某新建雙塔單跨鋼箱梁懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)創(chuàng)新研究

摘要 文章探討了某大跨度鋼箱梁懸索橋的設(shè)計創(chuàng)新與技術(shù)應(yīng)用，重點分析了氣動性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性等方面的提升。首先，設(shè)計采用扁平流線形鋼箱梁、非對稱門形塔結(jié)構(gòu)、重力式異形錨碇及新型材料，優(yōu)化了受力分布、抗風(fēng)性及抗腐蝕能力；然后，通過非線性結(jié)構(gòu)分析，驗證了橋梁的剛度與強度，確保了其在各種荷載條件下的安全性。研究結(jié)果表明，本橋設(shè)計在氣動性能、結(jié)構(gòu)與施工技術(shù)創(chuàng)新、材料優(yōu)化等方面具有顯著優(yōu)勢，減少了維護成本和周期。

關(guān)鍵詞 懸索橋；鋼箱梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計；施工技術(shù)創(chuàng)新

中圖分類號 U448 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0105-03

0 引言

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，大跨度懸索橋因其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，成為跨越復(fù)雜地形和大范圍水域的理想選擇。近年來，懸索橋的氣動性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性不斷提升，推動了橋梁設(shè)計與施工技術(shù)的創(chuàng)新。案例橋梁設(shè)計采用扁平流線形鋼箱梁、非對稱門形塔結(jié)構(gòu)、重力式異形錨碇和新型材料，顯著提升了橋梁的氣動性能、受力分布及抗腐蝕能力，同時降低了維護成本和周期。該文將探討本橋的設(shè)計理念與創(chuàng)新技術(shù)，并與國內(nèi)外類似橋梁進行對比，旨在為未來大跨度橋梁的設(shè)計與建設(shè)提供借鑒和參考。

1 橋梁概況與設(shè)計

1.1 總體布置

某大橋采用單跨鋼箱梁懸索橋結(jié)構(gòu)，主橋跨徑為1 490 m，主纜垂跨比為1/9，優(yōu)化了橋梁的穩(wěn)定性與受力分布；邊跨長度為388 m，邊中跨比0.33，有助于減小結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并平衡受力；加勁梁寬31.6 m，配有風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)以減少風(fēng)力影響；兩主纜間距為26.9 m，確保受力均勻；吊索縱向間距為18 m，合理的吊索布局保證了橋梁的承載力與安全性。此外，橋梁跨中設(shè)置了縱向柔性的中央扣索，增強了抗風(fēng)性和適應(yīng)性。

加勁梁采用單跨雙鉸簡支支撐體系，以減少荷載引起的內(nèi)力積累與彎曲變形。加勁梁的支撐通過橋塔下方的橫梁和上下游的豎向支座完成，確保豎向荷載的穩(wěn)定承載?？傮w設(shè)計考慮了橋梁的承載能力、抗風(fēng)性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及合理的設(shè)計參數(shù)，如主纜垂跨比、跨徑比及吊索間距，確保了橋梁的安全性和經(jīng)濟性，同時提升了橋梁在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力。該橋施工現(xiàn)場見圖1所示：

1.2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋采用扁平流線形鋼箱梁和澆筑式瀝青混凝土增強結(jié)構(gòu)的氣動性能和顫振閾值。橋塔為門形塔結(jié)構(gòu)，根據(jù)地形使用不等高設(shè)計，并建有大直徑樁基礎(chǔ)。錨碇采用重力式異形結(jié)構(gòu)，配合無黏結(jié)鍍鋅鋼絞線以適應(yīng)多樣的地質(zhì)條件。纜索系統(tǒng)使用高強度鋼絲索股，并通過膩子、纏繞和涂漆進行保護[1]。整體設(shè)計注重橋梁的空氣動力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性，以及施工過程中的環(huán)保性。詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

1.3 本橋與國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)對比分析

主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計高度重視創(chuàng)新工程技術(shù)和環(huán)境適應(yīng)性，尤其在氣動性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面。為此，該文對本橋創(chuàng)新設(shè)計與國內(nèi)外結(jié)構(gòu)進行了對比分析，如表2所示。

從表2分析可以看出，本橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點如下所示：

（1）氣動性能與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

本橋梁采用的扁平流線形鋼箱梁有效降低了風(fēng)阻，減少了顫振現(xiàn)象，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。非對稱門形塔結(jié)構(gòu)不僅提供了良好的視覺效果，而且通過不等高設(shè)計優(yōu)化了受力分布，與其他常規(guī)雙塔設(shè)計的橋梁相比，具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）環(huán)境適應(yīng)性與材料優(yōu)化

在材料選擇和環(huán)保設(shè)計方面，本橋梁采用了無黏結(jié)鍍鋅鋼絞線和油脂防腐技術(shù)，顯著提高了耐久性并減少了維護需求。與需要頻繁對抗海洋腐蝕影響的金門橋相比，本橋的設(shè)計減輕了維護負(fù)擔(dān)；同時，使用的高強度鋼絲和現(xiàn)代化保護措施，也提高了橋梁的使用壽命并降低了維護成本。

2 橋梁結(jié)構(gòu)靜力計算

在懸索橋的建設(shè)中，使用非線性分析軟件如ANSYS進行模擬十分關(guān)鍵。這類軟件能夠模擬主纜、吊索、橋塔和加勁梁等結(jié)構(gòu)組件的物理行為，準(zhǔn)確預(yù)測橋梁的性能。主纜采用分段懸鏈線元素進行模擬，精確反映其受力后的形狀和力學(xué)行為，以優(yōu)化設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。吊索則使用索單元進行模擬，其精確建模確保橋面荷載均勻分配，維持橋梁的結(jié)構(gòu)平衡和穩(wěn)定。

橋塔和加勁梁的模擬采用梁單元，橋塔在塔底的固結(jié)設(shè)置使其能夠穩(wěn)定支撐主纜并有效傳遞負(fù)載至地基[2]。加勁梁的運動約束設(shè)置允許有一定的靈活性，以適應(yīng)溫度變化、風(fēng)載等動態(tài)效應(yīng)，同時保持結(jié)構(gòu)的完整性。整個模擬的邊界約束條件設(shè)置，確保模型能夠真實反映結(jié)構(gòu)在實際工程環(huán)境中的行為和性能，從而使得懸索橋設(shè)計更加科學(xué)和合理。模型圖如圖2所示：

2.1 結(jié)構(gòu)剛度

加勁梁是懸索橋的核心結(jié)構(gòu)部分，承擔(dān)橋面荷載并幫助分散來自主纜的負(fù)載。根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》（JTGT D65-05—2015），加勁梁需具備足夠的剛度和穩(wěn)定性，以應(yīng)對車道荷載和橫向風(fēng)荷載等不同的荷載條件。在車道荷載作用下，加勁梁表現(xiàn)出的最大上拱量為1.899 m，最大下?lián)狭繛?.579 m，撓跨比為1/485，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1/250，顯示了其高垂直剛度[3]，確保了橋梁在垂直載荷下的穩(wěn)定性和安全性。

在橫向風(fēng)荷載的影響下，加勁梁的最大橫向位移為7.539 m，對應(yīng)跨度比為1/237，符合設(shè)計規(guī)范中要求的橫向剛度比不大于1/150的要求。這表明，即使在極端風(fēng)力條件下，橋梁仍能保持整體性和服務(wù)性能，避免結(jié)構(gòu)損傷或安全隱患。

2.2 結(jié)構(gòu)強度

在懸索橋設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的安全性和性能通過一系列的荷載分析進行保證，其中包括恒載、活載、風(fēng)荷載等多種荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對于懸索橋的各個關(guān)鍵部件，如主纜、吊索、加勁梁和橋塔等，需要對其承載能力、應(yīng)力分布和安全系數(shù)進行全面的計算和驗證。

首先，在恒載條件下，主纜的軸力為355 314 kN，而最不利荷載組合下的主纜最大軸力為383 874 kN。根據(jù)極限狀態(tài)法的計算，主纜鋼絲的最大應(yīng)力設(shè)計值為1 008.6 MPa。與主纜鋼絲的抗拉強度設(shè)計值1 098.6 MPa相比，最大應(yīng)力設(shè)計值小于抗拉強度設(shè)計值，表明主纜在恒載和最不利荷載組合下的受力情況完全符合規(guī)范要求。

除主纜的受力分析外，吊索的性能評估同樣重要。恒載狀態(tài)下，吊索的最大軸力為2 405 kN，最不利荷載組合下的吊索最大軸力為2 622 kN。根據(jù)極限狀態(tài)法計算，吊索鋼絲的最大應(yīng)力設(shè)計值為599.9 MPa，而吊索鋼絲的抗拉強度設(shè)計值為804.5 MPa。通過對比最大應(yīng)力與抗拉強度[4]，吊索鋼絲的強度同樣滿足設(shè)計要求。即使在最不利的荷載條件下，吊索仍能夠保持足夠的承載能力。

在分析加勁梁的受力狀態(tài)時，首先需要考慮恒載和活載的共同作用。恒載作用下，加勁梁的最大彎矩為60 043 kN·m，而負(fù)彎矩為41 231 kN·m?；钶d作用下的彎矩則可能更加復(fù)雜，通常需要結(jié)合不同工況下的荷載分布進行綜合分析。在橫向極限風(fēng)荷載作用下，加勁梁的最大橫向彎矩為557 071 kN·m，表明風(fēng)荷載對加勁梁的影響較為顯著，尤其在設(shè)計風(fēng)速條件下，結(jié)構(gòu)需要具備足夠的橫向承載力。根據(jù)最不利荷載組合下的應(yīng)力分析，加勁梁的豎向最大拉應(yīng)力為99.8 MPa，最大壓應(yīng)力為74.4 MPa；橫向的最大拉應(yīng)力為137 MPa，最大壓應(yīng)力為140 MPa；這些應(yīng)力數(shù)值均低于加勁梁鋼材的設(shè)計強度，表明加勁梁的設(shè)計能夠承受這些荷載作用，確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全。無論是豎向還是橫向的應(yīng)力，都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

橋塔作為懸索橋的重要支撐結(jié)構(gòu)，其受力情況對橋梁的整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。恒載作用下，單塔柱塔根的軸力為712 542 kN，而最不利荷載組合下的塔根縱向彎矩為974 339 kN·m，橫向彎矩為1 256 920 kN·m。根據(jù)極限狀態(tài)法計算，橋塔的截面承載力和裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，這表明橋塔能夠承受來自橋面、主纜及其他外部荷載的作用，并且在設(shè)計荷載范圍內(nèi)，橋塔不會出現(xiàn)過大的裂縫或失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 施工技術(shù)創(chuàng)新

3.1 扁平流線形鋼箱梁的應(yīng)用

扁平流線形鋼箱梁在設(shè)計上優(yōu)化了氣動性能和減震效果，有效減少了風(fēng)阻和顫振現(xiàn)象，提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。其扁平形態(tài)增強了對風(fēng)力的抵抗能力[5]，并通過較寬的梁體實現(xiàn)了高效的空間利用，特別適用于設(shè)置檢修車軌道，適合大跨度橋梁建設(shè)。

該設(shè)計充分考慮了環(huán)境與工程需求，采用高強度Q355D鋼材，確保橋梁在惡劣環(huán)境下的承載力和耐久性。施工時簡化了吊裝和安裝工藝，降低了成本和時間。同時，扁平流線形設(shè)計特別適合大跨度橋梁建設(shè)，尤其是在風(fēng)力較大的跨?；蛏焦葏^(qū)域。其優(yōu)異的氣動性能和長期穩(wěn)定性，減少了維護需求和成本，確保了橋梁的安全運營。

3.2 非對稱門形塔的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

非對稱門形塔的設(shè)計優(yōu)化了受力分布，充分考慮了復(fù)雜的地形條件，尤其適用于山區(qū)或河谷等不均勻地形區(qū)域。這種設(shè)計減少了對人工地形調(diào)整的依賴，提升了不同高度上的穩(wěn)定性，使得結(jié)構(gòu)能夠更好地承受不均勻載荷，從而減小整體應(yīng)力，克服了傳統(tǒng)對稱結(jié)構(gòu)的局限性。

在材料選擇上，門形塔采用C50高性能混凝土，并在受力集中區(qū)增加壁厚，以增強耐久性并提高建設(shè)效率。此設(shè)計不僅有效分散了風(fēng)載、車載等壓力，減少了裂縫和結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險，還幫助降低了長期維護成本。根據(jù)案例研究，使用高性能混凝土的結(jié)構(gòu)維護成本比傳統(tǒng)混凝土節(jié)約10%～15%，并顯著延長了橋梁的使用壽命，特別適用于跨?；蛏焦鹊葟?fù)雜地質(zhì)和氣候條件的大跨徑橋梁項目。

3.3 錨碇及纜索系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

錨碇及纜索系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新在于使用無黏結(jié)鍍鋅鋼絞線拉索和油脂防腐技術(shù)，顯著提高了系統(tǒng)的耐久性和抗腐蝕性。無黏結(jié)鍍鋅處理不僅提供了額外的防銹保護，還減少了由于常規(guī)鋼材腐蝕所需的維護工作。油脂防腐技術(shù)為鋼絞線提供了保護膜，進一步延長了其使用壽命。上述技術(shù)提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體安全性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，錨碇的空間異形結(jié)構(gòu)有效應(yīng)對了多變的地質(zhì)條件，采用大直徑鉆孔灌注樁適應(yīng)軟土、巖石和沙質(zhì)等復(fù)雜地層。這種設(shè)計增強了基礎(chǔ)支持力，并通過技術(shù)創(chuàng)新保障了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。錨碇和纜索系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)較差的區(qū)域，可減少約20%的長期維護成本和工作量，如該橋在應(yīng)用此技術(shù)后，維護周期從每6個月檢查一次延長至每年檢查一次，顯著降低了維護頻率和成本。

4 結(jié)論

本橋在設(shè)計與施工技術(shù)上進行了多項創(chuàng)新，突出體現(xiàn)了對氣動性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性的高度重視。采用扁平流線形鋼箱梁、非對稱門形塔結(jié)構(gòu)和重力式異形錨碇，有效提升了橋梁的氣動性能、抗風(fēng)能力和穩(wěn)定性，同時優(yōu)化了受力分布，增強了對復(fù)雜地形的適應(yīng)性。選用高強度材料如Q355D鋼和C50混凝土，結(jié)合油脂防腐技術(shù)和現(xiàn)代化施工工藝，顯著提高了橋梁的耐久性、抗腐蝕性，并降低了維護成本。結(jié)構(gòu)安全性通過靜力和動力分析得到了驗證，確保了橋梁在各種荷載條件下的可靠性。

參考文獻

[1]王志誠，宋穎彤，李鴻盛，等.重慶新田長江公路大橋設(shè)計[J].橋梁建設(shè)， 2024（5）：133-139.

[2]吳明遠(yuǎn)，汪繼平，師啟龍.蒼容潯江大橋的設(shè)計與技術(shù)創(chuàng)新[J].公路， 2024（6）：134-140.

[3]肖海珠，高宗余，陸勤豐.南京仙新路長江大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].橋梁建設(shè)， 2024（2）：1-7.

[4]周云.復(fù)雜地質(zhì)條件下大跨徑獨塔斜拉懸索橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].建筑機械， 2024（8）：161-166.

[5]王俊偉，顧雄淇.自錨式懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工工藝優(yōu)化及應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)， 2024（5）：93-97.