江阴长江大桥设计及施工关键技术

江阴长江公路大桥缆索系统设计反思同济大学 林长川摘要本文将江阴大桥缆索系统设计中的一些问题，对照施工实践所反馈的信息以及近年来国内外悬索桥技术成就，作一次反思，总结一些经验和教训。

关键词主缆分跨背缆主缆垂跨比带锚板索股锚头主缆安全系数钢丝性能指标吊索上下联接长吊索短吊索刚性吊杆可调式销接锚头销接式索夹空隙率江阴长江公路大桥(下称江阴桥)是本世纪我国建成的跨径最大的桥梁，也是世界第四大桥，经过8年多的设计和施工，即将竣工通车。

在悬索桥的四大构件系统：缆索、加劲梁、索塔和锚碇系统中，缆索系统包括作为主要承重构件的主缆以及主缆与其他构件相联系的吊索、索夹和鞍座是悬索桥最重要的，也是独具特色的构件。

它对全桥强度和刚度起决定性的作用，因此，国内外悬索桥都对缆索系统给予高度重视。

笔者有幸主持了江阴桥缆索系统的全过程设计，并在施工阶段作为设计代表，又经历了图纸到实桥的实践过程。

实践是检验真理的唯一标准。

通过施工实践，设计时所考虑的问题有的为实践所肯定，成为经验；有的则为实践所否定，而成为教训。

无论是经验还是教训，对于后来都一样可贵。

在这8年多的时间里，悬索桥技术取得了突飞猛进的成就，国外建成了像明石大桥、大带东桥这样的超级悬索桥，国内的现代悬索桥也从无到有，建成多座各具特色的大桥。

笔者期望将当年设计中对一些问题的构思，对照这些技术成就和施工实践所反馈的信息，对江阴桥缆索系统设计作一次检讨，总结一些经验和教训，能对我国悬索桥技术的发展有些裨益。

一、主缆设计1．主缆分跨经比较，江阴桥主缆采用单跨悬吊，边跨主缆采用不吊加劲梁的背缆形式。

实践证明，这种形式在江阴桥的实际情况下，不仅经济、方便施工，还能增加桥梁的整体刚度，是合理的选择。

江阴桥南锚碇锚固于西山山体，因受西山地形制约，南边缆跨度取309.36m，边缆倾角为27．072。

为使南、北主索鞍尺寸相同，便于制造，北边跨也采用相同的倾角，跨度取336．5m。

而中缆塔顶倾角为20．70l。

如果不受地形限制，根据“主缆在塔顶两侧的夹角尽量相近”的原则来设计，南、北边跨的跨度应分别取439m 和480m。

两种边跨跨度的参数比较如表1。

表中可见：①边跨跨度加大，一方面使边缆长度增加约32％，活载产生的弹性伸长量增大；另一方面使边缆的垂度增大约89％，这两者的增大最终都会导致桥塔的受力变坏，塔底弯矩增加约21％，并使桥梁的整体刚度下降，塔顶水平位移增大约20％；②边跨跨度加大，虽然边缆的截面积减小了，但是，边缆的长度却增长了，综合的结果，边缆的用钢量还是净增约24％，计1472t。

必须说明，江阴桥边跨钢丝用量的节省还得益于参考了博斯普鲁斯、青马等桥的经验，按照中缆和边缆不同缆力分别设计中缆和边缆截面积，边缆比中缆多的32根索股锚固在四只主索鞍鞍槽顶部特设的横梁上，将原来l6根长约2185m的长索改为32根约386m的短索。

较之过去一般悬索桥所习用的全缆截面相同的做法，中跨主缆钢丝用量节省了507t。

也就是说，江阴桥边跨钢丝用量节省的1472t 中，因边跨缩短节省965t ；因采用边缆加股的做法节省507t 。

江阴桥边跨跨度的缩短虽然起因于地形因素，但是，受此启迪，使笔者深深体验到缩短边跨跨度的好处。

即使不受地形制约也应该缩短边跨跨度。

边缆跨度决定边缆倾角，边缆倾角对边缆缆力、桥梁的整体刚度和桥塔受力都有影响。

尼尔斯J ·吉姆辛认为： “边跨长度对塔顶水平位移有很重要的影响。

”，“三跨结构中主跨的挠度将与边跨与主跨之比密切相关。

”“与边跨长度具有如此强烈的相依性可解择为：弹性应变和垂度变化这两者的作用都随缆索长度的增加而增加。

”［1］经笔者估算，如果不考虑地形因素，对跨度l000m,跨比l ／11的桥梁，边缆倾角约30。

左右，钢丝用量最省，37。

左右对整体刚度贡献最大［2］。

实际上，因地形制约以及边缆与中缆缆力差限制，往往不可能达到这样大的倾角。

因此，设计原则应在地形和缆力差允许的情况下，使倾角愈徒愈好，也就是应该尽量缩短边跨。

江阴桥缩小边跨，又采用边缆加股的做法，应该是悬索桥技术的一项进步。

但是，有些人却认为，加大边跨，使边缆与中缆倾角相同，取消边缆附加索股，可简化主索鞍构造，其实这是因小失大的想法。

有些专著的作者也以为“从总体受力角度要求边跨与主跨的主缆水平分力在塔顶处互相干衡，这要通过边跨与中跨的主缆在塔顶两侧的夹角尽量相近来保证。

”因此，如果不受地形制约，边跨跨度就应该根据这个原则来确定。

［3］实际上，这种设计原则是值得商榷的。

悬索桥的主缆由中缆和边缆组成。

对于大多数悬索桥来说，不论单跨还是三跨，中跨的跨越能力都是倍受关注的。

由于悬索桥的主要承重构件是主缆，因此，中跨的跨越能力是跨 别 北 边 跨南 边 跨 跨 长 实际采 用跨长336.5m/0.24L 主鞍两侧倾角相等跨长480m/0.35L △％实际采 用跨长309.36m/0.22L 主鞍两侧倾角相等跨长439m/0.32L △％边 缆 力 82807750 -6.4 8280 7750 -6.4 边 缆 长 度 401.4533.4 32.9371.5 490.5 32.0边 缆 垂 度 2.5704.895 90.5 2.174 4.099 88.5边缆截面积 1.01060.9460 -6.4 1.0106 0.9460 -6.4 边 缆 用 钢 3184.43961.1 24.42947.2 3642.5 23.6轴力 67705660 -16.46770 5670 -16.2塔 底 受 力弯矩 65900 79900 21.264100 77800 21.4塔顶水平位移（向北为正）0.196 0.237 20.9-0.177 -0.212 19.8表1 江阴桥两种边跨跨度的参数比较（单位：吨，米）由中缆的强度和刚度来决定的。

而中缆是由索塔和边缆所组成的结构来支承的，支承的刚度也就支配了中缆的刚度。

在索塔和边缆所组成的支承结构中，边缆又起着主导作用，边缆的刚度直接影响索塔的受力，也影响中缆的刚度，因此，边缆的设计至关重要，不可忽视。

实际上，这和三跨连续梁的边跨对中跨的作用以及斜拉桥的背索和辅助墩对中跨的作用的道理是一样，都是以提高边跨对中跨的支承作用来加强中跨的刚度和跨越能力的。

实践证明，有意识缩短悬索桥的边跨跨度可有效改善索塔受力，节省主缆钢丝用量，提高整桥刚度。

如果，再配合使用增加边缆索股的做法来避免因边缆缆力增大带来中缆钢丝用量增加，则可进一步节省钢丝用量。

2．主缆垂跨比选用主缆垂跨比是主缆线形设计中一项重要指标。

它影响缆力，从而影响钢丝用量；影响水平拉力，从而影响锚碇。

此外还影响桥梁的整体刚度、塔高和吊索长度。

综合考虑这些因素，江阴桥采用的主缆垂跨比为1：10．5。

由于爬模技术的进步，无论是钢塔还是混凝土塔，增加塔高都不是难题，因此在满足桥梁的整体刚度的前提下，增大垂跨比有利于节省钢丝用量和减小锚碇尺寸。

大跨悬索桥具有足够的重力刚度，可以采用较大的垂跨比。

大带东桥跨度1624m，重力刚度大，大胆地采用1／9垂跨比，取得很好的经济效益。

江阴桥跨度较大带东桥小，加劲梁也较轻，重力刚度远不如大带东桥大。

加之，我国现行桥规，对悬索桥刚度要求过于苛刻，即使采用1：10．5的垂跨比，实际的挠度值已超出桥规的允许范围。

按桥规对悬索桥的规定：荷载在同一桥跨内移动所产生的正负挠度绝对值之和应不超过跨度的1：400。

江阴桥在6车道荷载作用下，正挠度3．33m，负挠度1．85m，叠加为5．18m，仅为跨度的l／267。

如果只考虑单向挠度也只达跨度的1／416。

这里需要讨论的是现行桥规悬索桥挠度规定对特大跨度悬索桥的合理性。

如能放宽，可使我国悬索桥设计更为经济、合理。

3．主缆索股锚头型式江阴桥为配合螺杆式锚固系统，采用带锚板的主缆索股锚头。

由于第一次设计这种形式的锚头，缺乏工程经验，为谨慎计，考虑到索股安装时锚板容易转动，便于孔眼与螺杆对准，将锚板与锚头分开(如图1)。

这样做还使得锚板与锚杯有可能采用不同的材料，锚杯使用铸钢，满足复杂的形状需要；锚板则使用锻钢，以满足复杂的受力要求。

从索股安装实践看，前者的考虑似乎没有必要；而后者只要适当调整锚板尺寸，锚板与锚杯使用同样的铸钢也有可能。

如将锚板与锚杯做成一体，还可节省锚头长度，减轻重量，节省材料，并可避免锚板刮伤钢丝。

丰都大桥与海沧大桥的实践都证明了这一点。

尽管这两座桥索股都是91丝的，对127丝的索股，做些改正也应该是可行的。

图l 带锚板主缆索股锚头1-索股；2-锚板；3-锚杯4．主缆安全系数取用江阴桥主缆安全系数取2．5。

悬索桥验算安全系数时，一般都是考虑各钢丝均匀受力的，并未考虑局部弯曲等因素所产生的“次应力”。

如果认真分析一下主缆的次应力，其数值是相当可观的。

粗看2．5的安全系似有必要，再说主缆是悬索桥的主要受力构件，它在桥梁的整个使用期中是不能更换的永久性构性，需要确保万无一失。

40年代以前建造的悬索桥主缆安全系数都大于2．5，至今日本所建造的悬索桥大多数也采用这个数值，这是问题的一个方面。

然而另一方面，主缆安全系数又直接影响主缆的“效率系数"。

在影响主缆效率系数的钢丝强度、垂跨比以及安全系数三大要素中，钢丝强度的提高是需要付出代价的；垂跨比的增大有时受整桥刚度等制约；唯独安全系数的降低却是免费的，跨径愈大其效益越是可观。

在当今11座千米以上的悬索桥中，有6座主缆安全系数小于2．3。

英国自建造塞文桥以来，随后的博斯普鲁斯两座桥、享伯桥以及青马大桥的主缆安全系数始终保持在2．29。

值得重视的是明石大桥，主缆安全系数为2．2，加之使用l800MPa的超强钢丝，使主缆效率系数达到0．74，遥遥领先于其他大桥。

更值得注意的是大带东桥，主缆的名义安全系数仅2．0，是目前各悬索桥中最低的。

加之采用l／9大垂跨比，尽管仍使用l570MPa强度的钢丝，主缆效率系数仍能达到0．80。

这些大桥之所以敢于采用这样低的安全系数，是出于以下考虑：由于大跨悬索桥的恒载占85％以上，恒载的计算是可以很准确的，而且在桥梁使用期中超载的可能性较小，没有必要与活载采用同样的安全系数。

如果将恒、活载分别考虑，恒载超载系数取1．15，活载超载系数取3，再考虑1．4的材料安全系数，综合的名义安全系数也只是2。

实际上材料的安全系数1．4是不必要的，因为设计上所取的钢丝强度是实际钢丝强度的下降，实际钢丝强度有变化幅度，其平均强度总是较下限大，安全度相当富裕。

5．主缆钢丝性能指标规定江阴桥主缆钢丝性能指标需要反思的是强度、扭转和直线性指标。

强度指标为适应国际招标要求，定为国际上通用的1 600～l 800MPa。

目前国内生产的缆用钢丝完全可以替代泊来品。