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）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，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主桥效果图泰州扬中39010801080390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．武汉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武汉市中心城区，北接汉阳的马鹦路与鹦鹉大道，南连武昌的复兴路。

与下游的武汉长江公铁两用大桥相距约2Km。

水面向武昌岸扩展到比武汉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阳江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，两岸滩地不得在堤内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范围，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，中塔的设计与泰州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，不适于完全照搬泰州桥的塔形，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。

施工张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内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，尤其是像武汉市这样四季温差大、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，内径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。

沉井下沉采取使井内水位保持抬高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。