為施工中的誤差可能會引起結構較大響應,。

現(xiàn)舉一簡單例子來說明這種敏感性有多大,。如圖4所示，一跨度為L的簡支梁,，其自重荷載集度為q,，在跨中作用一向上的集中力（相當于拉索的拉力）T=0.501qL,。此時跨中截面的彎矩為

現(xiàn)假定拉力T發(fā)生了 1%的偏差,，則跨中截面彎矩變?yōu)?/p>

變化量達

上面討論的是一種極端的情況，實際的斜拉橋是分階段施工的,，每澆筑或拼裝一段梁就張拉一對索,，直至合龍。這樣,，先安裝的斜拉索對其后施加的荷載而言（包括其后的斜拉索張拉力和梁自重）,，就相當于彈性支承的作用，其拉力也因此而發(fā)生改變,。因此,，整個結構是由具有彈性支承且承受斜拉索張力和梁自重荷載的一系列結構逐步演變?yōu)槌蓸驙顟B(tài)的。后面張拉的索和安裝的梁段對前面已安裝的索和梁段產生影響,，但前面張拉的索和安裝的梁段對后面安裝的索和梁段則影響很小,。

顯然,，對這樣形成的結構，其內力和位移對前述兩個力系的敏感性應該介于圖1b和圖3或圖4所示情況之間,。下面舉一個實際結構的例子來說明其影響,。圖5所示為一座斜拉橋，跨度為194 518 194米(不計輔助墩的話),，全飄浮體系,，施工方法為懸臂拼裝，計算時分階段模擬實際的施工過程,。成橋后中跨四分之一跨度處的恒載彎矩為-11669kN-m,，由跨中向塔方向數(shù)第二根索處彎矩為最大彎矩（絕對值最大），其值為-13257kN-m,。假如將斜拉索的初始張力減少5%,，則中跨四分之一跨度處恒載彎矩變?yōu)樽畲髲澗兀渲禐?17193kN-m,，增加了約47%,，原最大彎矩處變?yōu)?13415kN-m，僅變化了約1%,。之所以跨中附近變化量很小,，是因為該處的梁段和索是較晚安裝的，受其它索的影響很小,。

圖5

初學者容易產生的認識錯誤：“既然斜拉索拉力是一種荷載,，那么對線彈性體系，因荷載與內力或位移成正比,。所以,，若斜拉索拉力變化，結構的內力也會成比例地變化,。例如,，若索力增大一倍，則內力和位移也隨之增大一倍”,。從上面的例子可以看出,，結構的總內力并不與T(或q)成正比，而是與二者的綜合作用成正比,。事實上,，線彈性體系的荷載與內力或位移之間的線性關系是指總的荷載與總的內力或位移之間的關系，而不是與力系中某一個或某幾個力之間的關系,。

4．活載作用情況

對活載來說,，斜拉索相當于梁的彈性支承（圖1b）。但由于其彈簧剛度較小，因此若活載較大,，例如鐵路荷載,，就會產生較大的變形和內力。這就是相對而言,，為什么斜拉橋在鐵路上應用不如公路上普遍的原因,。當然，這并不是說鐵路橋梁不能采用斜拉橋形式,，近年來我國鐵路或者公鐵兩用斜拉橋已經取得了令人矚目的成就,。