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 8280

7750 -6.4 8280 7750 -6.4 边 缆 长 度 401.4

533.4 32.9371.5 490.5 32.0边 缆 垂 度 2.570

4.895 90.5 2.174 4.099 88.5边缆截面积 1.0106

0.9460 -6.4 1.0106 0.9460 -6.4 边 缆 用 钢 3184.4

3961.1 24.42947.2 3642.5 23.6轴力 6770

5660 -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）