在传承与创新中延续——桥梁创新漫谈|主梁|悬索|梁体|索塔|钢筋

自锚式斜拉－悬索协作体系桥

近年来，世界各国学者和工程师们开始关注斜拉－悬索协作体系桥。1997年10月通车的贵州乌江大桥就是采用地锚式斜拉－悬索协作体系。2003年，大连市政府提出“大”大连发展思路，规划在大连湾修建跨海大桥，将大连主城区和开发区相连。大连湾是重要的海运通道，同时也处于航空起降通道之下。需要修建既满足海运要求，又要控制建筑高度、满足航空要求的大跨度桥梁。为此，设计者在斜拉－悬索协作体系桥的基础上，率先提出了自锚式斜拉－悬索协作体系桥。这种新桥型，解决了大连湾跨海大桥的设计难题，因不需要在海上修建锚碇，经济性能好、对地形和地质状况适应性强，所以自锚式斜拉－悬索协作体系将成为有一定优势的大跨径桥梁方案。

大连湾跨海大桥及模型试验

大连湾跨海大桥的推荐方案为263+800+263m钢－混凝土自锚式斜拉－悬索协作体系组合桥，桥宽34m，边中跨比为0.33:1。主梁为扁平流线型箱梁，梁高3.5米，全桥主梁分为钢梁和预应力混凝土梁两种。自锚式斜拉－悬索协作体系桥结构目前世界上尚无先例，结构本身和边界条件都比较复杂，整体特性有别于斜拉桥和悬索桥。为了探索自锚式斜拉－悬索协作体系桥的整体结构性能，有必要进行全桥模型试验。设计团队以大连湾跨海大桥推荐方案为原型，制作了1/100的试验模型。

图1 大连湾跨海大桥模型

庄河建设大桥

2005年，该设计团队设计了世界首座混凝土自锚式斜拉－悬索协作体系桥──大连庄河建设大桥，该桥是一座混凝土自锚式斜拉-悬索协作体系桥。

图2 庄河建设大桥

大桥的跨径布置为45m+110m+45m，主梁为混凝土实心边主梁，梁宽28.6m，梁中心高度为2.17m，设有双向1.5%的横坡，桥面板厚度30cm。索塔采用实心截面，由工字形过渡到矩形，外形尺寸为2mx4m。

图3 主梁断面图（单位：cm）

图4 主塔构造图（单位：cm）

自锚式斜拉-悬吊组合体系充分结合了斜拉桥和悬索桥的优点，就协作体系和悬索桥两个方案比较，大大减少了修建庞大锚碇的困难和投资；在静力性能方面，由于斜拉桥具有比悬索桥更大的刚度，因而协作体系跨中活载和挠度皆比悬索桥小，只是塔根恒载弯矩和主梁活载弯矩较大一些；在动力性能方面，由于斜拉桥比悬索桥的风稳性大很多，因而协作体系的一阶扭转频率比悬索桥提高30%左右，具有更强的抗风能力。

在设计自锚式斜拉—悬吊组合体系桥的过程中，还需注意：主梁斜拉段和悬索段的刚度平顺过渡、交叉吊索的疲劳性能、合理成桥状态等。本设计团队也对这些关键问题进行了深入的研究，并取得了一定的成果。

大藤峡坝下交通桥桥群

大藤峡坝下交通桥工程位于大藤峡水利枢纽工程大坝坝址下游约1.9km处，线路走向与枢纽大坝的坝轴线基本平行，主线在西南与右岸上坝公路相接，向东北跨越黔江航道和船闸下游引航道，并与左岸上坝公路相连。另外，在黔江与引航道之间，设置连接线与进厂公路相连。主线上有两座主桥：黔江航道主桥为变截面连续刚构桥，跨度布置为85+150+85=320m；引航道主桥为拱梁组合体系的系杆提篮拱桥，跨度布置为55+230+55=340m；其余位置为基本跨径40m的连续梁或简支梁桥。道路等级为二级公路，主线设计车速40km/h，进厂公路接线（A线、B线）设计时速30km/h，设计荷载为公路I级，并参照《厂矿道路设计规范》中汽-60车队验算。图5为桥群航拍图。坝下交通桥建成后，有效缩短了左右岸通行时间，由原来的40分钟缩短为5分钟。

图5 大藤峡桥群航拍图

引航道主桥

引航道主桥采用（55+230+55）m跨径布置的钢箱拱提篮系杆拱与“梁”组合体系桥，其特点为纵桥向在系杆拱桥的大、小里程两侧各设置一跨梁桥作为边跨，该体系优点在于极大限制了拱脚处梁体转角和位移，增加了结构刚度，提高了行车舒适性。当重载的运渣车过桥时，桥面平稳，未见异常振动发生。

拱轴线采用二次抛物线，矢跨比1:5。拱肋采用矩形钢箱截面，截面宽1.8m，拱脚处截面高5m，拱顶处截面高3.5m。混凝土箱梁为单箱单室断面，顶板宽度12m，底板宽度8.5m。

小半径大跨度预应力混凝土箱梁

A线第四联桥（A6-A9）设计轴线基本位于圆曲线上，曲线半径60m，跨径布置为3×40m，属于典型的小半径大跨度预应力混凝土弯梁桥，结构弯扭耦合效应十分明显，受力复杂，设计难度较大。为确保结构安全，在我校桥隧工程实验室进行了1/6缩尺模型试验，结合理论计算及模型试验，得出下述结论：

1.温度变化对结构受力和变形的影响较大，随着温度升高，外侧支反力增大，内侧支反力减小，内侧支座有脱空的可能，梁体倾覆风险增大；且温度作用下，梁体同时发生了径向位移和切向位移。

2.即使在对称荷载作用下，主梁呈现明显的弯扭耦合效应。具体表现为：外侧支座支反力大于内侧支座支反力，内侧会出现负反力，梁体外侧挠度大于内侧挠度。

3.跨中设置隔板有利于支座支反力的均匀分配，减弱梁体的扭转效应，两端的支座脱空趋势得到缓解，各主要断面的内外挠度也更为均衡，设置隔板使梁体有更好的整体变形能力。

4.针对弯桥的弯扭耦合效应，配置顶底板的横向预应力钢筋和腹板的竖向预应力钢筋，可使结构受力性能得到改善；纵向预应力钢筋不宜配置过多，否则会使内侧支座产生较大的负反力。

5.有限元理论计算的支反力、挠度和应变值与试验实测值都比较接近，说明有限元计算模型准确可行，满足工程精度要求，分析方法可靠；当不考虑偏载影响时，可采用单梁模型，当需要考虑偏载影响或计算横向分布规律时，可采用梁格模型或实体模型。

经过模型试验及相关理论计算，对A线第四联桥（A6-A9）约束体系进行优化调整。基于对曲线梁桥温度变形特点的认识，本设计采用了一种弯梁桥的销轴式约束体系形式，销轴式约束体系布置形式如图6所示。

图6 弯梁桥销轴式约束体系布置图

销轴式约束体系梁端处销轴可放松平面转角及切向位移。端部单向支座要求厂家制作时径向留有小量位移空间。同时采用梳齿板伸缩缝，可允许梁端有一定转角。

大跨度玻璃吊桥的设计

近年来，玻璃吊桥工程在景区成为一种吸引游客消费的手段，大量玻璃吊桥随之建设。本文以张家口尚义县大青山森林公园内主跨445米的玻璃吊桥为工程背景，介绍该种桥型的结构设计情况及设计关键。

该桥在满足基本功能的同时，还应注重景观效果。经过多轮方案比选，最终确定本桥的桥型结构为地锚式悬索桥。

桥梁总体方案

该桥采用单跨地锚式钢桁架悬索桥结构形式，结构轻盈、桥形美观。跨径为445m，矢跨比为1/11.87，有效通行宽度2.4m。主梁采用钢桁架结构，桥面采用玻璃铺装。索塔为钢筋混凝土结构。全桥设有65对竖向吊杆，顺桥向吊杆间距为6.66m，横桥向吊杆间距为3.6m。桥梁两侧设置风缆。方案总体布置如图7。

图7 大青山玻璃吊桥总体布置图（单位：cm)

设计关键技术

1.总体布置及基础类型

桥位处地形为峡谷；为体现吊桥跨越效果，采用大跨跨过峡谷，结构形式采用单跨简支模式，两个桥塔分别布置在峡谷两侧山脊处。由于两岸地形高差较大，主梁加劲梁设单向3.7%纵坡，北岸主梁顶面较南岸高16.465m。

索塔采用钢筋混凝土门式塔，塔柱横向内倾，中间设两道交叉横撑。桥塔处地质中风化玄武岩层，岩层性质好，且埋藏浅，桥塔采用扩大基础形式。

锚碇位于山坡处，山坡的走向与边跨缆索一致，锚碇处强风化玄武岩埋深浅，承载力较高、稳定性好，采用重力式锚碇。

2.结构防腐方面

主缆、塔柱、锚碇及钢桁梁采用常规做法防腐，并着重栏杆及风缆缆索的防腐做法。

栏杆采用不锈钢栏杆，不锈钢材质避免了桥梁养护阶段栏杆涂漆，可以保护玻璃桥面免受涂漆过程的污染破坏。另外不锈钢材质栏杆比较光亮，增强了玻璃吊桥的景观效果。

风缆缆索采用高帆镀层索，高帆镀层索是国内新型的预应力拉索，索体采用单捻股钢丝绳，它是以一根圆钢丝为中心，在其外面以螺旋形状包捻一层或多层的圆钢丝，每根钢丝的表面均采用5%铝混合稀土合金镀层，防腐性能优，其抗腐蚀性能是普通镀锌层的2-3倍。

3.结构风振控制

桥梁跨度445m，加劲梁宽度3.6m，加劲梁宽跨比1/123,远远小于1/60。抗风稳定性尤为突出。通过以下几方面技术措施增加结构横向刚度和抗扭转刚度、提高结构抗风稳定性：

(1)为了提高大跨悬索桥抗风稳定性，增加抗风缆索最为经济和简单。该桥设置了风缆系统，且风缆索力张拉数值较大。风缆采用高帆钢丝索，索力松弛较一般钢丝绳要小很多，可有效保证风缆索力发挥作用。

(2)在主跨中央主梁和加劲肋之间设置中央扣，可提高结构非对称竖向振动、横向振动和扭转振动的频率，进而提高颤振稳定性。

(3)加劲肋采用横向刚度和扭转刚度尚可的桁架结构形式，抗风通透性较好。

4.玻璃铺装

桥面采用经过均质处理的钢化夹层玻璃，共设置3层厚15mm的钢化玻璃，层间填1.14mm胶片，以保障玻璃桥面遭受意外冲击时行人的安全。玻璃正式生产前选取符合该桥要求的尺寸及规格的铺装玻璃进行承载力试验，要求承载能力不低于20kN/m3。玻璃与钢结构之间、玻璃与玻璃之间都设置橡胶垫块，并用硅酮密封胶密封，保证玻璃不会由于加劲梁变形而发生挤压破坏。

装配式桥墩的研究与应用

试验研究

桥梁的预制装配化施工不但可以提高施工质量、缩短工期、节省人力、降低成本，还可以降低施工对环境、交通等影响。桥墩作为桥梁抗震的主要受力构件，其抗震性能决定了桥梁的抗震能力，而预制构件之间、预制构件与现浇构件之间的连接可靠性，对于桥梁抗震性能至关重要。因此，开展预制桥墩拼接构造、施工工艺和受力性能的研究，对于保证桥梁工程安全和建设质量非常必要。为此，笔者所在学校的桥隧工程实验室进行了大比例桥墩模型试验，对装配式桥墩的拼装构造、预制拼装工艺以及受力性能进行了研究，以确定合理的桥墩拼接方式，在保证桥墩静力承载力、抗震能力、耐久性、施工质量的同时，满足工艺简单、施工高效的要求。

图8 桥墩试验研究试件

装配式桥墩研究试件如图8所示，包括墩柱和基础两部分，采用C40混凝土制作，配置钢筋为HRB400。墩柱按照原型桥墩1:3缩尺设计，截面尺寸为500mm×640mm，高度为2200mm。为了研究不同连接方式对桥墩受力影响和施工工艺的要求，制作了A、B、C、D四组试件，每组试件制作3个。A、B组为现浇桥墩，即墩柱在基础上直接浇筑；C、D组为预制装配式桥墩，即墩柱与基础分别制作，墩柱底部预留一定长度钢筋，插入基础预留孔并灌浆连接。各组墩柱的箍筋构造相同，箍筋直径为14mm，间距为100mm，配箍率为1.60%；A组墩柱配置12根Φ20纵筋，配筋率为1.18%；其余各组墩柱配置8根Φ25纵筋，纵筋率为1.23%。C组墩柱的预留钢筋与基础采用钢套筒灌浆连接，墩底预留纵筋长度195mm，钢套筒长度为400mm，外径为56mm，壁厚7.5mm；D组墩柱与基础采用金属波纹管灌浆连接，墩底预留纵筋长度 800mm，金属波纹管预埋长度为900mm；管径采用50mm、60mm、70mm三种，以研究波纹管直径大小对拼装性能的影响。钢套筒和波纹管内的灌浆料强度为85MPa；墩柱与基础拼接时，二者之间设置10mm厚度座浆料，强度不低于40MPa。

图9 桥墩抗震性能试验

桥墩试件的力学性能研究利用拟静力试验完成，如图9所示，利用竖向伺服千斤顶对墩柱施加一恒定竖向压力，用于模拟上部结构自重产生的墩顶压力，利用水平作动器对墩顶施加反复强迫位移，强迫位移分级逐步增大，每级位移反复施加3次。试验过程中，利用传感器测量墩顶所受水平力、墩身的水平位移、剪切位移以及曲率，观测并记录桥墩开裂、损伤、破坏情况。经过对试验结果进行分析，获得了桥墩的屈服荷载、极限荷载、极限位移、位移延性系数、残余变形、累计耗能、破坏形态等抗震性能，部分结果见下表。

为了验证连接的可靠性，还制作了钢筋钢套筒灌浆连接试件和钢筋波纹管灌浆连接试件，利用万能试验机和千斤顶进行了拉伸和拉拔试验，如图10所示。试验结果表明，两种钢筋连接方式均是可靠的，钢筋断裂前均未发生钢筋与灌浆料之间的粘结破坏。

图10 钢套筒和波纹管连接性能试验

通过对桥墩试件的力学性能试验研究，为装配式桥墩的设计提供了以下建议：

1.钢套筒和金属波纹管灌浆连接方式可靠，能够满足钢筋等强度连接需要；采用这两种连接方式的装配式桥墩能够保证拼装接头的强度可靠，能达到与现浇桥墩相当的抗弯承载力。

2.相比现浇式桥墩，装配式桥墩的墩顶水平极限位移和延性系数变小，残余位移变大，但相差不大；对于装配式桥墩，采用钢套筒连接的桥墩比采用金属波纹管连接的桥墩的延性稍好，耗能能力稍强，二者残余位移接近。

3.对于金属波纹管连接的装配式桥墩，当波纹管直径大于两倍钢筋直径时，波纹管直径大小对桥墩抗震性能没有显著影响。

4.桥墩的纵向钢筋直径变大，可以延缓纵筋屈曲，提高位移延性，减小残余位移，提高耗能能力。

5.在桥墩到达极限位移时，装配式桥墩的墩柱与基础在交界面处会产生的水平滑移量比现浇式桥墩大；现浇式桥墩的墩底严重破坏范围大于装配式桥墩，具有更大的塑性铰长度。

6.根据研究结果，当采用《公路桥梁抗震细则》规定的塑性铰长度计算装配式桥墩容许位移时，计算结果应进行折减，建议折减系数取值0.85。

另外，由于装配式桥墩拼接接头的施工质量直接影响桥墩的抗震性能和耐久性，通过在试验中对桥墩制作、预制、拼装等施工工艺的研究，对装配式桥墩在施工中的预留钢筋和预留孔定位、拼装接头界面处理、界面座浆施工、孔道压浆、养护以及接缝密封等提出了具体要求和建议。

工程应用

图11 沈阳中央大街跨浑河桥梁工程

中央大街跨浑河桥梁工程长1710m，桥面设计为机动车双向六车道，北侧连接铁西区中央南大街，跨越浑河后南侧与规划的中央大街南延长线相接。本工程上部结构和部分桥墩采用预制装配式方法施工，上部结构为3×30m先简支后连续预应力混凝土小箱梁，下部结构桥墩为双柱式盖梁结构（如图11）。基于笔者的设计团队对装配式桥墩受力性能和施工工艺的研究建议，沈阳市中央大街跨浑河桥梁工程部分桥墩的墩柱和盖梁采用了预制装配式施工。考虑到波纹管连接简单、成本低，且对预留钢筋和预留孔定位施工精度要求低，该项目的墩柱与基础之间、墩柱与盖梁之间采用了金属波纹管灌浆连接方式，如图12所示。该桥于2018年9月30日建成通车，是沈阳乃至东北首个采用金属波纹管连接方式装配施工的桥梁工程，装配式预制墩柱达到48个，装配式预制盖梁24个。

图12 沈阳中央大街跨浑河桥梁的预制桥墩装配施工

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2020年第5期总第97期

作者 / 张哲王会利李冬

作者单位 / 大连理工大学

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 陈晖

审校 / 裴小吟廖玲

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