大跨度现代悬索桥的设计方案创新与技术进步

大跨度现代悬索桥的设计创新与技术进步

<讲稿）

杨进

<中铁大桥勘测设计院有限公司）

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广东省汕头海湾现代悬索桥，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，中铁大桥勘测设计院在承担安徽省马鞍山长江大桥的“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2000M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，江苏省决定兴建泰州长江大桥。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泰州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武汉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．泰州长江公路三塔双主跨悬索桥

2．1 泰州长江公路大桥采用三塔双主跨悬索桥的环境适应性

泰州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2 km，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范围均为第四系，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，泰州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内造型大体上一致。

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，可能成为领先的范例。

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15M；

●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张拉

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。泰州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，深受国内外桥梁工程界的广泛关切。本人于2006年初发表了题为“泰州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同仁，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实验，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。但在塔柱内侧，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，中主塔在面内为只有顶部一道横梁的简洁造型。经多方分析计算，确认立柱在面内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，经多方案传力实验研究，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，然后张拉螺杆，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，泰州桥施工已完成过半、即将开始上部结构安装。就其桥梁的使用规模及单跨超