我國(guó)公鐵兩用斜拉橋主塔與基礎(chǔ)方案選擇探討

孫俏

摘要：主塔與基礎(chǔ)方案的選擇是斜拉橋設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵。文章概述了公鐵兩用斜拉橋在跨徑、結(jié)構(gòu)形式、工程材料、施工工藝、技術(shù)裝備等方面所取得的技術(shù)進(jìn)步，開(kāi)展了斜拉橋主塔設(shè)計(jì)、索塔錨固設(shè)計(jì)、索梁錨固設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面的方案比選，探討了各方案的特點(diǎn)，并對(duì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新以及新材料的應(yīng)用等方面進(jìn)行了展望，可為我國(guó)鋼桁梁斜拉橋的技術(shù)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：公鐵斜拉橋;大跨度;鋼桁梁;橋型方案;索塔錨固;基礎(chǔ)

中國(guó)分類號(hào)：U448.12+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

自21世紀(jì)初，主跨312 m蕪湖公鐵兩用長(zhǎng)江大橋的成功建造，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)公鐵兩用斜拉橋的建設(shè)空白，現(xiàn)有大跨度鐵路斜拉橋在國(guó)內(nèi)的覆蓋范圍跨度為200～1 100 m，多數(shù)采用鋼桁梁及鋼混組合的混合梁斜拉橋。在建的滬通鐵路長(zhǎng)江大橋跨度達(dá)1 092 m，是目前中國(guó)跨度最大的斜拉橋，也是世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋。相較混凝土斜拉橋，鋼箱梁斜拉橋或鋼桁梁斜拉橋由于主體梁采用鋼材料，鋼梁重量會(huì)更輕，隨著橋梁跨度的增大，這種重量的優(yōu)勢(shì)就越明顯，正是憑借此優(yōu)勢(shì)，鋼箱梁斜拉橋或鋼桁梁斜拉橋擁有更廣泛的應(yīng)用范圍。隨著斜拉橋設(shè)計(jì)研究工作的深入和一大批型式各異的斜拉橋的建設(shè)，相關(guān)部門(mén)對(duì)斜拉橋橋塔形式、錨固體系、深水基礎(chǔ)等積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各種因素，構(gòu)思采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新技術(shù)，選擇合理的橋塔和基礎(chǔ)類型方案，將有助于繼續(xù)推動(dòng)我國(guó)斜拉橋的發(fā)展。

1 主塔設(shè)計(jì)

主塔是斜拉橋的標(biāo)志性建筑，橋塔的造型不僅能突顯地方文化特色，也為橋本身賦予了文化的內(nèi)涵，所以針對(duì)主塔的外形選擇既要考慮受力要求又要兼顧景觀的需要。目前公鐵兩用斜拉橋橋塔樣式主要有A型、倒Y型、H型和鉆石型等。

一種常見(jiàn)塔型是A型橋塔，A型橋塔的主要特點(diǎn)是塔身的索面傾斜度與其流線造型的結(jié)合較好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀大氣，受到了世界各國(guó)建造師的青睞，多用于斜拉橋的結(jié)構(gòu)。倒Y型橋塔與A形橋塔不同，主要體現(xiàn)在塔柱的錨索區(qū)的結(jié)構(gòu)，倒Y型橋塔將塔柱進(jìn)行交叉合并，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鮮明，直指長(zhǎng)空，有較強(qiáng)的整體感，整體結(jié)構(gòu)比例勻稱，造型大方得體。

H型塔是比較傳統(tǒng)的橋塔型式，應(yīng)用范圍比較廣泛，造型簡(jiǎn)潔，斜拉索在同一個(gè)平面內(nèi)，簡(jiǎn)化了錨固系統(tǒng)，斜拉索可以平面受力。另外H型塔生產(chǎn)、施工較便捷，在實(shí)際的鋼桁梁斜拉橋建設(shè)中普遍采用H型塔。

鉆石型塔橋的原型也是H型橋塔，通過(guò)將H型橋塔進(jìn)行拉索受力等措施的合理折線演化，增加了索與塔身之間的立體效果，使橋塔的外觀更具視覺(jué)沖擊力。通過(guò)將斜拉索從平面到立體的轉(zhuǎn)變，極大地提高了橋身主梁的扭轉(zhuǎn)自振頻率，提升了顫振風(fēng)速門(mén)限值，縮短上塔柱，從而使橋體的上橫梁縮短，向內(nèi)收縮下梁柱，使橋體基礎(chǔ)設(shè)施尺寸減少，在基礎(chǔ)設(shè)施更方便搭設(shè)的同時(shí)，也減少了橋體的建設(shè)成本。

各塔型的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范例如表1所示。

2 錨固設(shè)計(jì)

2.1 索塔錨固設(shè)計(jì)

塔身主體拉索錨固位置的主要作用是將拉索的集中受力均勻分布至整個(gè)截面，并平穩(wěn)地傳導(dǎo)至錨固區(qū)的下部塔柱，使其均勻受力。塔身拉索錨固部分的結(jié)構(gòu)受主塔的構(gòu)造與材料、拉索的布置形式、拉索的牽引和張拉方法等因素影響。在現(xiàn)實(shí)塔橋建設(shè)中應(yīng)用范圍較廣、效果較明顯的索塔錨固設(shè)計(jì)主要為鋼錨梁、預(yù)應(yīng)力齒塊錨和鋼錨箱等。錨固方式多采用拉索在錨固區(qū)斷開(kāi)的非交錯(cuò)式錨固結(jié)構(gòu)。組合索塔錨固構(gòu)造以鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)拉索大部分水平拉力，以混凝土壁承擔(dān)豎向壓力，發(fā)揮材料各自優(yōu)勢(shì)，其主要形式有鋼梁錨固和鋼錨箱錨固。

（1）預(yù)應(yīng)力齒塊錨

環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式主要應(yīng)用于武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋、合福鐵路銅陵長(zhǎng)江大橋、寧安城際安慶長(zhǎng)江大橋等大跨度鐵路斜拉橋中。其將空間索作為主要斜拉索錨固方式，將三索與空間塔壁進(jìn)行錨固。由于水平分力作用明顯，使索塔側(cè)壁拉應(yīng)力增加，從而使錨固面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，受力情況較復(fù)雜。所以為了使塔橋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，提高塔柱抗裂安全和均勻分布塔柱、塔壁的承載力，應(yīng)在錨固區(qū)加設(shè)環(huán)向水平應(yīng)力。其具體預(yù)應(yīng)力加設(shè)方式可按環(huán)形或井字形實(shí)施，環(huán)形布置應(yīng)使用預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料，井字形布置應(yīng)使用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋材料。

（2）鋼錨梁

對(duì)混凝土索塔鋼錨梁進(jìn)行錨固操作，主要是鋼錨梁置于沿著橋方向混凝土索塔內(nèi)壁的牛腿上，拉索錨固在鋼橫梁兩端的錨固件上，錨固件通過(guò)兩斜腹板將索力傳遞給鋼橫梁，水平力主要由鋼橫梁承受，豎向分力通過(guò)支座傳遞給牛腿進(jìn)而傳給塔柱，如圖1所示。

鋼錨梁與混凝土墻壁之間的連接有剛性與非剛性兩種方式（如圖2所示）。針對(duì)錨固非剛性連接的鋼錨梁，主要是將鋼錨梁架設(shè)在塔壁內(nèi)牛腿的橡膠直座上，然后利用鋼錨梁分擔(dān)斜拉索產(chǎn)生的水平方向力，利用牛腿將斜拉索的縱向分力分擔(dān)到混凝土塔壁。為了避免由于使用時(shí)間增加導(dǎo)致斜拉索斷索情況引起的主塔截面縱向不平衡水平力的發(fā)生，應(yīng)采取在塔壁與鋼錨梁之間進(jìn)行剛性加固連接，具體是通過(guò)鋼釘加固牛腿和鋼錨梁，達(dá)到混凝土塔壁和鋼錨梁同時(shí)分擔(dān)斜拉索的水平方向力的目的。

（3）鋼錨箱

鋼錨箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與鋼錨梁類似，如鋼錨箱可承受大部分甚至全部斜拉索水平力，易于檢測(cè)維護(hù)，鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較為可靠，工廠加工錨箱施工質(zhì)量容易保證等。與鋼錨梁不同的是，鋼錨箱側(cè)板位于拉索兩側(cè)，與橫隔板形成一個(gè)張拉平臺(tái)，便于施工。另外，鋼錨箱通常上下連接，使錨固點(diǎn)定位更加精確，同時(shí)也分擔(dān)了鋼索大部分水平分力。

針對(duì)索塔錨固的三種形式的受力機(jī)理、對(duì)塔柱的受力影響、安裝難易程度、對(duì)施工的要求等方面進(jìn)行了比選，如表2所示。

與鋼錨梁、鋼錨箱相比，預(yù)應(yīng)力齒塊錨具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低，后期維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。但也有施工質(zhì)量和精度很難控制的缺點(diǎn)，主要是因?yàn)榄h(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式的全部工序需要現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)，錨墊板的角度及預(yù)應(yīng)力管道定位控制較難，還需要多次張拉預(yù)應(yīng)力，高空澆筑混凝土錨固構(gòu)造也有一定難度，并且施工完成后不可檢查和更換。

2.2 索梁錨固設(shè)計(jì)

鋼桁梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)分為：錨管式、錨箱式和錨拉板式。

（1）錨箱式

錨箱式連接主要由承壓板、錨墊板、加勁板和錨固板組成，是一種在弦桿腹板外掛設(shè)鋼錨箱在鋼桁梁上的錨固方法。其將鋼錨箱同主梁腹板通過(guò)腹板與錨固板二者間的焊縫進(jìn)行連接，在錨墊板上固定斜拉索。為了更好地解決承壓板抗彎性不好的問(wèn)題及厚鋼板不容易焊接的問(wèn)題，需采用薄承壓板與厚錨墊板進(jìn)行焊接，通過(guò)調(diào)整錨固板和承壓板之間的角度來(lái)改變斜拉索的角度。梁式錨箱斜拉索相對(duì)短，橫向相對(duì)長(zhǎng)，如圖3所示。柱式錨箱斜拉索相對(duì)長(zhǎng)，橫向相對(duì)短，如圖4所示。目前國(guó)內(nèi)使用較多的主要是鋼錨箱，且以柱式錨箱最為常見(jiàn)。

（2）錨管式

在錨固位置將腹板同錨管進(jìn)行焊接即錨管式連接。將拉索錨固在錨固端部的承壓板上，并通過(guò)楔形承壓板的變化調(diào)節(jié)不同斜拉索的橫向傾角。

（3）錨拉板式

與鋼錨箱的索梁錨固形式相比，錨拉板傳力途徑明確，傳力由斜拉索-承壓板-錨管-錨拉板-主桁，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，通過(guò)在橋面以上一定高度，設(shè)置雙面坡口，將頂板與錨拉板對(duì)接熔透焊接。寧安城際安慶橋即采用此方法。此方法操作簡(jiǎn)單，且不影響鋼桁梁的組裝，焊接位于橋面以上，操作空間充足，同時(shí)對(duì)接熔透焊與母材等強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響小，整個(gè)結(jié)構(gòu)在橋面以上，維修方便，目前在斜拉橋索梁錨固構(gòu)造中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

斜拉橋橋塔基礎(chǔ)一般采用沉井和樁基礎(chǔ)。我國(guó)大跨度鋼桁梁斜拉橋基礎(chǔ)匯總?cè)缦马?yè)表3所示。

沉井基礎(chǔ)作為一項(xiàng)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式，具有施工便捷、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在南京、九江、枝江、江陰長(zhǎng)江大橋等大型橋梁基礎(chǔ)中得到了成功運(yùn)用。隨著建設(shè)的發(fā)展，沉井尺寸和長(zhǎng)度不斷發(fā)展，五峰山公鐵兩用長(zhǎng)江大橋北錨碇尺寸為100.7×72.1 m，為目前最大的沉井基礎(chǔ)，滬通公鐵兩用長(zhǎng)江大橋沉井長(zhǎng)度達(dá)115 m。沉井尺寸和長(zhǎng)度加深，使得沉井結(jié)構(gòu)覆蓋的地基土特性差異越發(fā)明顯，沉井結(jié)構(gòu)同步下沉施工難度急劇增大，在泰州長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江四橋、馬鞍山長(zhǎng)江大橋、滬通長(zhǎng)江大橋和五峰山公鐵兩用長(zhǎng)江大橋的沉井施工過(guò)程中都出現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。因此，必須對(duì)平面超大型沉井施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

4 新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝

滬通、天興洲、銅陵、安慶等長(zhǎng)江大橋通過(guò)利用新型的三片主桁的空間桁架構(gòu)造減少主桁桿件的尺寸和內(nèi)力，從而達(dá)到方便吊裝、運(yùn)輸和生產(chǎn)的目的。滬通鐵路長(zhǎng)江大橋主梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下最大軸力達(dá)7.5萬(wàn)t，主梁需要較大的截面承受軸壓力，因此采用了新型箱桁組合結(jié)構(gòu)，在打破傳統(tǒng)橋梁跨度受制于鋼梁桿件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)困難的束縛后，使加勁梁橫斷面受力面有效增加，將和高強(qiáng)鋼絲索和Q500 qE高性能鋼應(yīng)用于滬通鐵路長(zhǎng)江大橋上，實(shí)現(xiàn)了高載荷、大跨度鐵路橋梁的技術(shù)要求。

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋率先使用了正交異性板整體鋼橋面技術(shù)，引起了許多大跨度斜拉橋的爭(zhēng)相采用。通過(guò)科研機(jī)構(gòu)成功研發(fā)出了伸縮量在800～1 200 mm之間的梁端伸縮裝置和橋梁軌道溫度調(diào)節(jié)器、2 000 kN的流體阻尼器、2 000 t的大位移支座和400 kN的磁流變液阻尼器等，并成功投產(chǎn)使用。鄭州黃河公鐵兩用大橋、武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、銅陵長(zhǎng)江大橋分別采用了鋼桁梁頂推法、鋼梁整節(jié)段架設(shè)、鋼梁桁片整體安裝等新工藝。

滬通鐵路長(zhǎng)江大橋主塔采用造價(jià)省整體性優(yōu)的沉井基礎(chǔ)，主塔沉井基礎(chǔ)采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，平面尺寸為86.9 m×58.7 m，高115 m，是世界上規(guī)模最大的深水沉井基礎(chǔ)。主橋沉井首次采用巨型鋼沉井整體制造、出塢、浮運(yùn)技術(shù);首次采用“大直徑鋼管樁+混凝土重力錨”的新型錨泊定位系統(tǒng)及液壓千斤頂多向同步快速定位技術(shù);并通過(guò)海床式靜力觸探（CPT）系統(tǒng)探測(cè)儀，探測(cè)超100 m水深下地基土性質(zhì)，準(zhǔn)確地反映出基底浮土厚度及原狀土性質(zhì)。通過(guò)基底處聲吶成像對(duì)比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)，直觀反映出基底地形。

越來(lái)越多的新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備、新結(jié)構(gòu)的相繼應(yīng)用，使我國(guó)建設(shè)公鐵兩用斜拉橋的水平得到很大提升，有效推動(dòng)了斜拉橋的技術(shù)革新。

5 結(jié)語(yǔ)

由于橋位資源有限，跨越大江大河的橋梁除跨度大以外，往往同時(shí)搭載多線鐵路或公路，使得結(jié)構(gòu)恒載、活載重量均很大，例如南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋?yàn)樗木€鐵路加兩線輕軌;武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋均為四線鐵路荷載加六車(chē)道公路荷載，是目前世界上設(shè)計(jì)荷載最大的橋梁之一。

斜拉橋與懸索橋相比可有效降低橋梁工程造價(jià)。但隨著跨度的增加，斜拉橋的橋面重量會(huì)隨之增加，增加材料成本，也會(huì)減少斜拉橋的跨越能力，所以，通過(guò)有效手段減輕梁重成為首要目標(biāo)。為此，主桁與正交異性鋼橋面板結(jié)合共同承載技術(shù)可完美解決以上問(wèn)題，將此技術(shù)應(yīng)用到鐵路、公路橋面，使橋面重量大大減少，使受力更加合理有效，提高了大型主桁桿件的選材、生產(chǎn)、裝配的效率。

隨著大數(shù)據(jù)、智能化、裝配化、云計(jì)算、BIM技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，將其引入大跨度公鐵斜拉橋的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)和維修過(guò)程中，有助于推動(dòng)斜拉橋的建設(shè)向自動(dòng)化和智能化邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建造和維護(hù)，提高公鐵兩用斜拉橋整體水平。

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