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【楊進(jìn)】多塔大跨度連續(xù)懸索橋的創(chuàng)新設(shè)計

2011-12-23　來源：作者：楊進(jìn) 萬田保 鄭修典 來源：中國橋梁網(wǎng)

[page]1.前言

    懸索橋是以主纜、主塔和與之相匹配的兩端錨碇為主體的承重結(jié)構(gòu)。主梁退居為只對體系具有加勁的作用。承重主纜受拉明確，所用材料得以充分發(fā)揮其極限強(qiáng)度。橋梁的工程造價與其主跨的大小直接關(guān)連，在寬闊深水的江河和海域，在不影響通航順暢和水流態(tài)勢的條件下，采用多塔多跨連續(xù)懸索橋方案，是在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上極為合理的選擇。設(shè)計中需要注意處理好位于主孔中間各塔在順橋向的可撓性，以保持在某一單主跨活載滿布的極端情況下的主纜水平拉力能平衡傳遞問題。

    日本早年建成的瀨戶大橋，只是將兩座獨(dú)立的大跨度懸索橋在中間共用一個錨碇加以連接，結(jié)構(gòu)上不是多塔多跨主纜連續(xù)性質(zhì)。世界上也還有多座跨度不大的組合性多塔小型懸索橋。實(shí)際上不具任何技術(shù)新意。

    下面分別介紹即將建成的泰州長江公路大橋（三塔雙主跨懸索橋）的技術(shù)研究特點(diǎn)和武漢市已開工建設(shè)的鸚鵡洲長江大橋城市公路橋（三塔四跨懸索橋）的方案思考。

    2. 泰州長江公路三塔連續(xù)雙主跨懸索橋

    2.1 三塔懸索橋?qū)蛑穮^(qū)特定條件的適應(yīng)性

    2.1.1控制性條件

    泰州長江大橋位于江蘇省泰州與鎮(zhèn)江、常州市之間，由北接線、跨江主橋、夾江橋和南接線四部分組成，路線起自寧通高速公路宣堡鎮(zhèn)西，于永安洲北部跨越長江(左汊)至揚(yáng)中，于揚(yáng)中南跨越夾江(右汊)，經(jīng)姚橋、孟河，止于常州湯莊，接滬寧高速和常州繞城公路西段。

    跨江大橋東距江陰長江公路大橋57公里，西距潤揚(yáng)長江公路大橋66公里。

    橋位位于永安洲北，河流平面形態(tài)呈微彎，河寬相對上下游稍窄，右岸為水流頂沖轉(zhuǎn)折位置，同時又是下游心灘的分流區(qū)，深泓有一定擺動，但幅度有限，向下經(jīng)挑流分成左右兩支。橋位區(qū)河床中部相當(dāng)寬范圍河床面高程在-15－-16m之間，深泓在右側(cè)、最深處河床高程-30m，沖淤變化也主要出現(xiàn)在右側(cè)一定范圍內(nèi)；      橋址上距泰州港4.5km，橋址下距西新圩航行警戒區(qū)1300m，橋址兩岸碼頭眾多，上游兩公里處有三福造船廠。大橋要求的通航凈空為760×50m（主通航孔），并為船舶進(jìn)出錨地留出220×24m(副通航孔，偏北)的專用航道。由于揚(yáng)中河段兩岸均為長江中下游沖積平原，土質(zhì)松軟，覆蓋層厚，基巖埋藏一般在-190m以下。

    2.1.2橋型方案構(gòu)思的立足點(diǎn)

    經(jīng)過多次論證，選用了主跨2x1080m三塔懸索橋作為跨江大橋橋型方案，主要考慮以下因素：

    ① 橋址地處長江下游、航運(yùn)繁忙、港口碼頭眾多，橋型方案的選取以盡量減小建橋?qū)νê降挠绊懽鳛橹匾紤]因素；

    ② 基于可持續(xù)發(fā)展理念，為橋址區(qū)長江黃金水道岸線利用留出寬闊的空間；

    ③ 河床斷面具有中部水深較淺的明顯特征，并且沖淤變化小，適合設(shè)置基礎(chǔ)；

    ④ 右岸深水區(qū)為主要通航區(qū)域，通航凈寬要求不小于760m，該區(qū)域是沖淤變化區(qū)域，不宜設(shè)置大型基礎(chǔ)。

    基于上述綜合因素，橋型方案選取中，曾研究主跨超過2000m的特大跨度懸索橋方案，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性原因沒有被采納。與主跨2000m的特大跨度懸索橋相比，在其中間支起一個中塔作為主纜的支點(diǎn)，主纜和主梁的跨度減小一半，隨之主纜、錨碇、主塔的負(fù)載減小一半，工程造價得以大幅度降低；又因?yàn)榭缍鹊臏p小，保障抗風(fēng)顫振穩(wěn)定性無需采用特殊措施，加勁梁的選型簡單而抗風(fēng)安全更加有保障；橋址區(qū)兩岸覆蓋層為淤泥質(zhì)亞粘土、粉砂、細(xì)砂，承載力不高，主纜拉力的減小降低了錨碇建造的難度。

    據(jù)此，三塔懸索橋被確定為泰州長江公路大橋跨江大橋的推薦方案。

    2.2 三塔懸索橋及多塔懸索橋建設(shè)背景

    在泰州長江公路大橋建設(shè)之前，國內(nèi)外多次提出建設(shè)三塔懸索橋的構(gòu)思，并且建成了幾座規(guī)模不大、結(jié)構(gòu)上不完全連續(xù)的懸索橋。

    2.2.1 日本小鳴門橋

    該橋主跨2x160m，采用縱向A型中塔。為解決主纜與中間主鞍座間滑移問題，讓主纜在中塔塔頂斷開錨固，主纜在中塔處不連續(xù)通過。由于跨度不大，具備主纜在塔頂集中錨固的條件，采取該技術(shù)措施后，中塔處由活載產(chǎn)生的主纜拉力全部由中塔分擔(dān)、并作用于塔頂。     2.2.2 法國Chateauneuf橋     該橋通過設(shè)置塔頂水平拉索改善中間主塔的受力、保障中間橋跨的豎向剛度，適合于跨度相對不大的多塔懸索橋。

    2.2.3 智利查考海峽大橋     該橋橋址區(qū)海峽中有一淺灘，稱為羅卡（ROCA）淺灘。羅卡淺灘的頂寬順橋向約為100m、水深10～12m，羅卡淺灘的前后及兩側(cè)海床面陡峭，水深超過50m，除羅卡淺灘外，水深普遍超過50m，部分地段水深達(dá)100m。利用中間的淺灘設(shè)置中塔，智利一側(cè)邊塔設(shè)在岸上，大陸一側(cè)邊塔設(shè)在淺水區(qū)，因?yàn)榱_卡淺灘并不剛好在水域中間，兩個主跨的跨度為智利側(cè)1055m、大陸側(cè)1100m。

    該橋方案提出已經(jīng)很長時間，至今沒有實(shí)施。中塔采用縱向A型塔的總體技術(shù)路線也沒有得到審核單位的認(rèn)可。

    2.2.4 青島海灣大橋工程可行性研究渡口橋位橋型方案

    1999年—2000年，我院在青島海灣大橋工程可行性研究中，針對渡口橋位提出主跨2X1200m三塔懸索橋方案，并進(jìn)行方案設(shè)計，認(rèn)識到三塔懸索橋需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了初步的技術(shù)路線。     [page]2.2.5 奧克蘭海灣橋研究工作

    二十世紀(jì)二十年代，美國在籌劃修建舊金山海灣橋（又稱奧克蘭橋）時，鑒于橋址區(qū)水域?qū)掗熂巴ê揭?，提出主?036m的雙主跨懸索橋方案，其分跨為（393+1036+1036+393）m，中塔采用鋼結(jié)構(gòu)Ⅰ型塔，該方案經(jīng)初步研究后被放棄，理

    由為單主跨加載情況下，中塔頂水平位移2.2m、加載跨豎向撓度6.1m，奧克蘭橋其后所實(shí)施的方案包括兩座主跨為704.5m的連體懸索橋，兩懸索橋于深水區(qū)共用一個錨碇。     2.2.6建設(shè)背景分析結(jié)論

    分析可知，泰州長江公路大橋三塔懸索橋沒有可以參考的工程實(shí)例，沒有可以依循的關(guān)鍵技術(shù)，必須結(jié)合工程實(shí)踐取得技術(shù)上的突破，通過自主創(chuàng)新、獨(dú)立開發(fā)并掌握大跨徑三塔懸索橋設(shè)計核心技術(shù)。

    2.3 三塔懸索橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題的系統(tǒng)解決

    2.3.1 三塔懸索橋結(jié)構(gòu)行為特點(diǎn)

    設(shè)計工作中，首先對三塔懸索橋的靜力、動力特性作深入研究，弄清楚其在各種荷載、各種工況下的受力變形特征，找出控制性的工況，找出結(jié)構(gòu)之間的約束關(guān)系，探索從總體上全面解決技術(shù)問題的最佳途徑；其次，立足于解決技術(shù)問題、用較少的材料滿足橋梁的使用功能，找出最佳的設(shè)計參數(shù)；確定主要設(shè)計參數(shù)后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系研究，選取最合理的支承體系。

    通過研究，找出了三塔懸索橋結(jié)構(gòu)特征與兩塔懸索橋的不同點(diǎn)在于：

    ① 主纜與主塔間約束關(guān)系不同，即主纜對中塔塔頂?shù)募s束較兩塔懸索橋弱；

    ② 加載工況不同，理論上會出現(xiàn)一個主跨滿載、一個主跨空載的極端工況；

    ③ 習(xí)慣用來反映橋跨結(jié)構(gòu)剛度的撓跨比（撓度/跨度）的物理意義不同。

    上述三點(diǎn)區(qū)別表明三塔懸索橋與兩塔懸索橋體系上存在根本差異。     2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)問題的提出

    上述與兩塔懸索橋不同點(diǎn)的前面兩項，形成了三塔懸索橋設(shè)計難點(diǎn)，焦點(diǎn)是中塔的技術(shù)處理：① 中塔選用很大的總體縱向剛度，比如采用縱向A 型塔，則在一個主跨滿載、一個主跨空載條件下，兩個主跨主纜力差別大、主纜與中主鞍座間抗滑移問題突出，必然面臨查考海峽大橋同樣的技術(shù)問題；② 中塔選用小的總體縱向剛度，則在上述極端工況下，中塔塔頂位移很大、加載跨撓度大、中塔受力安全不易保障，如同奧克蘭海灣橋方案設(shè)計中遇到的問題。     2.3.3 解決技術(shù)問題的目標(biāo)

    通過分析，以合理選取中塔的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)而協(xié)調(diào)解決本橋三塔懸索橋關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計目標(biāo)，總體設(shè)計目標(biāo)分解成幾個方面：

    ① 橋跨豎向剛度合適，加載跨的豎向撓度在一定范圍之內(nèi)。最不利工況作用下，由活載引起的橋面縱坡控制在合理范圍。

    ② 主纜與鞍座間抗滑移問題得到較好的解決，基于主纜鍍鋅鋼絲與鞍座鞍槽間可以信賴的摩擦力保障抗滑移穩(wěn)定，無須大量增加其它附屬措施，也不采用不成熟或可靠性尚存疑慮的技術(shù)。

    ③ 中主塔本身的強(qiáng)度安全有充分保障，中主塔在大橋服務(wù)期內(nèi)不因疲勞而損壞。

    ④ 中塔的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，包括縱向與橫向穩(wěn)定。

    ⑤ 中主鞍座與中塔間的連接不難實(shí)現(xiàn)（連接的難易程度與中塔兩側(cè)不平衡力，以及中塔采用的材料有關(guān)）。

    ⑥ 中塔及中塔基礎(chǔ)工程規(guī)模較?。ɑA(chǔ)規(guī)模與中塔底部尺寸、塔底反力相關(guān)）。

    上述目標(biāo)相互制約，必須予以統(tǒng)籌考慮、協(xié)調(diào)解決。經(jīng)過研究，以中塔的選型與設(shè)計作為技術(shù)路線的主線，提綱挈領(lǐng)解決各項技術(shù)問題。設(shè)計中研究了縱向A型、縱向I型中塔、縱向人字型中塔的適應(yīng)程度，比較了鋼筋混凝土中塔和鋼結(jié)構(gòu)中塔，以及混合結(jié)構(gòu)中塔，結(jié)合設(shè)計目標(biāo)綜合比較后，選用縱向人字形的鋼結(jié)構(gòu)中塔，并對人字形中塔分叉點(diǎn)位置、下塔柱張開量、截面形式進(jìn)行多方案對比。     2.3.4 技術(shù)路線主線

    縱向人字型主塔在分叉點(diǎn)以上是單柱結(jié)構(gòu)、分叉點(diǎn)以下雙柱。與A型塔相比，可通過調(diào)節(jié)分叉點(diǎn)高度、塔柱張開量、截面尺寸實(shí)現(xiàn)中塔縱向剛度的調(diào)節(jié)，拓寬了中塔剛度調(diào)節(jié)的范圍，更利于兼顧中塔縱向剛度和抗滑移安全度。中塔縱向彎矩由上向下逐漸增加，分叉點(diǎn)以上通過截面尺寸變化實(shí)現(xiàn)各截面應(yīng)力基本均勻，分叉點(diǎn)以下通過兩塔柱軸向力與張開距離形成平衡力矩，通過調(diào)整塔柱張開量使塔柱底不出現(xiàn)軸向拉力、便于錨固。鋼結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形能力強(qiáng)，特別是分叉點(diǎn)以上獨(dú)柱結(jié)構(gòu)具備相當(dāng)好的可撓性，實(shí)現(xiàn)本文前言提出的主纜拉力的平衡傳遞，降低了中塔縱向不平衡力、改善了中塔的受力；又因?yàn)榻档土藰O端工況下中塔兩側(cè)主纜拉力差值，主纜與中主鞍座間抗滑移問題隨之得以妥善解決。

    中塔的選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計是本橋關(guān)鍵技術(shù)問題獲得平衡解決的技術(shù)主線。

    2.4 設(shè)計構(gòu)思中以經(jīng)濟(jì)性貫穿全過程

    2.4.1橋型方案的經(jīng)濟(jì)性考慮

    如下圖，與主跨2160m特大跨度懸索橋相比，主跨2x1080m三塔懸索橋工程規(guī)模減小較多。由于主纜跨徑減小一半，主纜、錨碇、邊主塔的負(fù)載按比例減??；又因?yàn)閼业蹩鐪p小，主梁無需為抗風(fēng)顫振穩(wěn)定性加大截面。橋型方案本身具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

    初步設(shè)計對中塔基礎(chǔ)進(jìn)行了深入經(jīng)濟(jì)性比較，群樁基礎(chǔ)先進(jìn)行了樁徑比較，沉井則預(yù)先作了截面圓形和矩形的比較。之后再以各自推薦方案進(jìn)行群樁基礎(chǔ)與沉井基礎(chǔ)的比較。群樁基礎(chǔ)采用118根Φ2.8m鉆孔摩擦樁，梅花型布置，樁底標(biāo)高▽-110m，樁長106m；圓角矩形沉井井身平面尺寸為58.2m×44.1m，沉井高76m。經(jīng)過比較，沉井方案較之群樁方案節(jié)省1.83億元。使用的鋼材均為一般性的低標(biāo)號。

    [page]2.4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)濟(jì)性考慮

    結(jié)構(gòu)設(shè)計中以經(jīng)濟(jì)性為重要考慮，通過細(xì)化分析達(dá)到節(jié)省的目的。

    2.5 三塔懸索橋總體設(shè)計

    2.5.1主塔及錨碇墩位的確定

    中主塔設(shè)在河床中部淺水區(qū)。南、北邊主塔設(shè)置在岸灘常水位的無水區(qū)，距離邊坡一定距離位置，以避免邊主塔水上施工。考慮到泰州岸（北岸）和揚(yáng)中岸（南岸）邊坡坡度不同，兩岸主塔距水面的距離有所不同。南、北錨碇的位置以使其距離長江大堤一定的安全距離為控制因素決定，兼顧主纜在邊主鞍座處切線角的協(xié)調(diào)決定邊跨主纜后背索的跨度。

    2.5.2支承體系

    豎向連接方面，設(shè)計比較了不設(shè)豎向約束、設(shè)0號吊索連接、支座連接三種方式。最終選用主梁在中塔處不設(shè)豎向剛性約束、但設(shè)豎向限位擋塊的支承方式。

    縱向連接方面，設(shè)計比較了主梁與中主塔間縱向不約束、彈性索約束、剛性約束三種情況。設(shè)計選用在主梁與中塔間設(shè)置縱向彈性約束。

    設(shè)計還比較了不設(shè)中央扣、設(shè)置一對中央扣、設(shè)置三對中央扣三種纜梁間連接方式。分析表明，對本三塔懸索橋，中央扣的受力特性與傳統(tǒng)的兩塔懸索橋有本質(zhì)的區(qū)別，中央扣對總體受力特性有重要影響，是全橋意義的受力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大，經(jīng)比較采用不設(shè)中央扣的方案。

    2.5.3主纜矢跨比

    主纜矢跨比是懸索橋總體設(shè)計的重要參數(shù)，對結(jié)構(gòu)剛度、工程數(shù)量、主纜各控制點(diǎn)高程具決定性影響，通常結(jié)合結(jié)構(gòu)剛度、恒載、造價平衡考慮。主纜矢跨比對兩塔懸索橋上述項目的影響比較直觀，取值在1/9－1/11之間。對本三塔懸索橋，設(shè)計中選取了1/7～1/13范圍內(nèi)的矢跨比進(jìn)行靜力與動力兩個方面的比較，分析表明：隨主纜矢跨比的減小，主纜與中主鞍座間抗滑移安全系數(shù)有所增加，但增加相當(dāng)有限，主梁的活載撓度增加較多，對中塔截面的應(yīng)力影響甚微；動力方面，隨主纜矢跨比加大，三塔懸索橋顫振臨界風(fēng)速微幅提高。

    設(shè)計中結(jié)合靜力與動力兩方面，以減小工程數(shù)量為基本考量，主纜矢跨比選用1/9。

    2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

    2.6.1中塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

    ① 自然條件

    中塔位于江中心，河床標(biāo)高為▽-15.0m，河床較穩(wěn)定，覆蓋層為粉細(xì)砂和細(xì)砂。船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)為橫橋向116MN、順橋向58MN。

     ② 沉井基礎(chǔ)選型考慮

    中塔基礎(chǔ)承受荷載大，尤其需承受50000噸級船的船撞力（116MN）作用，結(jié)合橋位區(qū)水文、地質(zhì)條件及防撞要求，中塔基礎(chǔ)按以下條件選擇：需滿足必要的剛度要求，能有效減小因基礎(chǔ)本身的位移導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的變形；基礎(chǔ)受力明確，傳力途徑直接；對船撞力和地震力承受能力強(qiáng)(基礎(chǔ)按自身承受船撞力設(shè)計)；投資小，適合深水施工，可實(shí)施性好。

    設(shè)計中對中塔沉井基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)進(jìn)行了詳細(xì)的比較，沉井結(jié)構(gòu)受力明確、施工工序單一，在經(jīng)濟(jì)性方面明顯優(yōu)于樁基，決定選用沉井作為實(shí)施方案。

    ③ 沉井基礎(chǔ)截面形式選擇：通常沉井截面可布置成圓形截面和矩形截面。圓形沉井與矩形沉井相比，對水流適應(yīng)性更好，但本橋中塔為門式倒Y型塔，有四個柱腳連接承臺，根據(jù)塔柱底的構(gòu)造布置，采用圓形沉井規(guī)模大，不經(jīng)濟(jì)。矩形沉井布置緊湊、受力合理，通過對四角作倒園處理，對水流適應(yīng)性也較好。體量相對較小，經(jīng)濟(jì)合理。

    從結(jié)構(gòu)受力、工程規(guī)模及施工難度等綜合比較, 沉井采用倒圓角矩形截面。

    ④ 井結(jié)構(gòu)： 沉井井身平面尺寸為58m×44m，四角倒圓半徑為8m，為方便吸泥取土下沉，沉井平面布置為12個12.8m×12.8m大井孔；由于沉井下沉深度較深，水土壓力較大，沉井周邊井孔設(shè)置成圓端形靠井壁側(cè)倒圓，形成連拱以抵抗水土壓力。

    沉井底面標(biāo)高▽-70.00m，持力層為密實(shí)細(xì)砂。     2.6.2中塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

    ① 基本情況

    中塔縱向呈人字型結(jié)構(gòu)，塔柱高191.5m。塔柱縱向自上向下分三個區(qū)段：上部直線段、交點(diǎn)附近的曲線過渡段及下部斜腿段。塔柱兩條斜腿中心交點(diǎn)以上塔柱高122.0m，交點(diǎn)以下塔柱高69.5m，斜腿段傾斜度為1：4。

    塔柱斷面為單箱多室布置，由四周壁板和兩道腹板構(gòu)成，根據(jù)受力要求，位于塔頂段和斜腿交叉點(diǎn)以上局部范圍內(nèi)增加了一塊中腹板。

    ② 塔柱錨固細(xì)節(jié)設(shè)計：最不利工況下、下塔柱根部截面會出現(xiàn)不超過50Mpa的拉應(yīng)力，采用承壓板和錨固螺栓結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)塔柱與承臺的錨固連接。即在塔底的塔座頂面，設(shè)置承壓鋼板，以使鋼塔柱截面的壓應(yīng)力通過該鋼板均勻地傳遞到混凝土支承面，同時，在塔柱截面四周設(shè)置大直徑高強(qiáng)螺桿，通過對螺栓施加預(yù)拉力以保持塔柱截面與支承面之間緊密接觸。塔柱根部的壓應(yīng)力主要通過塔柱底板傳遞到承臺混凝土中，而拉應(yīng)力則通過錨固螺栓傳遞到基礎(chǔ)中。螺桿的預(yù)拉力根據(jù)工作狀態(tài)下塔底截面無拉力出現(xiàn)狀況（底板不出現(xiàn)縫隙）來控制。

 

圖15  兩道橫梁與三道橫梁方案
 

    ④ 塔柱階段劃分：為節(jié)省拼接材料用量、減少機(jī)械加工工作量，設(shè)計研究了大節(jié)段方案，高191.5m的塔柱劃分為7個節(jié)段，節(jié)段長度除底部T0外，其余為26.000m～45.000m不等，最大節(jié)段重約為1382.8t。針對該分段方案進(jìn)行的調(diào)查表明，國內(nèi)完全具有相應(yīng)的制造、運(yùn)輸能力，現(xiàn)場架設(shè)則需要預(yù)先安裝專用的門式吊機(jī)。后由于總包方業(yè)已購置在其他橋上用過、穩(wěn)定性比較好的MD3600塔吊，塔柱節(jié)段依據(jù)該吊機(jī)的起吊能力劃分，對分叉點(diǎn)以上的節(jié)段進(jìn)行縱向分塊。

    [page]2.6.3鋼箱梁設(shè)計

    初步設(shè)計中，對三塔懸索橋加勁梁進(jìn)行了鋼桁梁和鋼箱梁的設(shè)計比選，采用了鋼箱梁。由于本橋在中塔處采用了縱向彈性索約束加勁梁縱向位移，加勁梁在中塔附近一定范圍內(nèi)受較大軸向力作用，鋼箱梁設(shè)置了通長的邊腹板；又為了適當(dāng)增加加勁梁抗扭剛度、提高抗風(fēng)顫振臨界風(fēng)速，加勁梁高度選用3.5m。

    2.7 為本橋?qū)ｉT制定的“補(bǔ)充規(guī)定”

    本橋三塔懸索橋設(shè)計中沒有完全可以遵照的設(shè)計規(guī)范，國內(nèi)關(guān)于懸索橋的設(shè)計規(guī)范當(dāng)時處于報批過程之中，并且相關(guān)規(guī)定并不能較好覆蓋三塔懸索橋的實(shí)際情況，必須以保障使用、確保安全、兼顧經(jīng)濟(jì)為原則制定適合于本橋的補(bǔ)充規(guī)定，作為對設(shè)計規(guī)范的補(bǔ)充。為此，設(shè)計項目組主持開展了兩項關(guān)鍵技術(shù)研究，其一為“三塔懸索橋結(jié)構(gòu)行為研究”，重點(diǎn)研究三塔懸索橋控制性工況、結(jié)構(gòu)間約束關(guān)系、中塔結(jié)構(gòu)選型；其二為“主纜與中主鞍座間抗滑移試驗(yàn)研究”，重點(diǎn)研究由鍍鋅鋼絲編制的纜索與鞍座鞍槽間的實(shí)際摩擦系數(shù)。

    經(jīng)過專題研究，并查閱之前的研究報告、經(jīng)過論證，制定了三條專門的規(guī)定。

    2.7.1主纜與鞍座間抗滑移檢算規(guī)定

    主纜束股與鞍座鞍槽間摩擦系數(shù)μ取用0.2，相應(yīng)抗滑移安全系數(shù)K不小于2.0。

    之前，一般采用μ=0.15、K≥2.0。作出本條規(guī)定的依據(jù)包括：①《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》（報批稿）的基本精神：該規(guī)范在條文說明中指出，在有條件進(jìn)行抗滑試驗(yàn)的工程中，應(yīng)進(jìn)行抗滑試驗(yàn)研究，優(yōu)化K和μ的取值，做到設(shè)計經(jīng)濟(jì)、合理、安全；②試驗(yàn)結(jié)果：本橋抗滑移試驗(yàn)主要測試了主纜與鞍槽間的摩擦系數(shù)，并且該試驗(yàn)首次模擬了主纜與鞍槽間接觸應(yīng)力、采用了由10根束股組成的纜索斷面；③ 國外相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。

    2.7.2結(jié)構(gòu)剛度要求

    主梁由汽車荷載（不計沖擊力）引起的最大豎向撓度值不宜大于跨徑的1/250；主梁由汽車荷載（不計沖擊力）引起的主梁最大豎向轉(zhuǎn)角（含梁端）不大于0.02rad。

    作出本條規(guī)定的依據(jù)包括：① 撓跨比對于懸索橋物理意義不夠明確；② 三塔懸索橋撓跨比與行車要求的對應(yīng)關(guān)系與兩塔懸索橋有本質(zhì)的不同；③ 國外相關(guān)文獻(xiàn)資料；

    2.7.3中塔疲勞檢算的加載模式

    該條重點(diǎn)指出不能采用一個主跨滿載、一個主跨空載這樣的極端工況作為中塔疲勞檢算的工況。

    上述三條規(guī)定在得到行業(yè)主管部門認(rèn)可后，作為本橋設(shè)計控制性參數(shù)，隨后，這些規(guī)定乃至其論證依據(jù)為國內(nèi)其他工程吸收采納。

    3. 武漢鸚鵡洲長江大橋三塔四跨懸索橋設(shè)計技術(shù)特色

    3.1 橋型方案

    鸚鵡洲長江大橋位于武漢市中心城區(qū)，橋址距下游長江大橋約2.0公里。方案設(shè)計中，考慮到下游不遠(yuǎn)處萬里長江第一橋通航孔跨度只有128m、并且橋址區(qū)橋址區(qū)主航道位置存在變化的可能性，需要采用較大的跨度、減少水中基礎(chǔ)數(shù)量；又因?yàn)楹拥勒我?guī)劃要在水面中央沿潛洲脊線到鲇魚套口門處建造一道長順壩，該處適合放置主塔基礎(chǔ)，大跨度三塔懸索橋成為適應(yīng)性最好的橋型方案。

    大橋兩岸為武昌江灘和漢陽江灘，是武漢市風(fēng)景旅游區(qū)和市民親水、休閑場所。橋型選用三塔四跨布置，以懸索橋邊跨跨越兩岸江灘。

    3.2 技術(shù)特色

    本橋技術(shù)特色體現(xiàn)在獨(dú)具一格的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)合梁加勁梁、各具適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)形式三個方面。

    3.2.1 結(jié)合梁作懸索橋加勁梁

    本橋首次采用鋼-混凝土結(jié)合加勁梁做懸索橋加勁梁。結(jié)合梁的鋼結(jié)構(gòu)邊縱梁為工字型鋼板梁，外側(cè)設(shè)置牛腿，吊索錨在主縱梁外側(cè)的牛腿上，沿橋縱向每隔3m設(shè)置一道橫梁，橫梁的斷面形式為Ι形，縱梁與橫梁頂面鋪設(shè)厚度為20cm的混凝土橋面板。為了改善鋼-混凝土結(jié)合梁的空氣動力性能，在主縱梁的牛腿外側(cè)設(shè)有導(dǎo)流板。

    3.2.2 結(jié)構(gòu)體系

    四跨主梁均采用簡支體系，以消除支點(diǎn)負(fù)彎矩的影響，實(shí)現(xiàn)加勁梁全長截面彎矩的均衡和加勁梁截面的統(tǒng)一。

    3.2.3 結(jié)構(gòu)選型

    橋位處水位落差較大，在最高設(shè)計洪水位以下的中塔采用混凝土結(jié)構(gòu)。在兼顧中塔的縱向剛度、抗彎強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工難易程度的基礎(chǔ)上，中塔采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，即中塔下橫梁以上采用鋼塔柱、以下采用混凝土塔柱。
    中塔采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，其下段混凝土塔柱截面尺寸會比一般大跨度梁橋的橋墩大，為此在截面垂直于橋軸線方向要設(shè)置導(dǎo)流嘴，以使水流平穩(wěn)順暢通過。

    北錨碇位于漢陽側(cè)，錨碇處地基覆蓋層厚77.0～82.0 m，其中礫砂層埋深44.0～47.0 m，土層密實(shí)，有一定厚度，層面起伏不大，承載力較高，壓縮性低，適合建造沉井基礎(chǔ)。

    南錨碇位于武昌側(cè)，錨碇處地基覆蓋層厚度不到30.0 m，下層為微風(fēng)化的基巖，是最為可靠的持力層。選擇以地下連續(xù)墻方案構(gòu)建錨碇基礎(chǔ)。

    4. 結(jié)語

    隨著1995年12月28日汕頭海灣大橋建成通車，國內(nèi)先后建設(shè)了多座大型懸索橋，就跨度與工程規(guī)模而言，業(yè)已處于世界先進(jìn)水平前列。近年來建設(shè)的多座三塔懸索橋則是在全面掌握懸索橋建造技術(shù)的基礎(chǔ)上，依托工程進(jìn)行創(chuàng)新的技術(shù)成果，這些三塔懸索橋各具特色，不是體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)跨度的大小，而是依據(jù)每座橋的建設(shè)條件和要求，真正以“適用、經(jīng)濟(jì)”為根本目標(biāo)，是體系層面的創(chuàng)新，設(shè)計思維方式亦有所突破。與國外規(guī)模相近三塔懸索橋方案研究過程相比，凸顯國內(nèi)橋梁設(shè)計者創(chuàng)新精神和時代責(zé)任感。

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