大跨径斜拉桥悬索桥施工技术探讨.docx
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大跨径斜拉桥悬索桥施工技术探讨
大跨径斜拉桥、悬索桥施工技术探讨
摘要：
7月11日凌晨，江苏盐城境内328省道通榆河桥发生坍塌；7月14日上午，建成不到12年的武夷山公馆大桥轰然倒塌；7月15日凌晨，钱江三桥引桥桥面发生塌陷事故，出现一个长二十米，宽一点五米的缺口。
有网民为如今的“桥脆脆”树立了一批“桥坚强”榜样：
赵州桥建于隋朝大业期间，至今1400年；钱塘江大桥，74年；武汉长江大桥，54年；南京长江大桥，43年；哈尔滨松花江大桥，110年；宁波奉化江上灵桥，75年…….
关键字：
斜拉一悬索桥、箱梁、技术要求
正文：
中新网杭州7月15日电（记者江耘）7月15日凌晨2时许，浙江杭州钱塘江三桥北向南离滨江转盘不到800米处右侧车道部分桥面突然塌落，一辆满载钢板的货车从桥面坠落，又将下闸道砸塌，有司机受伤
钱江三桥（西兴大桥），位于杭州钱江四桥（复兴大桥）、庆春路过江隧道之间，总长5700米，主桥1280米，南北高架引桥4420米，双向6车道。
主桥桥型为双独塔等跨单索面预应力混凝土斜拉桥，其主墩上两座矩形索塔高百米，平行的15对拉索呈竖琴状。
这是浙江省首座具有世界先进水平的现代斜拉索桥梁。
钱江三桥的设计与施工中创造了中国桥梁建筑史上多项之最。
日流量6万辆。
大桥建成后成为连接杭州老城区和滨江、萧山两个新区以及萧山机场的重要通道之一，减轻了钱江一、二桥压力。
1993年奠基。
1997年1月28日，钱江三桥通车。
2005年10月6日，钱江三桥开始进行第一次大修，为期9个月。
这是自1997年1月建成通车后9年来进行的首次大修。
此次三桥维修主要是主桥（不含二侧引桥），包括桥面系改造、索力调整及景观改造等。
2006年5月16日零时起，钱江三桥再次进行封闭式施工，着重在桥体加固、景观照明等方面进行维护和改善。
从此以后三桥禁止外地大货车、半挂车通行。
钱江三桥建成准备验收时，几批专家都不愿签字，导致三桥一度验收受挫。
在杭州民间，钱江三桥一度以腐败工程著称。
施工质量差和养护、管理不周到是导致桥梁脆弱最主要的原因。
在忐忑与猜测中运行了13年之后，横亘钱塘江南北的西兴大桥（即钱江三桥）“终于出事”了。
斜拉桥
由上文我们可以知道钱江三桥是一座大跨径预应力混凝土斜拉桥，所以我们先来了解一下什么是斜拉桥。
杭州湾大桥南航道A型独塔斜拉桥
斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
造桥原理：
桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车，而是其自重，主要是主梁。
斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。
它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。
斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。
按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。
斜拉桥以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。
现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。
斜拉索数量再多，道理也是一样的。
之所以要很多条，那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。
现在已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。
以钢筋混凝土塔为主。
塔型有H形、倒Y形、A形、钻石形等。
斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。
钢绞线斜拉索目前在汕头石大桥采用。
钢绞线用于斜拉索，无疑使施工操作简单化，但外包PE的工艺还有待研究。
斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。
斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。
近年来，开始出现自锚和部分地锚相结合的斜拉桥，（自锚式斜拉—悬索协作体系桥是一种崭新的桥型,该桥型具有受力合理,抗风性能好,施工安全、工程造价低及对不良地质条件适应性好等优点）如西班牙的鲁纳（Luna）桥，主桥440m；我国湖北郧县桥，主跨414m。
地锚体系把悬索桥的地锚特点融于斜拉桥中，可以使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件，灵活多样，节省费用。
斜拉桥的施工方法：
混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装；钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板，工厂焊接成段，现场吊装架设。
钢箱与钢箱的连接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊结合。
斜拉桥发展趋势：
跨径会超过1000m；结构类型多样化、轻型化；加强斜拉索防腐保护的研究；注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究。
斜拉桥、悬索桥、斜拉一悬索桥的比选
一般说，斜拉桥跨径300～1000m是合适的，在这一跨径范围，斜拉桥与悬索桥相比，斜拉桥有较明显优势。
德国著名桥梁专家F.leonhardt认为，即使跨径1400m的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省二分之一，其造价低30%左右。
对于200～1500m（甚至更大）跨径范围的桥梁，缆索承重桥都极具竞争力，对于主跨超过500m的特大跨径桥梁，更是缆索承重桥的天下。
斜拉桥与悬索桥都具有卓越的跨越能力和高耸的桥塔，宏伟壮观，富于冲击力、震撼力和标志效用是2种桥型的审美特点。
就视觉印象而言，如果说悬索桥妩媚纤巧，斜拉桥则是刚强有力。
而斜拉一悬索协作体系桥将其合二为一，可以说是刚柔并济。
当然在施工方面也各有各的优缺点。
斜拉桥的施工方法：
混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装；钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板，工厂焊接成段，现场吊装架设。
钢箱与钢箱的连接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊结合。
斜拉桥的钢索一般采用自锚体系，自锚式悬索桥体系转换施工方法：
自锚式悬索桥体系转换是指实现桥梁主缆与加劲梁的连接、形成自锚体系的过程。
本发明提供两种体系转换方法：
一是整体顶升加劲梁，在无应力的状态下安装吊索、杆，精确调整吊索、杆长度后，解除加劲梁的支架支撑，使加劲梁悬吊在主缆上。
二是先安装吊索、杆，再分批分阶段张拉吊索、杆，将加劲梁从支架支承转化为主缆悬吊。
方法一进行体系转换其优点是一般不需要对吊杆进行张拉的设备，缺点是对于吊杆需要调整时难度较大，同时需要较多的起顶设备材料；而采用方法二进行体系转换则相反，具体施工时应根据桥梁特点及要求，结合技术经济比较确定合适方案。
目前斜拉一悬索协作体系桥梁主要停留在方案设计阶段。
所提出的方案，均为地锚体系，需要庞大的锚碇，特别是在海上，施工难度大，工程造价高。
自锚式斜拉一悬索协作体系桥不仅可以避免上述问题，而且经济性能好，对地形和地质状况适应性强。
自锚式斜拉一悬索协作体系桥是一种新型的缆索承重桥梁，由主缆、斜拉索、吊杆、加劲梁、桥塔及基础等几个主要部分组成。
缆索在恒载作用下具有很大的初始张拉力，对后续结构形状提供强大的“重力刚度”，这是缆索承重桥跨径得以不断增大、加劲梁高跨比得以减小的根本原因。
白锚式斜拉一悬索协作体系桥加劲梁、桥塔还承受主缆和斜拉索传来的巨大的轴向压力，加劲梁和桥塔在恒载作用下，以轴向受压为主，在活载作用下，以压弯为主，因此在结构分析时要计入压弯耦合效应影响。
以大连跨海大桥的设计方案为例：
规划建设的大连跨海大桥位于大连市主城区与开发区之问，考虑大连湾内船舶等级和航空安全的需要，在大连港航道，通航孔桥主跨为800m。
该工程规模庞大，桥梁工程长达10～16km，主通航孔桥下净高至少需要53m，受大连机场航线高度限制，考虑航空安全需要，桥梁的最高点标高不得超过海平面174m，即在满足通航孔最低净高53m的要求下，桥面以上桥塔高度不能大于121m。
若没有净空和航空的限制要求，在主跨1000m左右的桥型选择中，斜拉桥和悬索桥都是可行的方案。
但是结合大连跨海大桥的具体情况和要求，上述2种方案不适用，因此提出能够满足使用要求且经济美观的自锚式斜拉一悬索协作体系桥方案，该方案相比斜拉桥方案：
①降低了塔高，满足航空要求。
斜拉桥塔高按常用值160m计，可减少到115m左右，大大降低桥塔的施工难度，对整个桥梁的抗风及地震响应十分有利。
②减小了跨中位置的拉索长度，降低了超长拉索垂度效应对结构的不利影响。
③减小了斜拉桥悬臂施工中的悬臂长度，提高了施工过程中的稳定性，同时提高了施工进度。
悬索桥无论从设计还是施工上都是成熟的方案，但是主跨在1000m内时悬索桥的造价相对较高，且要在深海中修建庞大昂贵的锚碇，施工难度大、工期长，从经济性上考虑不是最佳方案。
同样，若采用地锚式斜拉一悬索协作体系方案，即使能减小锚碇规模，也需要在深海中修建庞大昂贵的锚碇，相比传统悬索桥优势不明显。
该桥主跨为800m，自锚式斜拉一悬索协作体系桥方案是能够满足设计要求的，其相比悬索桥方案：
①避免了在深海中修建庞大昂贵的锚碇。
②不必全部用钢梁，占全桥70%以上的斜拉桥部分可用混凝土主梁代替，降低了工程造价。
③在静力性能方面，由于斜拉桥具有比悬索桥大得多的刚度，因而协作体系跨中活载挠度皆比悬索桥小，刚度性能好，并且斜拉桥部分增强了悬索部分加劲梁吊装施工过程中的稳定性。
④在动力性能方面，由于斜拉桥具有比悬索桥大得多的风稳性，因而协作体系的1阶扭转频率比悬索桥提高，具有更大的抗风能力。
自锚式斜拉一悬索协作体系桥作为一种全新的结构体系，兼备斜拉桥和自锚式悬索桥的优点，它具有结构新颖、受力合理、抗风性能好和工程造价低等优点，在软土地基、强风地区尤能突出其优越性，在大跨度桥梁尤其是跨海大桥中极具竞争力。
自锚式斜拉一悬索协作体系桥，无论是设计方面还是施工方面，与斜拉桥和悬索桥有相同或相似之处，又存在自身的特点
自锚式斜拉一悬索协作体系桥
自锚式斜拉一悬索协作体系桥是一种崭新的桥型，施工方法的选取直接关系到该桥型能否实现。
地锚式悬索桥采用“先缆后梁”的施工方法，即主缆安装后锚固在永久锚碇上，再分阶段吊装主梁。
自锚式悬索桥采用“先梁后缆”的施工方法，即主梁在临时支架上安装或浇筑完毕，再悬挂主缆，张拉吊杆，使主梁脱模。
而自锚式斜拉一悬索体系桥没有永久锚碇，有时也没有条件搭建临时支架，如修建跨海大桥。
所以修建该体系桥需考虑用新的施工方法。
根据自锚式斜拉一悬索协作体系桥的自身特点，以上图桥梁为例，拟定了6个主要施工步骤：
箱梁
箱梁：
桥梁工程中梁的一种，内部为空心状，上部两侧有翼缘，类似箱子，因而得名。
分单箱、多箱等。
箱梁的运用可以使桥梁有建筑高度小、自重轻、施工方便，施工速度快、装配化强度高、便于架设安装，桥梁纤细美观，结构断面受力合理，钢束分散布置，避免了锚下混凝土应力集中，节省钢筋，经济效益好等一系列优点
钢筋混凝土结构的箱梁分为预制箱梁和现浇箱梁。
在独立场地预制的箱梁结合架桥机可在下部工程完成后进行架设，可加速工程进度、节约工期；现浇箱梁多用于大型连续桥梁。
目前常见的以材料分，主要有两种，一是预应力钢筋砼箱梁，一是钢箱梁。
其中，预应力钢筋砼箱梁为现场施工，除了有纵向预应力外，有些还设置横向预应力；钢箱梁一般是在工厂中加工好后再运至现场安装，有全钢结构，也有部份加钢筋砼铺装层。
两个左边实体拼接为右边的箱梁
另见一种混凝土箱梁：
技术要求
建桥的施工全过程包括以下阶段：
1，桥址勘测钻探
2，设计意见书（可行性研究）
3，初步设计（方案比选和推荐方案的总概算、主要材料、机具数量以及劳动力估算）
4，技术设计（复杂、重要结构的工程设计）
5，施工设计（具体细节、施工方法、施工组织、工程预算的图表编制）
6，在每一设计阶段编成的文件，经主管建设部门鉴定批准后，才能分别进行场地布置，预制结构配置，和陆上、水下、高空的现场施工
7，桥建成后，必须办理验收交接手续，移交管理部门负责以后的桥梁养护和通车运营，到此，建设桥梁的工作始告完成。
钱江三桥之所以要选择为斜拉桥，是因为斜拉桥兼有大跨度梁式桥和悬索桥的一些特点，斜拉桥的优点在于：
1，如调整斜拉索的恒载内力得当，能设计出十分经济的结构。
2，利用斜拉索架设主梁，施工方便，而且不需要增加很多安装材料。
3，有很多根长度不同的拉索，结构阻尼增大，构件振动频率互异，对抗风稳定性有利。
4，采用自锚布置不需要工程大量的锚定。
5，主梁可以做的很小，梁底以下的航行净空获得最佳条件。
6，由于以上原因，在一定范围内的桥跨常较其他形式造价低廉；主梁、主塔可按地区条件，经济地选用钢结构或预应力钢筋混凝土结构
斜拉桥的主梁较多为箱形结构，也有采用双片或三篇以上工字形梁式结构的。
箱形结构可以为左右各一的双箱，中间用横隔板联系；也可以用倒梯形的单室或多室单箱。
选调主梁的可以用双竖面拉索、双斜面拉索，也可能是单面拉索。
如上所述，当采用中央单面拉索时，主梁应有足够的抗扭刚度，单箱主梁是唯一的适宜构造；这是拉索将在中央分车带通过桥面，进入箱形构造内部的锚固构件锚牢。
因为经济的考虑和抗风稳定的要求，单面斜拉索的斜拉桥主跨跨长不宜超过350米、长大跨桥的箱形断面须做成流线型，或加迎风的覆盖尖端、固端。
工字形断面主梁由于不能有效地抗扭，至少须采用两片，用横梁连接，与双面拉索配合。
当桥面宽阔时，还要在桥轴向中央增加一条纵梁，与横梁，主梁形成框格形结构，一减小横梁的弯矩。
塔和梁的连接形式有：
1，主梁有独自的支点支撑在主墩，或支撑在主塔的横梁上。
如此，主梁将为一般梁跨性质，但有拉索体系连接梁身各掉点及塔顶。
在这种超静定体系中，主梁支点有较大的负弯矩，结构效果较差。
2，主梁和塔固结，塔梁有共同的支点，铰接在塔下的墩顶。
这样主梁中跨可能有较大的挠度，但塔的活载弯矩较小，塔底没有弯矩。
3，主梁和塔固结在塔身中部，塔底固定在墩顶，局部形成钢架。
4，塔固结在墩顶，主梁在墩顶无刚性支承，梁上荷载由斜拉索承受，传到塔顶，成为浮式悬吊的中间承托。
主梁仅在边跨两端有一般梁式桥的固定或活动设施。
斜拉索在主塔上的连接方式，一个点铰接为多。
也有做成摆动支承，或者使用摆动、滑动支承，两侧斜拉索连续通过塔上支座的；但如摆动、滑动量大，塔上左右拉索将由角变位，索座底面的反力分布不均匀，不是理想的细节。
三种主要连接形式和计算时采用的力学模式见下图
安装斜拉桥有两方面的工作：
1，使桥跨个部件就位，并作好必要的联结。
2，施加预应力于斜拉索，达到调整恒载内力的目的，然后固定连接细节。
这种工作因施工方法的不同，可以结合穿插进行，也有可能需要先后完成。
但是张拉斜拉索为组拼构件或预施内力中都要采取的手段，是安装工作程序中关键的一环。
钱江三桥引桥塌陷原因
“连接板梁之间的铰缝是混凝土二次浇注的区域，因体积小、构造相对比较单薄，混凝土浇筑密实性往往难以保证，因此，在桥梁中铰缝破损是一种比较常见的病害。
铰缝的作用是分配桥面的使用荷载，它的破损直接影响桥梁的横向传力特性，削弱结构的整体受力性能，导致单块梁板承受重车作用，影响桥梁的使用安全和使用寿命。
”浙江大学建筑工程学院教授谢旭在接受南方周末记者采访时说。
谢旭说，原因包括设计、施工、养护、管理等各个环节，相对来说，施工质量差和养护、管理不周到是导致桥梁脆弱最主要的原因。
“目前我国的桥梁施工质量不容乐观，工程层层分包、单位挂靠的现象非常普遍，在施工过程中质量管理体制不落实、责任不明确的情况很常见。
”谢旭说，施工时出现的裂缝被人为掩盖的情况也非个别现象。
在养护、管理方面，主要是没有及时发现桥梁出现的病害，失去采取紧急措施的时间，最终导致桥梁垮塌。
一般来说，大部分桥梁垮塌都有事先症兆，管理人员可以根据结构出现的裂缝分布、裂缝发展以及结构变形等情况判断桥梁是否存在使用风险，铰缝破损也是一样。
有关铰缝的不少专业文献显示，由于公路交通量急剧增加，同时因自然环境影响，工程局部设计不合理、施工工艺条件限制等原因，致使铰缝损坏，极可能造成断板。
《钱江三桥大修工程技术问题专家会议纪要》承认，下游桥面水泥砼铺装层完成后，局部地段出现较多裂缝。
专家组通过对混凝土供应商提供的资料进行检查，发现实际砂率比设计要求的偏高，是桥面出现裂缝的主因，“这是一起典型的施工质量事故”。
还有一点，就是公路桥梁设计荷载标准也有新旧之分。
以钱江三桥为例，它建于上世纪90年代，应该说是按照1989年的《公路桥涵设计通用规范》标准建造，与目前采用的2004年新标准有明显的差距。
1989年的标准考虑的荷载偏低，按这标准设计的桥梁安全储备小。
据悉，在一些发达国家，新标准一旦制定，就要对按旧标准设计的桥梁重新评价。
如果不满足新标准，就得加固、加强，甚至重建，否则只能降低使用功能。
但在中国对此却无明确的规定。
桥坚强证明了道德力量
通过国内和国外桥梁发展的比较，可以看出国内桥梁的发展过程中主要存在如下问题：
1，工程质量问题，与国外一座大桥动辄几十年的前期准备和研究相比，国内的桥梁设计周期和施工工期显得过短，由此完工后常常带来遗憾，甚至留下隐患。
2，设计创新问题。
3，桥梁美学问题。
4，主动参与国外大桥建设的积极性不够。
论设计能力、施工技术、材料质量，茅以升他们建钱江大桥时根本无法与今天相提并论，至于投资，钱江大桥耗资160万美元（未炸毁之前的建桥资金），而钱江三桥投资高达6个亿，两者更没有可比性，但建造质量何以差距如此之大呢？
答案已经由一网友给出了：
过去的人实在，按部就班，科学施工，不搞献礼工程，不搞大跃进，不沽名钓誉，不偷工减料，所建工程焉得不牢固？
钱江大桥之所以能在风雨中屹立74年，就因为建桥者们用他们高尚的道德情操、无与伦比的敬业精神和强烈的爱国主义精神为大桥奠定了精神基础和灵魂底色。
桥身不倒，首先是桥魂犹在。
我查阅了有关钱江大桥的建设资料，震惊于以茅以升为代表的建设者们克服种种困难，采用“射水法”、“沉箱法”、“浮远法”等，解决了建桥中的一个个技术难题的创新精神，更敬佩茅以升一丝不苟的工作精神：
茅以升对建桥的每一道工序，都极尽苛刻，大到钢梁的架设，小到每一颗螺丝钉都有严格的检查程序。
如今，茅以升1975年赠送给浙江省档案馆的钱塘江大桥工程技术档案，已于2000年被列入全国首批48件《中国档案文献遗产名录》之一，在为今人、后人提供珍贵的建桥史料和经验，我希望今天的建桥者们不但能从中汲取技术养料，更能从中收获老一辈建桥者们公而忘私、公正廉明、敬业奉献的道德力量和精神品格，将建桥事业当做百年大计而非政绩工程来从事经营。
网站参考;
新浪新闻:
XX百科:
土木工程网:
文献参考：
《预应力混凝土桥梁结构》宋玉普编著机械工业出版社出版
《大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法》黄卫编著中国建筑工业出版社出版
《桥梁工程》铁道部大桥局王序森唐寰澄编著中国铁道出版社出版
同济大学徐君兰的《大跨径桥梁施工控制〉〉
重庆交通学院的《桥梁施工控制技术〉
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