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【杨进】多塔大跨度连续悬索桥的创新设计

2011-12-23　来源：作者：杨进 万田保 郑修典 来源：中国桥梁网

[page]1.前言

    悬索桥是以主缆、主塔和与之相匹配的两端锚碇为主体的承重结构。主梁退居为只对体系具有加劲的作用。承重主缆受拉明确，所用材料得以充分发挥其极限强度。桥梁的工程造价与其主跨的大小直接关连，在宽阔深水的江河和海域，在不影响通航顺畅和水流态势的条件下，采用多塔多跨连续悬索桥方案，是在技术上和经济上极为合理的选择。设计中需要注意处理好位于主孔中间各塔在顺桥向的可挠性，以保持在某一单主跨活载满布的极端情况下的主缆水平拉力能平衡传递问题。

    日本早年建成的濑户大桥，只是将两座独立的大跨度悬索桥在中间共用一个锚碇加以连接，结构上不是多塔多跨主缆连续性质。世界上也还有多座跨度不大的组合性多塔小型悬索桥。实际上不具任何技术新意。

    下面分别介绍即将建成的泰州长江公路大桥（三塔双主跨悬索桥）的技术研究特点和武汉市已开工建设的鹦鹉洲长江大桥城市公路桥（三塔四跨悬索桥）的方案思考。

    2. 泰州长江公路三塔连续双主跨悬索桥

    2.1 三塔悬索桥对桥址区特定条件的适应性

    2.1.1控制性条件

    泰州长江大桥位于江苏省泰州与镇江、常州市之间，由北接线、跨江主桥、夹江桥和南接线四部分组成，路线起自宁通高速公路宣堡镇西，于永安洲北部跨越长江(左汊)至扬中，于扬中南跨越夹江(右汊)，经姚桥、孟河，止于常州汤庄，接沪宁高速和常州绕城公路西段。

    跨江大桥东距江阴长江公路大桥57公里，西距润扬长江公路大桥66公里。

    桥位位于永安洲北，河流平面形态呈微弯，河宽相对上下游稍窄，右岸为水流顶冲转折位置，同时又是下游心滩的分流区，深泓有一定摆动，但幅度有限，向下经挑流分成左右两支。桥位区河床中部相当宽范围河床面高程在-15－-16m之间，深泓在右侧、最深处河床高程-30m，冲淤变化也主要出现在右侧一定范围内；      桥址上距泰州港4.5km，桥址下距西新圩航行警戒区1300m，桥址两岸码头众多，上游两公里处有三福造船厂。大桥要求的通航净空为760×50m（主通航孔），并为船舶进出锚地留出220×24m(副通航孔，偏北)的专用航道。由于扬中河段两岸均为长江中下游冲积平原，土质松软，覆盖层厚，基岩埋藏一般在-190m以下。

    2.1.2桥型方案构思的立足点

    经过多次论证，选用了主跨2x1080m三塔悬索桥作为跨江大桥桥型方案，主要考虑以下因素：

    ① 桥址地处长江下游、航运繁忙、港口码头众多，桥型方案的选取以尽量减小建桥对通航的影响作为重要考虑因素；

    ② 基于可持续发展理念，为桥址区长江黄金水道岸线利用留出宽阔的空间；

    ③ 河床断面具有中部水深较浅的明显特征，并且冲淤变化小，适合设置基础；

    ④ 右岸深水区为主要通航区域，通航净宽要求不小于760m，该区域是冲淤变化区域，不宜设置大型基础。

    基于上述综合因素，桥型方案选取中，曾研究主跨超过2000m的特大跨度悬索桥方案，因为经济性原因没有被采纳。与主跨2000m的特大跨度悬索桥相比，在其中间支起一个中塔作为主缆的支点，主缆和主梁的跨度减小一半，随之主缆、锚碇、主塔的负载减小一半，工程造价得以大幅度降低；又因为跨度的减小，保障抗风颤振稳定性无需采用特殊措施，加劲梁的选型简单而抗风安全更加有保障；桥址区两岸覆盖层为淤泥质亚粘土、粉砂、细砂，承载力不高，主缆拉力的减小降低了锚碇建造的难度。

    据此，三塔悬索桥被确定为泰州长江公路大桥跨江大桥的推荐方案。

    2.2 三塔悬索桥及多塔悬索桥建设背景

    在泰州长江公路大桥建设之前，国内外多次提出建设三塔悬索桥的构思，并且建成了几座规模不大、结构上不完全连续的悬索桥。

    2.2.1 日本小鸣门桥

    该桥主跨2x160m，采用纵向A型中塔。为解决主缆与中间主鞍座间滑移问题，让主缆在中塔塔顶断开锚固，主缆在中塔处不连续通过。由于跨度不大，具备主缆在塔顶集中锚固的条件，采取该技术措施后，中塔处由活载产生的主缆拉力全部由中塔分担、并作用于塔顶。     2.2.2 法国Chateauneuf桥     该桥通过设置塔顶水平拉索改善中间主塔的受力、保障中间桥跨的竖向刚度，适合于跨度相对不大的多塔悬索桥。

    2.2.3 智利查考海峡大桥     该桥桥址区海峡中有一浅滩，称为罗卡（ROCA）浅滩。罗卡浅滩的顶宽顺桥向约为100m、水深10～12m，罗卡浅滩的前后及两侧海床面陡峭，水深超过50m，除罗卡浅滩外，水深普遍超过50m，部分地段水深达100m。利用中间的浅滩设置中塔，智利一侧边塔设在岸上，大陆一侧边塔设在浅水区，因为罗卡浅滩并不刚好在水域中间，两个主跨的跨度为智利侧1055m、大陆侧1100m。

    该桥方案提出已经很长时间，至今没有实施。中塔采用纵向A型塔的总体技术路线也没有得到审核单位的认可。

    2.2.4 青岛海湾大桥工程可行性研究渡口桥位桥型方案

    1999年—2000年，我院在青岛海湾大桥工程可行性研究中，针对渡口桥位提出主跨2X1200m三塔悬索桥方案，并进行方案设计，认识到三塔悬索桥需要解决的关键技术问题，提出了初步的技术路线。     [page]2.2.5 奥克兰海湾桥研究工作

    二十世纪二十年代，美国在筹划修建旧金山海湾桥（又称奥克兰桥）时，鉴于桥址区水域宽阔及通航要求，提出主跨1036m的双主跨悬索桥方案，其分跨为（393+1036+1036+393）m，中塔采用钢结构Ⅰ型塔，该方案经初步研究后被放弃，理

    由为单主跨加载情况下，中塔顶水平位移2.2m、加载跨竖向挠度6.1m，奥克兰桥其后所实施的方案包括两座主跨为704.5m的连体悬索桥，两悬索桥于深水区共用一个锚碇。     2.2.6建设背景分析结论

    分析可知，泰州长江公路大桥三塔悬索桥没有可以参考的工程实例，没有可以依循的关键技术，必须结合工程实践取得技术上的突破，通过自主创新、独立开发并掌握大跨径三塔悬索桥设计核心技术。

    2.3 三塔悬索桥设计的关键技术问题的系统解决

    2.3.1 三塔悬索桥结构行为特点

    设计工作中，首先对三塔悬索桥的静力、动力特性作深入研究，弄清楚其在各种荷载、各种工况下的受力变形特征，找出控制性的工况，找出结构之间的约束关系，探索从总体上全面解决技术问题的最佳途径；其次，立足于解决技术问题、用较少的材料满足桥梁的使用功能，找出最佳的设计参数；确定主要设计参数后，进行结构体系研究，选取最合理的支承体系。

    通过研究，找出了三塔悬索桥结构特征与两塔悬索桥的不同点在于：

    ① 主缆与主塔间约束关系不同，即主缆对中塔塔顶的约束较两塔悬索桥弱；

    ② 加载工况不同，理论上会出现一个主跨满载、一个主跨空载的极端工况；

    ③ 习惯用来反映桥跨结构刚度的挠跨比（挠度/跨度）的物理意义不同。

    上述三点区别表明三塔悬索桥与两塔悬索桥体系上存在根本差异。     2.3.2 关键技术问题的提出

    上述与两塔悬索桥不同点的前面两项，形成了三塔悬索桥设计难点，焦点是中塔的技术处理：① 中塔选用很大的总体纵向刚度，比如采用纵向A 型塔，则在一个主跨满载、一个主跨空载条件下，两个主跨主缆力差别大、主缆与中主鞍座间抗滑移问题突出，必然面临查考海峡大桥同样的技术问题；② 中塔选用小的总体纵向刚度，则在上述极端工况下，中塔塔顶位移很大、加载跨挠度大、中塔受力安全不易保障，如同奥克兰海湾桥方案设计中遇到的问题。     2.3.3 解决技术问题的目标

    通过分析，以合理选取中塔的结构形式，系统而协调解决本桥三塔悬索桥关键技术问题，实现总体设计目标，总体设计目标分解成几个方面：

    ① 桥跨竖向刚度合适，加载跨的竖向挠度在一定范围之内。最不利工况作用下，由活载引起的桥面纵坡控制在合理范围。

    ② 主缆与鞍座间抗滑移问题得到较好的解决，基于主缆镀锌钢丝与鞍座鞍槽间可以信赖的摩擦力保障抗滑移稳定，无须大量增加其它附属措施，也不采用不成熟或可靠性尚存疑虑的技术。

    ③ 中主塔本身的强度安全有充分保障，中主塔在大桥服务期内不因疲劳而损坏。

    ④ 中塔的稳定性满足规范要求，包括纵向与横向稳定。

    ⑤ 中主鞍座与中塔间的连接不难实现（连接的难易程度与中塔两侧不平衡力，以及中塔采用的材料有关）。

    ⑥ 中塔及中塔基础工程规模较小（基础规模与中塔底部尺寸、塔底反力相关）。

    上述目标相互制约，必须予以统筹考虑、协调解决。经过研究，以中塔的选型与设计作为技术路线的主线，提纲挈领解决各项技术问题。设计中研究了纵向A型、纵向I型中塔、纵向人字型中塔的适应程度，比较了钢筋混凝土中塔和钢结构中塔，以及混合结构中塔，结合设计目标综合比较后，选用纵向人字形的钢结构中塔，并对人字形中塔分叉点位置、下塔柱张开量、截面形式进行多方案对比。     2.3.4 技术路线主线

    纵向人字型主塔在分叉点以上是单柱结构、分叉点以下双柱。与A型塔相比，可通过调节分叉点高度、塔柱张开量、截面尺寸实现中塔纵向刚度的调节，拓宽了中塔刚度调节的范围，更利于兼顾中塔纵向刚度和抗滑移安全度。中塔纵向弯矩由上向下逐渐增加，分叉点以上通过截面尺寸变化实现各截面应力基本均匀，分叉点以下通过两塔柱轴向力与张开距离形成平衡力矩，通过调整塔柱张开量使塔柱底不出现轴向拉力、便于锚固。钢结构适应变形能力强，特别是分叉点以上独柱结构具备相当好的可挠性，实现本文前言提出的主缆拉力的平衡传递，降低了中塔纵向不平衡力、改善了中塔的受力；又因为降低了极端工况下中塔两侧主缆拉力差值，主缆与中主鞍座间抗滑移问题随之得以妥善解决。

    中塔的选型与结构设计是本桥关键技术问题获得平衡解决的技术主线。

    2.4 设计构思中以经济性贯穿全过程

    2.4.1桥型方案的经济性考虑

    如下图，与主跨2160m特大跨度悬索桥相比，主跨2x1080m三塔悬索桥工程规模减小较多。由于主缆跨径减小一半，主缆、锚碇、边主塔的负载按比例减小；又因为悬吊跨减小，主梁无需为抗风颤振稳定性加大截面。桥型方案本身具有良好的经济性。

    初步设计对中塔基础进行了深入经济性比较，群桩基础先进行了桩径比较，沉井则预先作了截面圆形和矩形的比较。之后再以各自推荐方案进行群桩基础与沉井基础的比较。群桩基础采用118根Φ2.8m钻孔摩擦桩，梅花型布置，桩底标高▽-110m，桩长106m；圆角矩形沉井井身平面尺寸为58.2m×44.1m，沉井高76m。经过比较，沉井方案较之群桩方案节省1.83亿元。使用的钢材均为一般性的低标号。

    [page]2.4.3结构设计中经济性考虑

    结构设计中以经济性为重要考虑，通过细化分析达到节省的目的。

    2.5 三塔悬索桥总体设计

    2.5.1主塔及锚碇墩位的确定

    中主塔设在河床中部浅水区。南、北边主塔设置在岸滩常水位的无水区，距离边坡一定距离位置，以避免边主塔水上施工。考虑到泰州岸（北岸）和扬中岸（南岸）边坡坡度不同，两岸主塔距水面的距离有所不同。南、北锚碇的位置以使其距离长江大堤一定的安全距离为控制因素决定，兼顾主缆在边主鞍座处切线角的协调决定边跨主缆后背索的跨度。

    2.5.2支承体系

    竖向连接方面，设计比较了不设竖向约束、设0号吊索连接、支座连接三种方式。最终选用主梁在中塔处不设竖向刚性约束、但设竖向限位挡块的支承方式。

    纵向连接方面，设计比较了主梁与中主塔间纵向不约束、弹性索约束、刚性约束三种情况。设计选用在主梁与中塔间设置纵向弹性约束。

    设计还比较了不设中央扣、设置一对中央扣、设置三对中央扣三种缆梁间连接方式。分析表明，对本三塔悬索桥，中央扣的受力特性与传统的两塔悬索桥有本质的区别，中央扣对总体受力特性有重要影响，是全桥意义的受力结构，结构设计难度较大，经比较采用不设中央扣的方案。

    2.5.3主缆矢跨比

    主缆矢跨比是悬索桥总体设计的重要参数，对结构刚度、工程数量、主缆各控制点高程具决定性影响，通常结合结构刚度、恒载、造价平衡考虑。主缆矢跨比对两塔悬索桥上述项目的影响比较直观，取值在1/9－1/11之间。对本三塔悬索桥，设计中选取了1/7～1/13范围内的矢跨比进行静力与动力两个方面的比较，分析表明：随主缆矢跨比的减小，主缆与中主鞍座间抗滑移安全系数有所增加，但增加相当有限，主梁的活载挠度增加较多，对中塔截面的应力影响甚微；动力方面，随主缆矢跨比加大，三塔悬索桥颤振临界风速微幅提高。

    设计中结合静力与动力两方面，以减小工程数量为基本考量，主缆矢跨比选用1/9。

    2.6 结构设计

    2.6.1中塔基础结构设计

    ① 自然条件

    中塔位于江中心，河床标高为▽-15.0m，河床较稳定，覆盖层为粉细砂和细砂。船舶撞击力标准为横桥向116MN、顺桥向58MN。

     ② 沉井基础选型考虑

    中塔基础承受荷载大，尤其需承受50000吨级船的船撞力（116MN）作用，结合桥位区水文、地质条件及防撞要求，中塔基础按以下条件选择：需满足必要的刚度要求，能有效减小因基础本身的位移导致上部结构的变形；基础受力明确，传力途径直接；对船撞力和地震力承受能力强(基础按自身承受船撞力设计)；投资小，适合深水施工，可实施性好。

    设计中对中塔沉井基础和桩基础进行了详细的比较，沉井结构受力明确、施工工序单一，在经济性方面明显优于桩基，决定选用沉井作为实施方案。

    ③ 沉井基础截面形式选择：通常沉井截面可布置成圆形截面和矩形截面。圆形沉井与矩形沉井相比，对水流适应性更好，但本桥中塔为门式倒Y型塔，有四个柱脚连接承台，根据塔柱底的构造布置，采用圆形沉井规模大，不经济。矩形沉井布置紧凑、受力合理，通过对四角作倒园处理，对水流适应性也较好。体量相对较小，经济合理。

    从结构受力、工程规模及施工难度等综合比较, 沉井采用倒圆角矩形截面。

    ④ 井结构： 沉井井身平面尺寸为58m×44m，四角倒圆半径为8m，为方便吸泥取土下沉，沉井平面布置为12个12.8m×12.8m大井孔；由于沉井下沉深度较深，水土压力较大，沉井周边井孔设置成圆端形靠井壁侧倒圆，形成连拱以抵抗水土压力。

    沉井底面标高▽-70.00m，持力层为密实细砂。     2.6.2中塔结构设计

    ① 基本情况

    中塔纵向呈人字型结构，塔柱高191.5m。塔柱纵向自上向下分三个区段：上部直线段、交点附近的曲线过渡段及下部斜腿段。塔柱两条斜腿中心交点以上塔柱高122.0m，交点以下塔柱高69.5m，斜腿段倾斜度为1：4。

    塔柱断面为单箱多室布置，由四周壁板和两道腹板构成，根据受力要求，位于塔顶段和斜腿交叉点以上局部范围内增加了一块中腹板。

    ② 塔柱锚固细节设计：最不利工况下、下塔柱根部截面会出现不超过50Mpa的拉应力，采用承压板和锚固螺栓结合的方式实现塔柱与承台的锚固连接。即在塔底的塔座顶面，设置承压钢板，以使钢塔柱截面的压应力通过该钢板均匀地传递到混凝土支承面，同时，在塔柱截面四周设置大直径高强螺杆，通过对螺栓施加预拉力以保持塔柱截面与支承面之间紧密接触。塔柱根部的压应力主要通过塔柱底板传递到承台混凝土中，而拉应力则通过锚固螺栓传递到基础中。螺杆的预拉力根据工作状态下塔底截面无拉力出现状况（底板不出现缝隙）来控制。

 

图15  两道横梁与三道横梁方案
 

    ④ 塔柱阶段划分：为节省拼接材料用量、减少机械加工工作量，设计研究了大节段方案，高191.5m的塔柱划分为7个节段，节段长度除底部T0外，其余为26.000m～45.000m不等，最大节段重约为1382.8t。针对该分段方案进行的调查表明，国内完全具有相应的制造、运输能力，现场架设则需要预先安装专用的门式吊机。后由于总包方业已购置在其他桥上用过、稳定性比较好的MD3600塔吊，塔柱节段依据该吊机的起吊能力划分，对分叉点以上的节段进行纵向分块。

    [page]2.6.3钢箱梁设计

    初步设计中，对三塔悬索桥加劲梁进行了钢桁梁和钢箱梁的设计比选，采用了钢箱梁。由于本桥在中塔处采用了纵向弹性索约束加劲梁纵向位移，加劲梁在中塔附近一定范围内受较大轴向力作用，钢箱梁设置了通长的边腹板；又为了适当增加加劲梁抗扭刚度、提高抗风颤振临界风速，加劲梁高度选用3.5m。

    2.7 为本桥专门制定的“补充规定”

    本桥三塔悬索桥设计中没有完全可以遵照的设计规范，国内关于悬索桥的设计规范当时处于报批过程之中，并且相关规定并不能较好覆盖三塔悬索桥的实际情况，必须以保障使用、确保安全、兼顾经济为原则制定适合于本桥的补充规定，作为对设计规范的补充。为此，设计项目组主持开展了两项关键技术研究，其一为“三塔悬索桥结构行为研究”，重点研究三塔悬索桥控制性工况、结构间约束关系、中塔结构选型；其二为“主缆与中主鞍座间抗滑移试验研究”，重点研究由镀锌钢丝编制的缆索与鞍座鞍槽间的实际摩擦系数。

    经过专题研究，并查阅之前的研究报告、经过论证，制定了三条专门的规定。

    2.7.1主缆与鞍座间抗滑移检算规定

    主缆束股与鞍座鞍槽间摩擦系数μ取用0.2，相应抗滑移安全系数K不小于2.0。

    之前，一般采用μ=0.15、K≥2.0。作出本条规定的依据包括：①《公路悬索桥设计规范》（报批稿）的基本精神：该规范在条文说明中指出，在有条件进行抗滑试验的工程中，应进行抗滑试验研究，优化K和μ的取值，做到设计经济、合理、安全；②试验结果：本桥抗滑移试验主要测试了主缆与鞍槽间的摩擦系数，并且该试验首次模拟了主缆与鞍槽间接触应力、采用了由10根束股组成的缆索断面；③ 国外相关试验结果。

    2.7.2结构刚度要求

    主梁由汽车荷载（不计冲击力）引起的最大竖向挠度值不宜大于跨径的1/250；主梁由汽车荷载（不计冲击力）引起的主梁最大竖向转角（含梁端）不大于0.02rad。

    作出本条规定的依据包括：① 挠跨比对于悬索桥物理意义不够明确；② 三塔悬索桥挠跨比与行车要求的对应关系与两塔悬索桥有本质的不同；③ 国外相关文献资料；

    2.7.3中塔疲劳检算的加载模式

    该条重点指出不能采用一个主跨满载、一个主跨空载这样的极端工况作为中塔疲劳检算的工况。

    上述三条规定在得到行业主管部门认可后，作为本桥设计控制性参数，随后，这些规定乃至其论证依据为国内其他工程吸收采纳。

    3. 武汉鹦鹉洲长江大桥三塔四跨悬索桥设计技术特色

    3.1 桥型方案

    鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，桥址距下游长江大桥约2.0公里。方案设计中，考虑到下游不远处万里长江第一桥通航孔跨度只有128m、并且桥址区桥址区主航道位置存在变化的可能性，需要采用较大的跨度、减少水中基础数量；又因为河道整治规划要在水面中央沿潜洲脊线到鲇鱼套口门处建造一道长顺坝，该处适合放置主塔基础，大跨度三塔悬索桥成为适应性最好的桥型方案。

    大桥两岸为武昌江滩和汉阳江滩，是武汉市风景旅游区和市民亲水、休闲场所。桥型选用三塔四跨布置，以悬索桥边跨跨越两岸江滩。

    3.2 技术特色

    本桥技术特色体现在独具一格的结构体系、结合梁加劲梁、各具适应性的结构形式三个方面。

    3.2.1 结合梁作悬索桥加劲梁

    本桥首次采用钢-混凝土结合加劲梁做悬索桥加劲梁。结合梁的钢结构边纵梁为工字型钢板梁，外侧设置牛腿，吊索锚在主纵梁外侧的牛腿上，沿桥纵向每隔3m设置一道横梁，横梁的断面形式为Ι形，纵梁与横梁顶面铺设厚度为20cm的混凝土桥面板。为了改善钢-混凝土结合梁的空气动力性能，在主纵梁的牛腿外侧设有导流板。

    3.2.2 结构体系

    四跨主梁均采用简支体系，以消除支点负弯矩的影响，实现加劲梁全长截面弯矩的均衡和加劲梁截面的统一。

    3.2.3 结构选型

    桥位处水位落差较大，在最高设计洪水位以下的中塔采用混凝土结构。在兼顾中塔的纵向刚度、抗弯强度、结构稳定及施工难易程度的基础上，中塔采用钢-混组合结构，即中塔下横梁以上采用钢塔柱、以下采用混凝土塔柱。
    中塔采用钢-混组合结构，其下段混凝土塔柱截面尺寸会比一般大跨度梁桥的桥墩大，为此在截面垂直于桥轴线方向要设置导流嘴，以使水流平稳顺畅通过。

    北锚碇位于汉阳侧，锚碇处地基覆盖层厚77.0～82.0 m，其中砾砂层埋深44.0～47.0 m，土层密实，有一定厚度，层面起伏不大，承载力较高，压缩性低，适合建造沉井基础。

    南锚碇位于武昌侧，锚碇处地基覆盖层厚度不到30.0 m，下层为微风化的基岩，是最为可靠的持力层。选择以地下连续墙方案构建锚碇基础。

    4. 结语

    随着1995年12月28日汕头海湾大桥建成通车，国内先后建设了多座大型悬索桥，就跨度与工程规模而言，业已处于世界先进水平前列。近年来建设的多座三塔悬索桥则是在全面掌握悬索桥建造技术的基础上，依托工程进行创新的技术成果，这些三塔悬索桥各具特色，不是体现在结构跨度的大小，而是依据每座桥的建设条件和要求，真正以“适用、经济”为根本目标，是体系层面的创新，设计思维方式亦有所突破。与国外规模相近三塔悬索桥方案研究过程相比，凸显国内桥梁设计者创新精神和时代责任感。

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