变中求新——桥梁创新漫谈

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2020-7-3 10:04

原作者: 桥梁杂志来自: 桥梁杂志收藏分享邀请

【52监测网讯】将阐述大连理工大学桥隧学科在桥型方面的创新，即系杆拱梁体系、缆索承重体系桥梁的创新成果，以及海上地锚式悬索桥的技术创新。

本文将继续阐述大连理工大学桥隧学科在桥型方面的创新，即系杆拱梁体系、缆索承重体系桥梁的创新成果，以及海上地锚式悬索桥的技术创新。

系杆拱梁体系

体系改进的背景

系杆拱桥具有受力合理、适应性强、经济美观等优点，在设计庄河市干沟桥时，采用大跨径系杆拱桥方案。设计时发现桥梁的挠度大，动力特性不好。于是对我们以前做过的拱桥进行了反思，如东风水库桥、月亮岛桥等。同时对国内外类似桥梁进行了分析研究，发现跨度在近百米及以上的系杆拱桥都有这样的问题，干沟桥跨径达到250m，必须更加重视桥梁的刚度。

为了克服传统系杆拱桥的缺点和不足，使其在具有良好使用性能的前提下进一步增大跨越能力，拥有更广阔的适用空间，通过对结构受力的分析和研究，提出了增加边跨来改进传统系杆拱桥的思路。改进的系杆拱梁体系由于边跨的存在，梁的受力类似于三跨连续梁，边跨可限制主梁的转角和位移，提高结构刚度，改善行车平稳性和舒适性，从而可适用于较大跨径的桥梁。

庄河市干沟大桥

干沟大桥位于辽宁省庄河市环城东路跨越庄河段，庄河此处河道宽约270m。干沟大桥建成之前，庄河市已有悬索桥和斜拉悬吊协作体系等桥型，为了避免桥型的单一和雷同，给城市增添新的景观，业主经综合考虑，选择了单肋系杆拱桥的结构形式，也正是在此次方案设计过程中，我们提出了改进的系杆拱梁体系桥型。

干沟大桥全长272.13m，跨径布置为10+250+10m，桥面宽35m，属于城市主干道上的特大桥梁，也是目前跨径最大的单肋系杆拱梁体系。干沟大桥采用钢箱拱肋，矢高55.5m，矢跨比约为1/4.5；加劲梁为预应力混凝土箱梁,中跨梁高3m，边跨梁高3.5m,桥梁总布置图如图1所示。

图1 干沟大桥总布置图（单位：cm）

干沟大桥于2013年建成通车，成桥后的干沟大桥像一道跃出河面的彩虹，气势磅礴，优美简洁。

图2 建成后的干沟大桥

营口经济技术开发区滨湖路单肋拱桥

营口经济技术开发区滨湖路单肋拱桥全长116m，宽29m，跨径布置为8+100+8m，拱肋矢高25m，矢跨比为1/4，设计拱轴线采用二次抛物线。该桥与庄河干沟大桥结构体系相同，设计构造基本类似，仅仅是跨度有所不同，两座桥堪称“姊妹桥”。

图3 营口经济技术开发区滨湖路单肋拱桥

大藤峡水利枢纽坝下交通桥工程引航道主桥

大藤峡水利枢纽坝下交通桥位于大坝下游1.9公里处，全长1982.22m，其中跨引航道主桥采用了340m的下承式提篮系杆拱桥，跨径布置为55+230+55m，桥面标准宽度12m。引航道主桥拱肋采用变高度的矩形钢箱拱，拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/5，风撑亦采用矩形截面钢箱；主梁为预应力混凝土单箱单室截面梁，中跨和边跨梁高均为3.0m，拱座处梁高3.5m，梁高下缘及箱梁底板厚度按线性渐变；吊杆横梁间距9.5m，边跨箱内设置两道横隔板。建成后的引航道主桥如图4所示。

图4 大藤峡引航道主桥

2019年6月，大藤峡水利枢纽坝下交通桥通车，该桥是连接大藤峡工程左右两岸的重要纽带，为黔江右岸的物资运输提供了有力的交通保障，也为两岸经济社会发展提供了便利的交通条件。大藤峡引航道主桥由于采用了带边跨的系杆拱梁体系，使得刚度大大提高，当大载重汽车通过时，桥面几乎无振感，使用性能良好。

关键技术特点

（1）边跨布置构思与分析

为了改善大跨度系杆拱桥的行车平顺性和舒适度，设计构思采用增加边跨的方式来约束梁端转角，提高结构的整体刚度。研究表明，系杆拱梁体系的边中跨比与拱肋、主梁及吊杆三者的相对刚度有关，由于拱对连续梁的加强和调节作用，系杆拱梁体系的边跨较连续梁桥更小，跨径布置也更加灵活。

以庄河干沟大桥为例进行分析，干沟大桥通过合理配置主梁、拱肋与吊杆的相对刚度，并通过边跨压重和吊杆张拉的措施进一步调节，其边跨长度仅为10m，边中跨比仅为0.04。在其他设计参数不变的情况下，将干沟大桥改进后的连续系杆拱梁体系与传统简支系杆拱桥进行对比分析，得到结构的关键力学响应如表1所示。

从表1结果可以看出，干沟大桥虽然仅设置了很小的边跨，在不显著增加造价的情况下有效约束了拱脚的转动，控制了主梁的挠度,增大了结构的刚度，改善了结构的力学性能。在经济安全的前提下,解决了传统系杆拱桥向大跨径发展过程中刚度不足,引起的行车不平顺和强烈振感问题。

（2）钢拱肋与混凝土主梁相结合的混合结构

对于单肋系杆拱梁体系，由于拱肋缺少面外支承，拱肋的侧向刚度和抗扭刚度都很有限。随着桥梁跨径的不断增大，拱肋的长细比越来越大，结构的侧倾稳定问题更加突出。基于吊杆的非保向力效应，研究表明，增大主梁与拱肋的横向抗弯刚度比，可显著提高单肋系杆拱梁体系的侧倾稳定性。因此，干沟大桥和营口经济技术开发区滨湖路单肋拱桥，均采用了钢拱肋与预应力混凝土主梁相结合的混合结构，从而提高了结构侧倾稳定性，增大了桥梁的跨越能力，同时也较为经济。

（3）拱梁连接处钢混结合段设计

采用钢拱肋和预应力混凝土主梁相结合的混合结构系杆拱梁体系，具有良好的经济指标和跨越能力，其中，钢混结合段是整个结构受力的关键部位，其可靠性关系到整个体系的安全。对于单肋系杆拱梁体系，钢混结合段截面尺寸小，传递轴力大且刚度要求高，为了保证结构连接可靠和传力平顺，选择了各方面性能都比较优良的PBL剪力键，作为钢混结合段的主要传力构件。通过对PBL剪力键力学性能的试验研究及数值分析得出结论，实际工程中，在施工允许的条件下，PBL剪力键群的布置越紧凑越好，PBL剪力键布置时应尽量减小传力方向的层距和层数，从而降低“键群效应”导致的承载力折减，更好地发挥PBL剪力键群的整体工作性能。考虑到单肋系杆拱梁体系拱脚受力非常复杂，钢混结合段同时布置了栓钉剪力键作为安全储备。干沟大桥拱脚钢混结合段施工如图5所示。

图5 干沟大桥钢混结合段施工现场

缆索承重体系桥

特殊类型的悬索桥

在缆索承重体系桥梁中，根据缆索的多种变化模式，可以设计出多种形式美观、经济合理的桥梁结构，为城市桥梁的新颖性、多样性提供了更加丰富的选择内容。

（1）大连星海湾挑月桥

大连星海湾挑月桥位于星海湾广场东侧马栏河入海口，跨越马栏河，在方案阶段曾经提出提篮拱方案、悬索桥方案及自锚式吊拉组合体系等设计方案。后来提出的桥型的缆索部分像一张渔网，类似于我国古代捕鱼的工具——搬罾，这一方案更符合大连沿海城市当地的人文特征，最后被选中。该桥为跨度134.44m的异型主缆空间索面自锚式悬索桥，索塔向跨中方向倾斜20°，由4根背索承担索塔及主梁的重量。建成后有位名人为此桥作诗一首，称赞该桥像挑起的一弯新月，故命名为“挑月桥”，该桥为美丽的海滨城市大连增添了一道靓丽的风景。

图6 大连星海湾挑月桥

星海湾挑月桥主梁为钢箱结构，标准梁宽9m，梁高1.3m，梁顶设双向1%横坡，梁底横向为圆曲线，钢材为Q345B。索塔高81m，为桁架钢管结构，两柱夹角9.08度，索塔纵向倾斜，倾角70.00°。塔柱为变截面槌形，横向最大尺寸4.19m，根部2.98m，顶部2.0m，弦杆钢管直径1100mm，壁厚12mm，腹杆钢管直径500mm，壁厚10mm。两塔柱之间设两道横梁，上横梁用于锚固主索和背索。主缆采用成品索；全桥共有直吊杆22对，为成品索；斜吊杆18对，为钢丝绳。

挑月桥背索锚碇采用钢筋混凝土箱形重力式锚碇，由上部背索锚块和下部沉井构成。沉井平面直径为19.5m，高度8m。锚碇与桥台及索塔承台间采用钢筋混凝土联系梁连接，联系梁平面为Y形，梁高2m。以主要受压的索塔、受拉的背索和受压的联系梁组成的三角形受力体系，是本桥的主要受力结构；而支撑在索塔上的两个空间索面吊拉着主梁，组成了本桥的直接承载体系。前者中，背索锚固于锚碇上，通过联系梁连接西桥台；后者中，主缆直接锚固在主梁上，主梁西端顶住西桥台，二者通过西桥台形成了水平方向的自平衡体系。不同于常见自锚式悬索桥的是，主缆出现了分叉，在空间形成多个主缆的交叉点，可以认为主缆在交叉点是柔性支承，这种特殊的受力方式，造成了在设计和施工中缆索的线形和索力都是非常难以把握的。

施工时的要点：

(1）星海湾挑月桥背索锚碇为沉井基础，地基为杂填土，为了防止沉井后期继续下沉，在沉井底部设置桩基础。

(2）索塔钢结构在预制场地焊接完成后，采用1500t浮吊整体吊装至桥位，然后竖转至预定角度，安装背索，如图7。

(3）主梁分三段预制，在桥位处通过浮吊架设到临时钢管桩平台上并连接，如图8。

(4）主跨主缆在地面上安装索夹和竖直吊杆，然后从塔顶牵拉至塔顶锚固。

(5）安装调整吊杆索力，达到设计索力后，再安装斜吊杆并调整索力。

(6）最后施工桥面铺装及附属设施。

图7（a）索塔吊装施工；（b）缆索施工

图8 主梁吊装施工

反吊桥体系

（1）星海湾大桥东段人行桥

星海湾大桥东引桥的S线设有人行道，引桥的尽头直接与莲花山隧道相接，人行道需在此处通过连接线顺畅地接到滨海路人行道上，从而形成贯穿整个星海湾至滨海路景区的人行观光通道。此处地势情况复杂，各种制约因素较多，使得人行道接线工程的设计变得困难复杂。经研究，人行桥采用了反吊桥的结构形式，主梁为钢桁架，但是该桥需设3个桥墩，如果在地面设桥墩的话，影响整体景观。现将一个桥墩设在突出的一块山体岩石上，另外两个桥墩则利用主线桥梁结构，悬吊在主梁的下方，景观效果明显提高，建成后实景图如图9所示。

图9 反吊桥人行桥

钢人行桥宽度为2.5m，1号和2号人行桥结构形式相同，均为自锚式简支钢桁架反吊桥，桥型布置如图10所示。其中1号人行桥跨度为53.55m，2号人行桥跨度为75m。主缆采用4根37Ф7的平行钢丝束，锚固于桁架端部；外侧主缆横向间距为4.09米，1号人行桥矢跨比为1/13，2号人行桥矢跨比为1/18。在2号人行桥跨中位置布置两处竖向阻尼器装置（TMD)。3号和4号人行桥结构形式及跨度完全相同，均为跨度34.08m的简支钢桁架梁桥。主梁桁距为3.41m，桁架计算高度和宽度均和1号、2号桥的主桁一致。

图10 星海湾大桥东段人行桥桥型布置图

（2）牧城塘水库桥

牧城塘水库桥为日伪时期建成的一座三跨桁架桥，作用是工作人员从岸边到水库取水化验。该桥在战争中损毁，2015年需要修复，资金仅有50万元。水利设计院根据原有图纸档案设计成三跨桁架桥，两个深水墩造价很高。本设计采用钢丝绳做施工脚手的反吊桥方案，仅用10万元就完成了全部工程。

采用中承式钢桁架自锚悬索桥这种桥梁结构形式，主梁为轻质的钢桁架结构，全桥由两片钢桁架及平行钢丝束的主缆，作为桥梁的主要受力构件；型钢组成的纵横梁焊接成格子框架结构及铺在其上的木质桥面，板形成桥面系结构。由于整个桥梁设计巧妙，受力合理，造价仅10万元。

图11 中承式自锚钢桁架悬索桥布置图

图12 牧城塘水库桥

牧城塘水库桥设计跨径为62.4m，主缆的矢高为3.1m，矢跨比为1/20.1。主缆中心与桁架构件中心距离0.16m，4束主缆，每束由9根直径7mm的平行钢丝组成，主缆形成菱形横断面。桁架节间距离3.12m，桁架高2.2m，桁架宽2.4m，人行道宽1.2m。

（3）反吊桥体系的施工方法

星海湾大桥东段人行桥的主要施工步骤：主桁节段工厂预制；搭设支架，主桁拼接；架设主缆；在主缆上挂沙包压重使其达到成桥线形；安装索夹；安装刚性撑杆，连接主桁和承重缆；拆移支架，完成体系转换；安装人行道板、栏杆。

牧城塘水库桥的主要施工步骤：利用现有的取水井、桥头的桥台，设钢丝绳作为施工的脚手架，钢丝绳的一端锚固在桥台背墙上，另一端固定在水库中央的取水塔上；在钢丝绳脚手架上铺木板作为施工通道；将预制好的桁梁节段运至现场，通过施工通道将桁架梁节段按顺序放置在钢丝绳上，节段之间先用螺栓连接，待形成全桥结构后再进行焊接；安装门架结构并在门架上焊接锚箱；安装主缆及锚头，张拉主缆使桁架梁脱离钢丝绳脚手架，完成体系转换，然后拆除钢丝绳；紧固索夹，焊接人行通道的纵梁和栏杆；进行桥面木板安装、主缆及钢构件的防腐处理及附属设施的施工。

海上地锚式悬索桥

大连星海湾大桥主桥的设计方案

大连星海湾跨海大桥全长6 km，主线为双层桥梁结构，主桥位于大连星海广场南侧1 km处。大桥的景观效果对桥型方案的选择具有决定性意义，主桥采用了跨径180+460+180m的三跨地锚式悬索桥。在设计方案论证过程中，有的专家建议采用自锚式悬索桥方案，但是经过项目组的论证，自锚式悬索桥方案在海中做支架费用很高，并且施工中风险较大，成桥后也不如地锚式悬索桥可靠。主梁为钢桁架结构，桥宽24.8 m，主缆呈抛物线形，跨中矢高为69 m。星海湾大桥主桥在海中设置锚碇基础，在我国尚属首例，锚碇基础采用大型沉箱和预填骨料升浆基床的地基处理技术，沉箱整体浮运，单个沉箱重达2.6万吨。

图13 星海湾大桥主桥

锚碇的构造与施工

星海湾大桥主桥采用重力式锚碇，外形为三角形镂空结构，具有良好的外观效果，如图14所示。

图14 锚碇外形

锚碇基础采用大型沉箱和预填骨料升浆基床的地基处理技术，混凝土沉箱结构长69m，宽44m，高17m，如图15。具体步骤是：清淤挖至设计岩层→抛石基床施工→沉箱安装→沉箱内填砂子或注水→施工平台设备准备→升浆管钻孔→升浆施工→施工结束。

图15 升浆示意图

抛石升浆基床的石料规格为8～20cm块石，孔隙率为30%-40%。砂浆的流动度为18±4S，砂浆膨胀率0.5%～1%，砂浆与基床的结合混凝土抗压强度不小于12MPa。

主桥吊装施工技术

星海湾大桥主跨虽然只有460m，但是节段整体吊装的重量达到近600t，为当时国内悬索桥施工最大吊装重量，此前许多千米级大桥的吊装重量也只有300t。由于吊装重量大，因此施工中对索塔不平衡力的控制是非常大的挑战，本桥在施工控制中采用了边跨加平衡锚索，索鞍允许反向顶推3次的做法，克服了吊装不平衡力对索塔的影响，突破了大吨位节段悬索桥吊装的关键技术环节。

本文刊载 /《桥梁》杂志 2020年第2期总第94期

作者 / 张哲檀永刚许斐

作者单位 / 大连理工大学桥隧研发基地

（文章源自桥梁杂志，本文由百家号作者桥梁杂志上传并发布，此文系转载，本文仅用来学习及交流，版权归属原作者，侵权删）