一座斜拉桥的设计和施工

中 外 公 路 %’ 卷 %" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 从 !" # $ %& # 到 %% # $ %’ #。沉箱的中心顶部即墩 身的底部则建造在安装水平线高程 ( ’ # 上。然而， 对最靠近岸边的桥墩、 沉箱和墩身是整体浇筑在一起 的。钢筋混凝土筒形墩身的预制在两条生产线上来完 成， 各条生产线的端部都有一装载栈桥， 从这里用重型 鹅颈吊驳船将完成的沉箱收集起来运到桥梁沿线上。 沉箱的装载重量从 % )&& * ’ +&& ,， 生产线从 !--. 底开 始预制。 对于两个索塔的沉箱 （/) # $ /+ #） ， 各重!- &&& ,， 鹅颈吊无法起运， 因此， 这两个沉箱只能在马尔默中心 港附近的干船坞中建造， 再用专门建造的双船 体 在 !--+ 年 ’ 月浮运提升和就位。 海床的标高对各墩是变化的， 从 0 / * 0 - #， 基础 底面标高从 0 " * 0 !" #， 基坑由反铲挖掘机开挖。基 坑经清底和检查后， 沉箱安置在三块预定的混凝土垫 板上。石灰岩和沉箱间的空间用特别制备的砂浆浇 注， 沉箱经压载后回填到海床水平面， 并完成基础的防 冲刷保护工程。 墩身在预制场的一块隔离区内进行制作。墩身从 安装高程的 ( ’ # 到其顶端， 在其移向装载栈桥前， 都 是在一个位置上浇注完成的。当然， 这里钢筋的制作 也是高度预制化的。墩身浇注 ’ # 提升， 墩身高度变 化从 !/ * )! #， 装载的重量从 -&& * / /&& ,。从 !--+ 年初开始生产。 123 鹅颈吊将墩身吊运到桥梁线路上并安置在 已就位到沉箱顶 ( ’ # 高程上， 下部的 % # 墩身做成 凹形， 以适应墩身和沉箱间浇筑接缝混凝土时调整。 !4" 塔柱的施工 %&/ 4 ) # 高的塔柱是唯一在现场浇筑的主要混凝 土构件。采用传统的爬模施工法施工， 每次用塔吊提 （爬） 升 ’ #。从 !--+ 年 + 月开始施工， 于 !--" 年完 工。围绕塔基修建防波堤。在索塔旁边的三个桥墩也 修筑了防波堤。索塔边施工边安装斜拉桥的桥面梁， 几乎与拉索和桥面安装平行完成。 !4# 上部结构的施工 引桥的桁架系在西班牙南部的卡迪之 （ 56789） 预 制的。一共生产了 ’- 个构件， 其中 !%& # 长的 + 件， !’& # 长的 ’% 件。两片钢桁架通过下部的钢质箱形横 梁联结， 上部通过横向预应力混凝土公路桥面联结， 形 成一根桥面梁构件。经涂装后， 这些构件用一对远洋 驳船从卡迪之运抵马尔默北港， 在这里预制铁路的槽 形梁并在桁架下层安装好。最终用 123 鹅颈吊在桥 万方数据 梁线路上安装。构件装载的重量从 考 ) )&& * . -&& ,， 根据桥梁的维修策略， 桥梁运行要保证 !&& 年或 更长时间， 而且维修费用要尽可能降低。因此， 加劲桁 架所有的构件都是闭合的箱形构件， 外表面平滑适合 于涮漆涂装和今后维修。本桥采用 /-& ! # 厚的环氧
图!
厄勒桑特桥立面图Hale Waihona Puke Baidu（单位： 4）
越主桁架下弦的结点之间。
万方数据 收稿日期： %(() $ (% $ !@
中 外 公 路 !) 卷 !* ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 钢质横向箱梁宽 ! " # $， 高 % " # $， 与主桁架下弦 节点相联结， 此梁由疲劳强度所控制， 采用 &’##( 级 钢。对于引桥桁架的设计既为极限强度也为偶然极限 所控制。除了横向箱梁外， 引桥其余构件采用 &)*+, 钢代替 &’##( 钢， 可以节约 %#- 的钢材用量。 在纵向预应力混凝土槽形梁上装载铁路道碴铺 轨， 预应力混凝土槽形梁的跨度为 !+ $， 图 ! 所示的引 桥横截面图， 槽形梁与主桁架下弦也起到组合作用， 槽 形梁的肋板还起到围挡道碴的作用， 在道碴上铺轨枕 和钢轨， 并在车辆出轨时能保护主桁架的斜腹杆， 同时 也减少车轮与铁轨撞击的噪音。就引桥横截面的布置 而言， 不仅保证重列车荷载在横向以最小的距离传递 到主桁架上， 而且在铁路上空直接跨越和悬挑到主桁 架外部分之间的比例关系也非常合理， 使公路桥面获 得最佳的有效支承。
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图"
厄勒桑特桥索塔在桥面以上塔柱的横截面 （单位： ’’）
在设计厄勒桑特桥索塔时， 为在两塔柱间是设横 梁还是其他斜撑而展开了调查， 但发现增设横梁后塔 柱所获得材料量上的节约却被横梁自身材料的消耗而 抵消， 而且由于在很高的高程上浇筑横梁需要专门的 脚手架， 也增加了施工的复杂性和费用。只有塔柱的 偏心度完全避免时， 如厄勒桑特桥所设计的情况那样， 上述结论才是唯一正确的。
万方数据 柱间在桥面以上再设任何横梁。
图%
厄勒桑特桥斜拉桥部分桥面结构的横截面 （单位： .$）
斜拉桥加劲桁架是一种重型桁架， 要求布置紧密、 强劲和赋予较大刚度， 所以应当采用高强度钢材， 这里 主要部分采用 &)!+, 级钢材， 结果显示在造价上还是 节约的。 ""! 塔基的设计 斜拉桥 !+’ " # $ 高的索塔靠近主航道， 所以塔的 下部和沉箱的设计取决于船撞力。设计考虑两种类型 的船撞力： 即纵向碰撞和迎船头船撞力或横向船撞力
图! 厄勒桑特桥引桥横截面图 （单位： .$）
主桁架下弦通过一浅箱梁相互联结， 在浅箱梁上的适 当位置安装道碴挡板， 在挡板间铺道碴和轨枕 （图 #） 。
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主桥— — —斜拉桥的设计
主桥加劲桁架的设计 按照原来的设计方案， 对称的桁架几何图形， 主桥
和引桥的所有斜杆倾角接近 )#/， 斜杆的长度都是一致 的， 由于主桥采用竖琴体系， 为使桁架的长斜杆与斜拉 索的倾角一致， 对主桥的桁架作了调整， 在桁架节间长 度不变的情况下， 由原来的等腰三角形修正成非等腰 三角形， 在过渡段， 即由等腰三角形过渡到斜三角形 时， 两个上弦节点的距离由 !+ $ 增大到 !# $， 而下弦 节点的距离保持不变， 即使在过渡部分也是这样， 如图 ’ 所示。图 ) 示出了主桥中心部位桁架的布置。 主桥两个斜拉索平面的间距为 ’+ " # $， 从 !’ " # $ 宽的道路边缘到斜拉索平面中心线的距离是 ’ " # $。 选择这一位置的目的是为了使竖向斜拉索平面移到与 塔柱的竖向中心线相一致的位置。这样可以避免两塔
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引桥设计
引桥占桥梁总长度的 @&H ， 因此， 引桥的设计在 经济上具有十分重要的意义， 同时还要保证引桥和主 桥设计上的一致性。最经济的方案是双层的组合桥 面， 上层为混凝土公路桥面， 下层为混凝土铁路桥面。 上下层桥面都支承在两片平行的竖向瓦仑钢桁架上。 采用瓦仑桁架比一般桁架更开敞。如采用接近 )&K的 斜杆来代替 "(K的斜杆， 桁架结点构造统一而且简单， 费用也较便宜。桁架除设置伸缩逢的两侧有竖杆外， 其余的都是斜杆。桁架节间长 度 定 为 %( 4， 桁架高 所有的构件都为箱形截面， 每一结点的角度和 ’ 6 ) 4， 所有的联结都焊接成圆弧状。使桥梁的外形更轻盈和 通透， 也使铁路旅客能更好地观赏海上的风景。 主桁架与横向预应力混凝土顶部的翼缘板和下弦 结点钢质横向箱梁与铁路桥面的槽形梁构成一组合空 间箱体结构。上翼缘板从两片纵向桁架各向外悬挑 ) 6 %& 4 形成 %? 6 & 4 宽的四车道公路桥面。下层铁路 桥面由槽形预应力混凝土梁置于钢质横向箱梁上， 跨
万方数据 混凝土作为结构材料， 重要的是要避免桥面系、 缆索体
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系和索塔恒载以及车辆荷载形成的竖向力对索塔产生 偏心度。使竖向索平面与塔柱的竖向重心线相重合。 厄勒桑特桥的每一根塔柱横截面都是五角形， 以 相对合适厚度的壁板组成， 宽而相对厚的壁板则面对 桥面。采用这一横截面能使索面与塔柱的竖向轴线相 吻合。厄勒桑特桥的塔柱从底部到顶部是等斜度锥 体。由于每一塔柱的轴线是竖向的， 塔柱的内壁面 （靠 桥面梁的面） 是一微斜平面， 它具有很好的视觉效果， 而两塔柱间也不会显现出互相倾倒的视觉错觉。塔柱 横截面构造详见图 +。
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施工
当今建于海湾上的长桥的安装都建立在超大构件
广泛预制的基础之上。这一概念具有极其重要的优 点， 构件是在工厂条件下生产， 它可以减少气候对施工 程序的影响， 可以避免工作环境的影响， 质量也易于控 制， 可避免因拖延工期而增加建设费用。因此厄勒桑 特桥的施工广泛采用预制、 超大构件和采用大吨位机 械吊装。 #3$ 下部结构的施工 沉箱和引桥桥墩的预制是特别安排在马尔默北港 的预制场的， 这里靠近桥梁路线。沉箱基础平面尺寸
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概述
的纵坡为 ! 6 &&H 、 东引桥纵坡为 ! 6 %&H ， 主桥竖曲线 半径为 "& ((( 4。
为了保证双向列车高速安全运行， 在时速达 %(( 54 F / 不受公路交通的干扰和增加桥梁维修操作的灵 活性， 并保证列车旅客旅行时的视觉效果， 将桥梁设计 成双层， 上层承担双向四车道高速公路， 下层承担双轨 高速铁路的厄勒桑特桥于 !’’& 年开工建设， %((( 年建 成通车。 桥梁的组成如下： 高架主桥为一竖琴体系的斜拉 桥， 主跨径 )’( 4， 对称的两个边跨为 !"( G !)! 4， 通航 净空 &# 4， 主桥总长 ! (’% 4 （图 !） ， 占桥梁总长度的 从人工岛开始的西引桥由 %% 跨组成， 即 ) I !%( !&H ； 从瑞典海岸线开始的东引桥 4 G !@ I !)( 4 J ? (!) 4； 由 %# 跨组成， 即 ? I !%( 4 G %) I !)( 4 J ? #?’ 4。桥 梁水平线形由两个半径为 !% @(( 4 和 !? ’(( 4 的圆曲 线通过过渡曲线与直线段的斜拉主桥相连接。西引桥
第 %) 卷 第 % 期 % ( ( ) 年 ) 月
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公
路
厄勒桑特桥的设计和施工
金增洪 编译
!(((!(） （中交公路规划设计院，北京市 摘
・ ・ 要：厄勒桑特桥是从丹麦的哥本哈根 （ *+,-./01-.） 到瑞典的马尔默 （ 2034+ ） 之间跨
越厄勒桑特海峡联络线的一部分。厄勒桑特联络线是一条跨海的四车道高速公路和双轨电 气化高速铁路交通线， 全长 !) 54。由哥本哈根机场附近填筑 ( 6 ) 54 的半岛伸向海中； 在客 斯屈洛泼 （7089:;,） 和萨尔索姆 （ <039/+34） 岛间的杜洛格敦 （=:+1>-.） 通航水道修筑 ? 6 @ 54 长的 接下来在人工岛和瑞典的伦那根 （ A-:B 公路和铁路四孔沉管隧道； 然后修筑 ) 6 ( 54 的人工岛； 间修筑 # 6 @ 54 的高架长桥， 其中跨越弗林那 （ D3E.9:0..0.） 主航道修筑一座主跨径为 .0C5-.） 创公铁两用斜拉桥跨径的世界记录， 桥下通航净空为 &# 4。主引桥 )’( 4 公铁两用斜拉桥， 都采用瓦仑桁架， 主桥为竖琴体系的斜拉桥。该文主要讨论桥梁部分的设计和施工。 关键词：斜拉桥；竖琴体系；公铁两用桥；瓦仑桁架；爬模施工 !
厄勒桑特桥的设计和施工 $期 $1 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! （!"#） 。$%& ’ 长装载 (% ))) * 重物移动的船， 相应于 纵向船撞力是 %+) ,-； 横向船撞力 （船头正对） 是 ./( ,-。索塔的沉箱尺寸由纵向船撞力控制。 塔基直接建造在哥本哈根石灰岩上， 基础是格栅 形沉箱， 根据受力情况确定基底尺寸为 /% ’ 0 /1 ’。 由于基础是预制的， 为便于在干船坞中预制、 浮运 和安装， 设计的关键问题之一是必须保证基础尺寸和 重量尽可能降低。这就导致局外人看来有些不足， 例 如肋板和支承底板都比较单薄。但从总体优化设计考 虑， 从预制、 浮运和安装观点出发导致现在的设计。对 底板、 肋板、 墙板和顶板都施加了后张预应力， 使整个 结构获得加强。 基础的控制荷载是船撞力。所设计的沉箱， 除了 动力放大以外在桥梁纵向要承受 %+) ,-， 在横向要承 受 /( ,- 的力。动力船撞分析是在整桥计算机模型 上实现的， 确定动力放大系数约 2 3 2+， 确定从波谷形 斜拉索体系传到另一索塔上的总荷载。计算表明： 东 塔和西塔沉箱的峰值力相应地为 +/( ,- 和 +%2 ,-。 先进的地基土和结构相互作用计算的实施， 展示 了地基的承载能力和船撞后对塑性变形的需求。 在设计中还引进先进的地基和结构相互作用机 理， 并展示地基承载能力和船撞以后的塑性变形。在 投标之前， 业主实施了广泛的现场和实验室试验。其 中包括有可能决定石灰岩应力极限的 2 ’ 0 $ ’ 压板 的应力和应变曲线的确定。这种平板有可能用来决定 石灰岩的应力极限。 这就导致如下的对船撞验证的方法。 根据线性弹性时程分析， 将整个斜拉桥与基础作 为线性弹簧的三维有限元模型， 来确定船撞力的动力 放大系数。 为了验证地基土和结构界面构成一非线性材料模 型， 即特洛格 4 泼拉格 （ 567896 4 :6;896） 盖帽模型， 由" （施工单位） 按照足尺模型试验验证。 <= 在承受一重型船的撞击下， 基础受力和位移曲线 用沉箱和周围土体的非线性模型来确定。 用基础的弹簧常数再做一次线性弹性时程分析， 在分析中找出力和位移关系。 !3! 索塔和桥墩设计 厄勒桑特桥主桥的索塔是钢筋混凝土 ! 形塔， 只 有加劲桁架以下的两塔柱在标高 > %. ’ 处有一根横 梁将两根塔柱相连， 桥面以上完全由 2%) ’ 高的独立 柱组成， 索塔总高度为 $)/ 3 % ’。如此高的索塔选择
图$ 主桥桁架中心区的布置 （单位： $） 图" 从引桥过渡到主桥桁架布置的变化 （单位： $）
主桥主桁架为了适应斜拉索的支承， 因此要在主 桁架外安装一个三角形的斜托架， 其倾斜度与主桁架 的长斜杆的倾角相同。 三角形的托架和在几何上经过调整的主跨桁架使 厄勒桑特桥的主引桥之间， 在外形上非常统一， 同时， 一个纯正的结构也充分展示从上下层桥面上的荷载直 接传给斜拉索面， 并进而传给索塔。 主桥加劲桁架的横截面与引桥的有所区别， 两片