多塔悬索桥技术的未来竞争力

受大自然中藤桥的启发，人们发明了悬索桥（吊桥）；受制于材料强度和宽阔的江面，人们发明了多跨悬索桥。在著名的都江堰有一座安澜桥，茅以升将它定为中国的五大名桥之一，并介绍桥的修建方法与结构如下——

以竹丝编成竹缆，粗如碗口，陆续接长，横跨全江，其两端绕系于横卧大木碾，转动木碾时拉紧竹缆，以免下垂过度。大木碾安置于木笼内，木笼位于两岸石岩中所凿的石室。竹缆十根平列，上铺木板为桥面，可以行人，两旁各有较细竹缆六根，作为栏杆。由于桥底竹缆太长，下面用木排架八座及石墩一座承托，将桥分成九孔，全长米，一孔最大跨度达61米。每座木排架用大木桩五根，打入江底，中用横木连接，下有石块堆砌，其两边木桩较长，形成斜柱。石墩一座，位于都江堰的鱼嘴上，内有石室，亦有大木碾，可以拉紧竹缆，其作用与两岸的大木碾相同。

茅老描述的安澜桥（图1），由于主缆采用的是竹缆，一则跨度太大主缆强度不足以支撑，二则垂度太大需要加高桥塔，增加造价，古人非常聪明地采用了多塔悬索桥方案，为了多次张拉以克服材料的不足，采用了柔性塔。

图1安澜桥旧照

多塔悬索桥失去了边跨强有力的约束，中塔水平位移过大，导致系统刚度不足问题，如果将中塔刚度加大，则主梁与索鞍滑移风险加大，学术界将这一问题称为“中塔效应”。小跨度悬索桥大多采用了设置水平缆来解决“中塔效应”问题。

大跨度多塔悬索桥研究始于上世纪30年代，美国在修建奥克兰西海湾桥时曾经对三塔悬索桥方案进行研究（图2），当时研究采取以下措施以增大系统刚度：垂跨比采用；桁架抗弯刚度提高2.1倍；桥塔抗弯刚度增加了2.75倍；边中跨比由0.5降至0.38；加劲梁和缆索系统的自重增加了54%。尽管采取了这些措施，三塔方案的挠度还是比双塔双联方案大两倍以上，塔顶的位移显著增加，加上缆索用钢量增加了大约2.7倍，所以没有采用三塔悬索桥方案。

图2奥克兰西海湾桥方案

在21世纪初期，我国首次尝试了多塔悬索桥这一结构体系在宽阔水域地区的应用，先后成功修建了泰州长江大桥、马鞍山长江大桥和鹦鹉洲长江大桥三座三塔悬索桥。这三座悬索桥中塔采用了钢塔或钢-混组合塔，在其中一跨满布活载作用下，桥塔可以提供部分纵向变形，通过对桥塔纵向刚度的参数分析，选取了合适的中塔纵向刚度，从而在满足主缆在索鞍间滑移安全的同时，将主跨挠度控制在合理范围内。这一技术路线绕开了主梁索鞍滑移问题，很好地实现了多塔悬索桥的技术突破。

显然，由于主缆、锚碇规模较小的优势，多塔悬索桥在跨越宽阔的江面、海口时，具有相当的经济性。但在海洋环境下，如何提高结构刚度与抗风性能，提高结构耐久性与可维护性，显得尤为重要。如果能采用混凝土刚性中塔，上述问题可以得到解决的同时，也为多塔悬索桥迈向3塔以上悬索桥实现更强的连续跨越能力奠定技术基础。为此，必须在主缆滑移这一技术难题上取得突破，因而亟需展开主缆索鞍摩擦机理研究。

主缆、索鞍摩擦机理研究

主缆与鞍槽间的抗滑移理论与试验专题的研究目的是为了揭示主缆钢丝在索鞍内滑移的机理，据此提出提高索鞍摩阻力的设计方案，并予以验证。基于散体力学的方法，将整体主缆模拟为多根索股，以索股为基本研究单元进行试验，对索股进行测力、位移，从而获得主缆的微观和宏观滑移机理。试验首次采用组拼式索鞍（图3）进行模型试验，从而使得在一个试验索鞍上实现了包括三种鞍座类型、不同索股根数、有无聚四氟乙烯板等共十几种工况的试验，获得了大量的试验数据，为理论分析奠定了基础。通过多工况的模型试验，得到了主缆与索鞍间滑移机理的认识，即：主缆在索鞍内是分层分批逐渐滑移的，初始滑移时名义摩擦系数较小；钢丝滑移后，索鞍两端的索力差基本等于最大摩擦力；在索鞍内增设竖向摩擦板或水平摩擦板，相当于增加了摩擦面，其抗滑效果显著；增加摩擦面是解决主缆在索鞍内滑移的关键。

图3组拼式索鞍模型

对竖向摩擦板索鞍来说，知道索股钢丝对摩擦板的侧压力，才能推导出摩擦板所能承受的纵向摩擦力以及整个索鞍所能承受的纵向摩擦力，从而建立竖向摩擦板索鞍纵向摩擦力的计算方法。

将单根钢丝作为基本分析单元，自上而下分层、分区分析钢丝受力，从而得到了基于钢丝的侧向力分布公式，并展开了钢丝直径、间隙、摩擦系数、泊松比等参数敏感分析。基于上述研究，首次建立主缆侧向压力的实用计算公式。

由侧向力模型试验验证表明：理论值与试验值在侧向力分布及变化趋势上基本一致，理论推导值能较好地反映侧向力的分布及传递规律，表明所建立的理论计算方法是准确的。

图4钢丝理论计算简图

试验发现，索鞍中的索股是分批滑移的，这一发现与以往基于宏观主缆整体滑移是完全不同的，因此，非常有必要开展索鞍方案抗滑移性能评估。

根据温州瓯江北口大桥的结构分析结果，在最不利加载（单跨满载，另一跨空载）条件下，紧边侧缆力T1=kN，松边侧缆力T2=kN，鞍座包角α=0.rad，根据欧拉公式计算，得到主缆抗滑所需的名义摩擦系数（不含安全系数）：

按实验实测，将基础摩擦系数取为0.2，计算分析了以瓯江北口大桥为工程背景的全竖隔板索鞍，其初滑名义摩擦系数：0.，最终名义摩擦系数：0.。终滑时，侧向摩擦力在总摩擦力中的贡献率为60.23%，可见侧向力对摩擦力的贡献起了决定性作用。名义摩擦系数0.3时，索力不均匀系数0.6%，滑移比例17.75%。此外，主缆整体名义摩擦系数μ=0.，从而得到在极端加载条件下，主缆的抗滑移安全系数为3.37；按照发生第一批滑移时对应的名义摩擦系数μ=0.，此时的主缆抗滑移安全系数为1.56，这表明实桥主缆即使在极端加载条件下也不会有索股发生滑移。

研究团队还保守地将钢丝与鞍座间摩擦系数取0.15、钢丝间摩擦系数取0.2进行了评估，得到的主缆整体名义摩擦系数μ=0.，第一批滑移时对应的名义摩擦系数μ=0.。分析表明，即使在保守的计算下，实桥主缆在极端加载条件下也不会有索股发生滑移。

高摩擦性能索鞍的技术实现

高摩擦性能索鞍鞍体采用铸焊结合结构，为了提高摩擦性能，设置竖向摩擦板以取代以往的隔片，摩擦板材料采用QC。鞍槽内设14道竖向摩擦板，板厚12～16mm，高～.5mm，索槽宽61mm（图5）。竖向摩擦板沿高度方向为整体结构，沿顺桥向分为对称的两块，底部与索鞍鞍槽焊接，是主缆抗滑中的重要受力构件，其受力特点主要为顺桥向抗剪。从两侧摩擦板采用单面坡口熔透型焊缝，中间摩擦板在鞍槽底开坡口的两侧对称角焊缝。

图5高摩擦性能索鞍

从工程实现角度来看，其难点有二：（1）摩擦板的焊接与检测。（2）深索槽索股入鞍。

四川天元研发了专用智能焊接设备（图6），实现了窄深空间索鞍整体竖向摩擦板与鞍槽之间的全熔透焊缝及部分熔透焊缝的连续自动化焊接，熔透焊缝质量达到了GB/T11-、GB/T-标准的B/2级要求，整体竖向摩擦板的焊接变形量在设计要求的±2mm精度范围。此外，还研发了适用于深槽的相控阵超声波探伤检测技术，解决了深槽焊缝探伤难题。目前，瓯江北口大桥高摩擦性能索鞍已经制造安装完毕，各项指标均符合质量要求。

图6高摩擦性能索鞍制造加工

采用传统预制平行索股法（PPWS法）架设的主缆施工工艺，由于竖向摩擦板的存在，将干扰预制主缆索股在索鞍中的安装。为确保预制主缆索股能够顺利地安装到深索槽中去，浦缆、法尔胜等单位先后在瓯江北口大桥设计阶段开展初步试验，采用人工加自动化顶推设备的方式，进行了一列索股的入鞍实验，初步论证了技术层面的可行性。瓯江北口大桥上部结构施工单位二航在上述试验基础上，研发出一套自动化主缆索股深槽入鞍机器人（图7），并在实桥索鞍中进行试验，并运用到温州瓯江北口大桥的主缆施工中。

图7自动化主缆索股深槽入鞍机器人

案例介绍

年11月开工建设的韩国千四大桥（图8）于年8月建成通车，其跨径布置为+++m，三个桥塔均采用了钢筋混凝土门形框架桥塔，千四大桥通过参数研究确定了合理的中塔刚度。通过参数分析，确定其中塔截面尺寸为12×8m，边塔截面尺寸为7×7.15m。千四大桥中塔纵向采用I形桥塔，故而该桥桥塔为“半刚性塔”。千四大桥主索鞍采用了顶盖板，防止了主缆顶层索股发生滑移。

图8韩国千四大桥

年开工的智利查考大桥（ChacaoBridge，图9），计划于年通车。查考海峡宽2.5km，由于海峡中部位置有天然凸起的基岩，因此其主跨设计为不等跨的m+m，这也是世界上第一座不等跨的多塔悬索桥，采用不同的垂跨比平衡了由于不等跨布局引起的恒载主缆水平力差异。中塔采用倒Y形混凝土桥塔，为了解决主缆在中塔顶易滑移的问题，主缆的索股在主索鞍横向打开，同时增设竖向摩擦板，以提高主缆与索鞍间摩擦力。此外，还在索鞍上设置了顶盖板，延后了主索鞍顶层索股首滑。其竖隔板通过栓接与鞍槽连接，为了解决索股深槽入鞍，竖隔板仿照隔片采用了拼接接高方案。但较为可惜的是没有进行研究与试验验证，而是参照欧盟规范进行了较为保守的设计，虽然顶盖板方案存在松弛等问题，但可以在成桥及运营期间进行复拧，从而解决了松弛问题，结合前文可知，顶盖板方案可显著提高主缆首滑安全系数。

图9智利查考大桥（ChacaoBridge）效果图

温州瓯江北口大桥主体工程始建于年，将于年底建成通车，其主跨布设为2×m，为世界上首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥。为解决多塔悬索桥中塔处主缆的抗滑移问题，在主缆与鞍槽滑移机理、新型索鞍结构形式与制作工艺上开展一系列研究与技术攻关。通过理论、试验等方式在多塔悬索桥关键技术上取得重大突破和研究成果，并成功运用于瓯江北口大桥的建设当中，实现多塔悬索桥建设领域两大创新：（1）首次实现了多塔悬索桥采用混凝土刚性中塔，突破了以往多塔悬索桥采用钢结构或者钢混混合形式的限制。提高了桥梁整体刚度、抗风性能和结构耐久性，节约了工程造价。（2）首次采用了全竖向摩擦板防滑索鞍，使得索鞍对主缆的抗滑移能力大大提高，解决了主缆与鞍座的滑移问题，可为世界各国的同类桥梁提供全新的解决方案。

图10温州瓯江北口大桥效果图

上个世纪90年代，荷兰也曾研究过多塔悬索桥方案，拟建一座横跨西斯海尔德河（theWesternScheldtRiver）的大桥，从经济性和景观性的角度，该桥方案推荐采用人字形中塔（图11）。

图11西斯海尔德河大桥方案

最近挪威就比约纳夫峡湾大桥（BjrnafjordenBridge）（图12）浮桥方案开展了研究，该方案为主跨布置为++四塔三跨的多塔悬索桥，两座中塔基础采用独创的TLP（TensionLegPlatform）张力腿基础，两座中塔水深分别为m和m。该方案采用塔顶水平拉索来解决主跨挠度过大的难题。鉴于技术成熟度问题，最终采用了独塔斜拉桥+浮桥方案。

图12挪威比约纳夫峡湾大桥方案

此外，多塔多跨悬索桥在方案设计阶段也不乏有其身影。例如，墨西拿海峡大桥、直布罗陀海峡大桥；在国内，青岛海湾大桥、琼州海峡大桥、武汉阳逻长江大桥、南京长江四桥等都提出过三塔悬索桥方案。

纵观国内外连续多塔悬索桥的发展趋势，由于多塔悬索桥方案竞争力强，在n×～1m跨径中都适用，景观更美，连续长度更长，尤其适用于跨越河口、海口的长大桥梁。在中塔选择上，趋于混凝土方案越来越多，由于中塔刚度提高因而整体刚度也越来越大，行车舒适性和抗风性能得到了极大的提高。其关键问题在于刚性中塔索鞍抗滑移性能，探明索鞍、索股、钢丝的摩擦机理非常重要。通过温州瓯江北口大桥课题研究，形成了相关的理论公式，并得到了试验验证。目前已有多种方案可实现高摩擦索鞍，都充分利用了索鞍侧摩阻力；如果设置顶盖板加压方案，使得初滑安全系数可以进一步提高。索鞍抗滑移问题得到解决后，就可利用悬索桥恒载占比比较大的结构特点，提出在活载作用下索鞍直接锚碇的“活载锚碇”概念，使得相邻主跨基本不受加载跨的影响，其连续跨越能力得到了长足进步。可以预期，连续多跨悬索桥将在未来桥梁中扮演越来越重要的角色。如果能针对多塔连跨结构的荷载模式作进一步研究，其应用场景将更为广泛。

本文刊载/《桥梁》杂志年第1期总第99期

作者/王昌将王晓阳马碧波

作者单位/浙江数智交院科技股份有限公司

(浙江省交通规划设计研究院有限公司)

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