力学概念| 自平衡体系(一)
斜拉桥是由斜拉索、塔柱和主梁(桥面)组成，也是一种自平衡体系。简单来说,斜拉桥就是一个天平，两端的重量相当并通过钢索传递到塔柱上，成为塔柱的压力。对于主梁来说，拉索为主梁提供弹性支承，因此，拉索张力大小是由桥面荷载决定。
▲图1 斜拉桥传力路径
图1所示为斜拉桥的传力路径。由于索的使用，使作用在桥面上的荷载不是通过弯矩作用传递到支座，而主要是通过索中的拉力传递给支承塔柱。拉索张力的竖向分量直接通过塔柱传递至基础。拉索张力的水平分量又转化为主梁的轴向力。由于斜拉桥结构的对称性，主梁轴向力大小相等，方向相反，因此桥面方向是自平衡的。值得注意的是，桥面的累积轴向力在桥塔位置是最大的，因此此处是强度控制条件。
▲图2 主梁的轴力分布，在塔柱位置实现自平衡
斜拉桥是一种优秀的结构体系，值得借鉴。充分利用了钢索的抗拉强度大，以及混凝土材料的抗压强度大的特点，因此，塔柱普遍采用混凝土结构，如图3所示。
▲图3 斜拉桥塔柱采用混凝土结构
由于部分地建立了自平衡体系，力以相对直接的方式由桥面传递至支座从而使结构刚度更大，更经济。由于钢索拉力是由桥面荷载和自重产生，桥面使用轻质的新材料或者新型结构体系，可以有效减少钢索拉力。现代大跨度斜拉桥的主梁普遍采用钢桁梁体系，如图4所示。
▲图4 斜拉桥主梁采用钢桁梁体系
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