大跨度现代悬索桥的设计创新与技术进步.docx
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大跨度现代悬索桥的设计创新与技术进步
大跨度现代悬索桥的设计创新与技术进步
（讲稿）
进
（中铁大桥勘测）
1.前言
自20世纪90年代开始，原铁道部大桥局自主设计建造了省海湾现代悬索桥，随后又设计建成三峡坝下的西陵长江现代悬索桥。
从此开始在中国大陆地区逐步形成了现代悬索桥在设计、计算、施工、构件制造、机械设备以及主缆、吊索与防腐材料等方面的产业链。
从而使悬索桥结构在大陆地区得到了蓬勃的发展与应用。
2005年前后，中铁大桥勘测在承担省马长江大桥的“予可”、“工可”研究工作中，根据江段的河势演变情况，放弃了当地推荐的一跨2000米的悬索桥方案，建议考虑三塔双主跨悬索桥的等效方案，以节约工程费用。
随后，省决定兴建长江大桥。
在建桥方案的征集评议之后，建桥主管采纳了本人推荐的三塔双大跨的悬索桥方案。
并于2007年正式被批准开工建设。
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，采用多塔多主跨悬索桥方案，将是在技术上和经济上较为合理可行的选择。
在设计中，只要注意处理好位于主孔中间各塔在顺桥向的可挠性；以保持在单跨活载满布的条件下的主缆水平拉力的平衡传递问题。
其他方面似无太大的技术难点。
下面分别介绍工程完成过半的长江公路大桥的工程实际情况。
以及正待国家审批即将开工的市中环线鹦鹉洲长江城市公路大桥的设计方案研究。
两者均为大跨度三塔悬索桥，因其所在的环境条件各有不同，从而在技术方案上各自具有不同代表性的特点。
2．长江公路三塔双主跨悬索桥
2．1长江公路大桥采用三塔双主跨悬索桥的环境适应性
主桥效果图
主桥布置图
长江公路大桥上距新近建成的润扬长江公路大桥约66km，下距早年建成的江阴长江公路大桥约57km，两桥均为单跨双铰式悬索桥。
前者的主孔跨度1490m，后者的主孔跨度1385m。
河床断面图
长江公路大桥的桥址位于永安洲北，两岸地势平坦开阔，河道常水水面宽约2km，两岸堤坝相距约2.5km。
河床断面呈“ω”形状，中心带的水深比两侧水深相对较浅。
水下河床工程地质层，经初勘得出深180m～190m围均为第四系，基岩埋深尚未得知。
桥北附近已有港口码头建筑，一侧水域为泊船锚地。
基于环境保护和尽可能降低对行洪的影响，以及航运港口的发展等方面的需要，建桥方案从减少水域中的障碍而少设桥墩，和在建桥后江面仍具有足够的开阔度，因而构思出三塔双主跨的悬索桥方案。
该方案在技术上扩展了现行悬索桥的使用功能，在基本上同等的覆盖条件下，主缆和锚碇的工程量约省一半。
经济上的优越性不言而喻。
2．2中主塔结构及基础结构方案与施工实况
中主塔的关键性技术作用是能确保双主跨主缆受力的传递。
因而其塔顶应具有可纵向挠曲的柔性。
而在塔底与基础结构之间的连接不出现负反力。
基础在结构上必须有足够的刚性，不会因水下冲刷的不确定性而随时变化。
其目的在于确保塔顶柔性度不受影响。
为此，桥的中主塔的塔身采用倒Y形的钢结构，其基础为浮运沉井重型结构。
两者组合基本上实现了上述的技术要求。
两端的边主塔其受力作用与常规的双塔悬索桥基本上相同，仍为全钢筋混凝土结构。
三座主塔在横桥向的面造型大体上一致。
基础结构上部完成
沉井立面剖面图
沉井结构全高约80m，下段为可以自浮的高38m的钢壳，在就近的岸边组拼完成后，再浮拖到江心塔位处。
着落河床稳定后，再以混凝土填充促其下沉至稳定深度。
然后分次用钢筋混凝土接高沉井上段，逐沉逐接，及至设计要求的最终深度。
2008年9月初完成上述作业进行沉井封底。
前后历时约一年。
2009年2月完成了沉井顶部的承台构筑。
整个基础工程至此告一段落。
以下为施工中的几幅照片：
底节钢壳岸边组拼
底节钢壳浮运到墩位
钢壳定位着落河床
钢壳夹壁混凝土浇筑
沉井接高下沉图
沉井清基、封底采取分区平衡对称作业，单次混凝土浇筑量较小；有利于控制沉井终沉姿态，避免发生突沉。
沉井终沉清基、封底图
沉井基础是一种寓结构要求与施工手段于一体的构造。
其本身既是基础结构的主体，又是完成主体的作业平台，作为深水桥墩的基础，具有极好的自稳性和抗冲撞的能力，而在用材的要求上很普通，施工机械单一，工序比较简单，工程造价相对而言甚为低廉。
对今后在长江下游段或类似地质条件处建设桥梁的水中主墩基础工程，可能成为领先的例。
钢塔安装设计方案因受已定的吊重能力控制
◇下塔柱节段划分：
●钢塔下塔柱共分6个节段；
●节段最大高度为15米；
●最大节段重量为497t。
◇上塔柱节段划分：
●上塔柱共分15个节段；
●其中部分节段重量较大，
单节竖向分两块安装。
◇首节段安装-塔柱锚固
◇钢塔安装流程
首节段安装调位与承台空隙间压浆及锚杆拉
下塔柱节段安装安装下塔柱支架
◇钢塔节段吊装及上横梁就位
2．3方案设计过程中的讨论与研究
三塔悬索桥目前在世界上尚处在理论上的探索阶段，我国则先行一步。
长江公路大桥主桥决定采用创新设计的三塔双主跨悬索桥方案，从2006年开始提出，到2007年底正式开工三塔悬索桥的建设，深受国外桥梁工程界的广泛关切。
本人于2006年初发表了题为“长江公路大桥主桥三塔悬索桥方案设计的技术理念”的文章，后载入“桥梁建设”期刊2007年第三期中公开发表，对其在技术上的主要原则作了论述。
在整个设计阶段，直接参与主桥结构设计的工作，对于某些存疑之点都经过深入的研究与探讨，而得出明确的可信结论。
其中关于主缆束股与鞍座的摩擦系数的摹拟试验，由西南交通大学土木学院完成。
加劲梁连续通过中主塔的结构处理没有采用简单的飘浮办法。
在竖向保持仍由主缆悬吊的受力状况，不在竖向设额外的支承系统。
但在塔柱侧，设有竖向限位挡块，对风振或偏载而致加劲梁发生扭转的现象加以主动约束。
在顺桥向以弹性索在梁底与塔的下横梁相连，有效地限制了梁在纵向的运动。
对此前提出采用中央扣的建议，经认真分析计算，发现其对整个结构体系利少弊大。
桥面以上，中主塔在面为只有顶部一道横梁的简洁造型。
经多方分析计算，确认立柱在面具有足够的压屈稳定性。
从而排除了增设中横梁或加大立柱横宽的争议。
钢主塔底部与承台的连接，经多方案传力试验研究，最终认定以采用正交传力方式为优，用数量不多的长螺杆加以构造性连接即可。
长螺杆杆身外部在制造过程中即以不凝结胶粘材料加以封闭包裹，然后直接安装在沉井顶层预留的空间位置，再浇注混凝土填至承压面予以封实，然后拉螺杆，完成塔底与承台的密贴。
多塔大跨度现代悬索桥，国际尚无成功设计和开建的先例，目前，桥施工已完成过半、即将开始上部结构安装。
就其桥梁的使用规模及单跨超千米，和在建桥技术上的多方面创新成就，表明了在技术发展上与经济性的合理融合。
3．市鹦鹉洲长江公路三塔四跨悬索桥
3．1桥位环境与桥式布置
该桥位于市中心城区，北接汉阳的马鹦路与鹦鹉大道，南连武昌的复兴路。
与下游的长江公铁两用大桥相距约2Km。
水面向武昌岸扩展到比长江大桥的水面约宽1倍。
通航论证要求鹦鹉洲长江大桥的单孔双向通航净宽应不小于790米。
桥址平面图见图1。
图1鹦鹉洲长江大桥桥址平面图
汉滩已建成为供市民休闲的绿色园林式风光带。
防洪堤北侧，为已建成入住的超高层建筑群。
根据防洪防渗安全要求，两岸滩地不得在堤设置桥墩的规定和未来河势发展的趋势分析，及两岸接线等背景情况，通过认真分析研究，本桥决定采用三塔四跨悬索桥方案。
如图2所示。
两端主塔位于两岸江滩的坡脚处，中主塔处在水利规划已定的江心潜坝的尾端。
考虑到三座位于水中的主塔墩的宽度及其所引起的紊流围，主孔跨径定为2×850m。
两端边跨因受两岸接线均为半径600m曲线的制约，边跨主缆的跨度仅225m即进入锚碇。
为了解决由于边跨与主跨的差值过大，而造成边塔两侧主缆拉力差值过大的困难，采取了适当降低边塔和增大中塔的高度，形成中塔与边主塔不等高的布置。
中塔比两端边塔高约18m。
主跨主缆的矢跨比仍为1/9。
图2鹦鹉洲长江大桥三塔四跨悬索桥方案桥式立面图（单位：
m）
3.2中塔选型
三塔悬索桥的两端边塔的受力与传统的两塔悬索桥基本相同，中塔的设计与桥相比其重点与难点不尽相同。
鹦鹉洲桥位处最高通航水位为20.20m，最低通航水位为10.16m，水位落差较大，不适于完全照搬桥的塔形，而以采用下段为混凝土，上段为钢的叠合结构为宜，既解决下段不怕受水浸的腐蚀，又获得使塔顶具备纵桥向的弯曲挠性。
为此在设计中拟定了上段钢结构一种为纵向独柱形（见图3）和另一种为纵向倒Y形（见图4）进行比较。
经过计算分析，得出如下结论。
纵向独柱方案，在外形上与边塔形状大体一致。
但在最不利加载工况下，钢混叠合面弯矩较大，属于大偏心接触，连接传力所需锚固螺杆数量大，同时又要承受剪切水平力。
施工拉操作复杂难于确保工程质量。
纵向倒Y形方案，叠合面处的作用弯矩处于小偏心受力状态，剪切力通过斜腿正交下传，仅以小量螺杆形成构造性连接即可，施工质量可靠。
中塔塔高高出两边塔18m，与边塔在造型上虽不尽一致，就全桥而言或许更能体现其结构上的景观效果。
基于上述情况设计决定上段钢塔柱采用纵向倒Y形方案。
图3纵向独柱中塔方案（单位：
cm）图4纵向人字形中塔方案（单位：
cm）
3.3主梁结构及支承体系
国近年来修建的大跨度悬索桥加劲主梁采用扁平钢箱梁已成为常态。
但钢桥面出于多种原因而导致铺装层易于破损，尤其是像市这样四季温差大、高气温、高湿度的地区而言，桥面铺装需经常维护或大修，既耗费资金又造成城市交通的拥堵，本设计有鉴于此，决定主桥采用钢混叠合的主梁方案，力求从根本上提高桥面铺装层的使用寿命。
主梁的结构方案见图5。
本桥为双向8车道公路桥，行车道桥面全宽32.5m。
图5主梁横断面图（单位：
cm）
主梁由中心相距31.2m的两片工字型钢板梁组成，沿桥纵向每隔3m设置一道断面亦为工字型的横梁，中心处梁高3.0m，外伸至两片主梁以外，全长38m。
端部形成流线形边箱，以改善主梁的气动外形。
上面铺设厚度16cm的预制钢筋混凝土纵向受力的单向桥面板，通过剪力钉与钢梁的上翼缘板相连接，而成为整体叠合的梁结构。
其用钢量与同等的扁平钢箱梁比，约可节省35%左右。
其制造、焊接等工艺也相对简单。
而由于主梁重力刚度的增大则使全桥的气动稳定性大为提高。
全桥主梁在通过三座主塔处均采取双铰简支，中间设过渡纵梁以调节在行车中的线形顺畅，如采用全桥连续通过三座主塔，则塔处主梁将出现上翼缘钢筋混凝土桥面板难于克服的负弯矩拉力，也使梁端的伸缩变形大为增加，在技术经济上均无优势。
钢主梁按节长15m进行组装，标号C60厚16cm的钢筋混凝土板，纵向长2.5m，横向按行车宽度等分成两块。
预制养生满半年后，先按4个节间约长12m在预制场与钢梁先行结构性叠合。
起吊节段重量约340t。
节段吊装就位后，钢梁先行将腹板栓节，随后焊接上下翼缘板。
最后完成全梁的混凝土桥面的节段连接与叠合。
混凝土预制板的两端采用厚2cm的弹性带状垫板，支承在钢横梁上翼缘的两侧，板端相距约50cm，通过伸出两端的纵向钢筋与钢横梁形成结构性叠合。
两侧与纵向钢主梁上的混凝土层，采用预设浅构造缝予以隔开，以保持桥面板仅为纵向支承受力的单一性。
现行的边主梁叠合结构斜拉桥，其受力相对较为复杂。
与悬索桥的主梁受力基本不具备对比性。
3.4主塔基础及两岸锚碇基础与施工工艺
本桥江中水下地质情况相对简单，枯水期水深不大，三座主塔墩均采用直径较大的钻孔灌注桩基础。
北锚碇基础中心离汉阳岸防洪堤约120m，北侧与最近一栋超高层建筑相距约150m，锚碇处地基覆盖层厚度77～82m，其中砾砂层埋深44～47m，土层密实，层面起伏不大，承载力较高，压缩性低，可以作为基础的持力层。
地下水与长江水相通，基础结构采用外径66m，径44.2m的园环形沉井。
井壁厚度10.9m，按园环中心半径27.05m，每隔18o在井壁中开一个直径7.5m的园孔。
全部采用园形的目的，使井壁在整个下沉开挖过程中具有拱作用呈受侧向压力的形态，使在混凝土中的配筋量将大为节省。
沉井的结构方案见图6。
沉井下沉采取使井水位保持抬高2m不排水吸泥的方法，并辅以井壁采用空气幕以降低侧壁摩阻力的手段，以尽可能保持周围地层不受影响。
南锚碇基础中心离武昌岸武金堤约160m，周围目前尚无大型建筑等设施。
锚碇处地基表层为填筑土、粉质粘土及细砂层，总厚度约27m左右。
以下为微风化白云质灰岩，是支承基础的可靠持力层。
为了确保防洪堤安全和不造成水土流失，决定采用园形地下连续墙作为构建锚碇基础的施工手段。
方案情况如图7所示。
图6北锚碇基础
图7南锚碇基础
3．5市鹦鹉洲长江大桥的技术创新点
本桥在方案设计中不以桥的技术成就而满足，而是因地而异，开扩思路以推进技术发展而求新。
前述的种种技术作为，均为达到结构简单，受力明确，施工方便、节约用料和易于检测维护，保持长寿保命使用为目的。
4．多塔多跨悬索桥的推进与发展
在沿海的宽阔湾口或离岛与陆地之间的海峡上建桥，如果需要桥下具有多向航路或者水中的基础工程相对困难而花费过大，与现有的多座双塔悬索桥其间以锚碇相连接的方式相比，采用多塔多大跨悬索桥的结构方案，可能是在技术上合理和经济上较省，又可以减少桥墩林立的密度和对水域生态环境的不利影响。
深水海域建桥的难点：
第一是深水基础的施工，第二是上部构造的架设。
在采用较大桥跨的条件下，基础结构因承载要求而使其体型壮大，从而兼顾到具备足够的抗风浪袭击和巨轮冲撞的能力，施工劳力和设备得以集中使用，水上工点数目相对减少。
悬索桥施工在塔墩，锚碇完成之后，开始上部结构的安装作业。
首先是在两锚碇之间布设牵引导索跨越各塔。
一般是采用水面浮拖的办法，近期已有采用火箭牵引和用飞艇载运等成功事例，既简单而又基本上不干扰水面的航行。
布设牵引导索的目的是为了在各跨间构筑空中猫道，为主缆的挂与编制成型提供作业平台。
主缆的空载线形定位后，再以缆载吊机行走于主缆之上进行加劲梁段的吊装就位，至此，悬索桥的结构整体基本形成。
在整个施工过程，既不须依靠大型临时辅助设施，也不存在要进行体系转换的操作，其在海上方便施工的安全性与优势，不言而喻。
多塔多跨悬索桥的结构布局，是以多塔支承的连续主缆，在首尾两端加以固定于锚碇，和不一定完全连续的加劲梁构成的悬吊体系。
在恒载均匀分布于全桥的条件下，各塔的塔顶不出现顺桥向水平位移。
在活载作用下，各塔的塔顶根据其所在位置的不同，都会发生大小不同的顺桥向水平位移，以协调主缆中所承受的水平拉力的平衡。
同时各塔的塔身因位移而受剪和挠曲受弯。
如果塔身是难于挠曲的刚性结构，则使主缆失去了全连续的传递作用，塔顶鞍座对主缆的嵌固安全性成为问题。
势将导致整个系统的解体。
各跨加劲梁如采取不完全连续，既可以消除因梁长过大的连续纵向位移和温度变化的过大影响，又可使桥面在活载作用下发生的大幅起伏的负弯矩变形大为降低。
多塔多跨悬索桥的最不利活载的加载条件，无疑是一跨满载，而其余各跨均为空载的极端情况。
虽然对于跨度大，桥很长，在日常运营中出现的机率甚微，但从整个体系的长远安全性而言，则是应予审慎对待的问题。
研究中以6塔5等跨的桥式为例，在活载单跨满载下，对其与结构行为有关4个参数（f、Δ、p、k）作出了对比。
6塔5等跨示意图
单跨满载下结构行为对比
（f:
向上为负；⊿：
向左为负）
加载工况
跨中挠度f
塔顶位移⊿
塔顶不平衡力p
主缆抗滑安全系数k
L1
L2
L3
L4
L5
2#
3#
4#
5#
2#
3#
4#
5#
2#
3#
4#
5#
L1满载
1.00
-0.54
-0.10
-0.02
～0
-1.00
-0.19
-0.02
0.00
1.00
0.18
0.03
0.01
1.65
10.09
50.84
226.13
L2满载
-0.55
1.38
-0.48
-0.08
-0.02
0.83
-0.88
-0.16
-0.02
0.85
0.88
0.16
0.03
1.85
1.80
11.48
59.63
L3满载
-0.10
-0.48
1.40
-0.48
-0.10
0.17
0.88
-0.88
-0.17
0.15
0.88
0.88
0.15
11.74
1.81
1.81
11.74
备注
第一跨为基准与各跨对比
2#塔为基准，其余各塔与其对比
μ=0.20k≥1.5安全
各项数字比值说明了在结构行为上的相关性。
其中f、p、k数值的大小与塔结构在顺桥向的挠曲刚度Δ密切关连。
其计量单位为m/t。
Δ值如果过大，引起f值的加大，而出现较大的（
）挠跨比，但这只是一种静力状态的现象，并不反映实际的动荷载正常运营状况。
从世界上目前已成的众多各类的悬索桥所具有的挠跨比数值来看，大小都有，并无明确的限制。
从行车舒适度出发，对因局部活载引起的梁端转角加以控制，则实属必要。
Δ值如果过小，则P值增大而危及塔顶鞍座对主缆的嵌固可靠，即出现k值不足。
从已成的众多悬索桥的经验积累、和桥实际的摹拟试验得出的数据，鞍槽与主缆间的摩擦系数取µ=0.2与其相应的安全系数取k≥1.5应属实际可行。
目前在悬索桥主缆的编制工艺中，已普通采用预制平行束股法（PPWS），其接触的紧密程度，无疑要比已往的空中编丝法（AS）中单丝存在大量的夹接接头和相互间紧密程度不一等问题大为改善而受力更为可靠。
因而将主缆受力安全系数从已往的k=2.5改用2.2～2.0应属重视技术进步之举。
综上所述，根据目前主缆生产厂家所能做到的拔丝长度和束股编制的工装条件，多塔多跨悬索桥的总跨长达到5000m左右，似无太多的技术难题。
从计算研究的结果可以看出，塔数与孔跨的多少，理论上可以任意延展而无限制。
目前铁路特大跨度桁式桥梁，采用桥面结构整体化的技术思路的开放与进步，将为多种方式的悬索桥方案应用于铁路大跨度长桥提供了关键性的技术基础。
5．结语
建桥技术的发展与进步，不应仅以结构跨度的大小取得在世界上的排名而满足。
这里抄录著名工程师乔格•西拉斯答记者的警句（载于何处已记不得了）：
“艺术和技术是不能相互排斥的。
很难想像一个有结构缺陷的建筑却在艺术上是美的。
每个与其最终目标相符合的建筑都是发明。
因此，每个从事结构设计的工程师都是发明家。
科学家发现的是已经存在的东西，而工程师总是在发明新东西。
目前非常令人遗憾的是，很多工程师从不或很少利用这些机会。
”
2010年5月31日脱稿
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