大跨度公鐵合建三塔懸索橋方案設計及關鍵技術研究

劉清江

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

公鐵合建橋不僅能夠共用橋位，充分合理地利用土地、河流和空間，與分別建橋相比，還減少了基礎工程，而橋梁在跨越大江大河時，深水基礎造價幾乎要占全橋造價的40%，加之公路、鐵路橋梁構造的優勢互補性將使公鐵合建橋的材料用量遠小于相應的2座獨立橋梁之和。綜合以上因素，建造公鐵合建橋可節省材料和施工費用，具有很好的經濟性［1－2］。

甌江北口大橋位于溫州市甌江出海口，目前為工程預可行性研究階段，主要對公鐵合建方案進行研究，擬定主橋采用三塔鋼桁梁懸索橋，布置雙層橋面，主梁跨度布置形式為52 m＋800 m＋800 m＋52 m。橋型布置圖見圖1。

圖1 52 m＋2×800 m＋52 m三塔懸索橋總體布置圖（尺寸單位：mm）

三塔懸索橋是在兩塔懸索橋主跨的中部多設一個主塔以減輕主纜和兩端錨碇受力的全新結構形式，雖然都是以懸索為承重結構的橋梁，但因為多了一個中塔和一個主跨，結構行為特征與普通兩塔懸索橋顯著不同［3］。中主塔在縱向只是一個通過鞍座支承主纜的豎向支點，主纜越過邊塔頂后經過一個主跨，再從中塔頂通過，主纜對中塔的約束作用遠小于常規的兩塔懸索橋主纜對邊塔的約束。

1 公鐵合建橋梁橋面布置形式

合理的公鐵合建橋面布置形式能有效減少結構重量、節約空間，同時改善橋梁的整體受力。該橋方案設計主要分析了以下3種橋面布置形式：①雙層橋面，鐵路在上層中間：主桁寬度43.6 m，梁高10.6 m；②雙層橋面，鐵路在下層中間：主桁寬度45.7 m，梁高11.3 m；③雙層橋面，鐵路在下層兩邊：主桁寬度46.8 m，梁高10.2 m。計算結果表明，3種橋面布置形式均能滿足結構受力要求，鐵路在下層中間時用鋼量最大，恒載總重也最大。鐵路在上層中間時橋面總寬最小，為43.6 m，鐵路在下層兩邊時橋面總寬最大（見表1），為46.8 m。綜合考慮方案經濟性、與引橋的銜接性，以及截面形式對全橋受力的影響，擬采用雙層橋面，鐵路在下層中間的橋面布置形式，見圖2。

表1 不同橋面布置形式重量表 k N·m

圖2 雙層橋面，鐵路在下層中間（單位：mm）

2 主塔設計

（1）中主塔。對于三塔懸索橋而言，中塔具有與傳統的兩塔懸索橋較大的區別，中塔在任何工況下，均要求保證主纜在中主鞍座間不發生相對滑移，否則會造成整個體系的破壞［4］。然而中塔兩側均是主纜的柔性約束，在活載非對稱作用下，若中塔剛度較小，中塔頂兩側主纜不平衡水平力較小，主纜的抗滑移安全系數易于實現，但加載跨主纜垂度大，主梁的撓跨比較大，行車安全不易保證；如中塔剛度大，主梁的撓跨比易于滿足要求，但中塔頂主纜不平衡水平力大，可能因鞍槽與主纜股束間的摩擦力不足而造成滑移。根據全橋總體分析，中塔在順橋向的結構剛度，應是既有恰當的可撓曲性，又有足夠的抗彎剛度。因此，與傳統的橋塔不同，三塔懸索橋的中塔一般采用鋼塔，亦可考慮鋼混組合塔。

（2）邊主塔。邊主塔采用門式混凝土塔，塔柱高145 m。塔柱間設2道橫系梁，塔柱采用帶有倒角的箱形斷面，縱向寬9～13 m，下塔柱橫向底寬9 m，壁厚1.4 m，上塔柱橫向頂寬6.0 m，壁厚1.2 m。塔柱采用鋼筋混凝土結構，橫梁采用預應力混凝土結構，邊主塔采用C50混凝土。

3 主塔基礎設計

（1）中塔基礎。中塔墩位處地質較差，水深較深，中塔活載作用下的彎矩較大，最合適的中塔基礎形式為沉井基礎，沉井總高度70.0 m，共設置15個隔倉。沉井基礎計算結果表明，基礎最大偏心距為3.695 m，抗傾覆穩定系數為4.723，抗滑穩定系數為29.052，均滿足相關規范要求。

（2）樂清側邊塔基礎。考慮樂清側北邊塔基礎為船廠的廢樁區，沉井基礎下沉困難，故采用群樁基礎。橋塔基礎采用42根直徑280 c m鉆孔灌注柱樁基礎，樁長66 m。按照最不利工況計算，樁長為66 m，要求樁基最小嵌巖深度為9 m。

（3）靈昆側邊塔基礎。靈昆側南邊塔基礎所處位置地質較差，采用沉井基礎是相對經濟的方案，沉井總高度70.0 m，共設置10個隔倉。

4 錨碇基礎設計

（1）靈昆側錨碇基礎。靈昆島側錨碇采用沉井基礎，沉井標準斷面（除底節外）縱向長度72.8 m，橫向寬度66.8 m，底標高－61.5 m，進入卵石層1.5 m，埋深61 m。底節縱向長度73.2 m，橫向寬度67.2 m，高度10 m，為鋼筋混凝土外包鋼殼結構。

（2）樂清側錨碇基礎。主橋樂清側錨碇位于龍蛇山山坡上，基于錨錠區的地質條件，樂清側錨碇分別采用重力錨、隧道錨和及復合式錨（錨桿＋隧道錨）3種方案比選，復合式隧道錨基坑開挖深

圖3 中塔剛度對塔頂位移的影響

圖3 、圖4結果表明，隨著中塔縱向剛度的增加，中塔塔頂縱向位移大幅減小，特別是當中塔剛度增加1倍時，中塔頂位移減少1倍左右，而隨著中塔剛度的逐漸增大，下降的趨勢變緩。邊塔縱向位移隨中塔剛度的增加呈增大趨勢，當剛度由原剛度增加到8倍時，位移增幅約為15.4%。中塔頂縱向水平力變化范圍較大，增加約55%，在倍數λ較小區域增幅較快，隨著λ增加到一定值，增速變緩；而邊塔的水平力變化范圍較小，增加度變淺，且開挖方量小，只有3.5萬m3，錨塞體長度變為35 m，錨索長度為20 m，施工難度相對較小。綜合考慮技術可靠性、施工難度、工程造價等，樂清側錨碇采用復合式隧道錨形式。

5 三塔懸索橋關鍵技術研究

5.1 中塔剛度對三塔懸索橋位移和內力的影響

中塔初始抗彎剛度為K1，為了突出中塔剛度對結構受力的影響，保證其他參數不變，中塔縱向剛度以倍數λ計，采用大型有限元軟件對全橋進行靜力分析，在活載作用下，邊塔、中塔縱向位移及水平力結果見圖3、圖4。15%左右。

圖4 中塔剛度對塔頂水平力的影響

結果表明，隨著中塔縱向剛度的增加，全橋豎向剛度逐漸增大，而隨著中塔剛度越來越大，主梁剛度增速變緩。由此可知，增加中塔剛度可有效改善全橋豎向剛度。

5.2 矢跨比對懸索橋受力的影響

保持孔跨不變，通過修改主纜矢高，研究矢跨比對結構靜力的影響，結果見表2。

表2 撓跨比及主纜抗滑移安全系數的變化

由表2可見，隨著矢跨比的減小，主纜內力增大，最不利活載作用下，中塔頂兩側主纜內力更加均勻，主纜纜力差減小，盡管包角減小，主纜抗滑移安全系數仍然增大，但主梁豎向下撓也相應增大。因此，在中塔剛度不變的情況下，減小矢跨比，可以增大中塔主纜的抗滑移安全系數。同理可以認為，在矢高不變的情況下，增大主跨跨徑，可以取得增大中塔頂主纜抗滑移安全系數的目的，而且由于跨徑增大，同時有助于控制住主梁的撓跨比。

5.3 中塔高度對懸索橋受力的影響

普通兩塔懸索橋，兩塔高度一般是等高的，三塔懸索橋設計時中塔可以比邊塔高或者低，從全橋景觀性來考慮中塔高程略大于邊塔高程可增強橋梁的線形美觀。但是中、邊塔高度不同會導致結構線形的變化，對全橋的結構受力也會產生影響。隨著中塔高度的增大，中塔主纜抗滑移安全系數增大，但主梁豎向撓度也相應增大，中塔縱向位移增加，結構整體剛度降低。因此，進行中塔相對高度設計時，中塔不能比邊塔高太多。

中塔高度對塔頂位移及水平力的影響見圖5、圖6。

圖5 中塔高度對塔頂位移的影響

圖6 中塔高度對塔頂水平力的影響

由圖5、圖6可見，隨著中塔高度的逐漸增高將出現以下趨勢：

（1）中塔縱向位移都呈增大趨勢，增加約38%，中塔頂水平力逐漸減小，減小約25%，這就可以使得中塔彎矩和塔根彎矩大幅減小，對中塔和橋塔基礎受力有利。

（2）邊塔縱向位移變化很小，邊塔頂水平力也逐漸減小，減小約8%，影響不大。

由此可見，當為控制中塔底內力，在位移值允許的情況下可適當增加中塔高度。

6 結論

（1）應綜合考慮橋梁邊界條件進行公鐵合建橋梁橋面布置形式的選擇。

（2）三塔懸索橋的中塔在順橋向的結構剛度，應具有恰當的可撓曲性，又有足夠的抗彎剛度，一般可采用鋼塔，亦可考慮鋼混組合塔。

（3）應根據場地條件合理確定懸索橋基礎及錨碇形式。

（4）三塔懸索橋的邊塔頂受到邊纜的有效約束，邊塔自身剛度對結構整體剛度影響較小；而中塔受到主纜的縱向約束不足，中塔剛度對結構的整體剛度影響顯著。

（5）主纜矢跨比對結構剛度有影響，減小矢跨比可以有效增加結構整體剛度，但又會使主纜的抗滑安全系數變小。

（6）中塔加高，可以有效降低中塔底彎矩，但會使塔頂位移增大。

大跨度公鐵合建橋梁投資較大，應對結構設計的主要參數進行充分比選。中塔設計是三塔懸索橋的關鍵問題，在三塔懸索橋設計過程中，要將中塔剛度和高度控制在合理范圍內。

［1］ 孟凡超.懸索橋［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 嚴國敏，周世忠.現代懸索橋［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ 楊 進.泰州長江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設計的技術理念［J］.橋梁建設，2007（3）：37-39.

［4］ 萬田保，王忠斌，韓大章，等.泰州長江公路大橋三塔懸索橋中塔結構形式的選取［J］.世界橋梁，2008（1）：1-4.