我國公鐵兩用斜拉橋主塔與基礎方案選擇探討

孫俏

摘要：主塔與基礎方案的選擇是斜拉橋設計建造的關鍵。文章概述了公鐵兩用斜拉橋在跨徑、結構形式、工程材料、施工工藝、技術裝備等方面所取得的技術進步，開展了斜拉橋主塔設計、索塔錨固設計、索梁錨固設計、基礎設計等方面的方案比選，探討了各方案的特點，并對結構創新以及新材料的應用等方面進行了展望，可為我國鋼桁梁斜拉橋的技術應用提供參考。

關鍵詞：公鐵斜拉橋;大跨度;鋼桁梁;橋型方案;索塔錨固;基礎

中國分類號：U448.12+1文獻標識碼：A

0 引言

自21世紀初，主跨312 m蕪湖公鐵兩用長江大橋的成功建造，填補了國內公鐵兩用斜拉橋的建設空白，現有大跨度鐵路斜拉橋在國內的覆蓋范圍跨度為200～1 100 m，多數采用鋼桁梁及鋼混組合的混合梁斜拉橋。在建的滬通鐵路長江大橋跨度達1 092 m，是目前中國跨度最大的斜拉橋，也是世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋。相較混凝土斜拉橋，鋼箱梁斜拉橋或鋼桁梁斜拉橋由于主體梁采用鋼材料，鋼梁重量會更輕，隨著橋梁跨度的增大，這種重量的優勢就越明顯，正是憑借此優勢，鋼箱梁斜拉橋或鋼桁梁斜拉橋擁有更廣泛的應用范圍。隨著斜拉橋設計研究工作的深入和一大批型式各異的斜拉橋的建設，相關部門對斜拉橋橋塔形式、錨固體系、深水基礎等積累了大量的經驗，綜合考慮各種因素，構思采用新結構、新材料和新技術，選擇合理的橋塔和基礎類型方案，將有助于繼續推動我國斜拉橋的發展。

1 主塔設計

主塔是斜拉橋的標志性建筑，橋塔的造型不僅能突顯地方文化特色，也為橋本身賦予了文化的內涵，所以針對主塔的外形選擇既要考慮受力要求又要兼顧景觀的需要。目前公鐵兩用斜拉橋橋塔樣式主要有A型、倒Y型、H型和鉆石型等。

一種常見塔型是A型橋塔，A型橋塔的主要特點是塔身的索面傾斜度與其流線造型的結合較好，結構穩定、外觀大氣，受到了世界各國建造師的青睞，多用于斜拉橋的結構。倒Y型橋塔與A形橋塔不同，主要體現在塔柱的錨索區的結構，倒Y型橋塔將塔柱進行交叉合并，結構特點鮮明，直指長空，有較強的整體感，整體結構比例勻稱，造型大方得體。

H型塔是比較傳統的橋塔型式，應用范圍比較廣泛，造型簡潔，斜拉索在同一個平面內，簡化了錨固系統，斜拉索可以平面受力。另外H型塔生產、施工較便捷，在實際的鋼桁梁斜拉橋建設中普遍采用H型塔。

鉆石型塔橋的原型也是H型橋塔，通過將H型橋塔進行拉索受力等措施的合理折線演化，增加了索與塔身之間的立體效果，使橋塔的外觀更具視覺沖擊力。通過將斜拉索從平面到立體的轉變，極大地提高了橋身主梁的扭轉自振頻率，提升了顫振風速門限值，縮短上塔柱，從而使橋體的上橫梁縮短，向內收縮下梁柱，使橋體基礎設施尺寸減少，在基礎設施更方便搭設的同時，也減少了橋體的建設成本。

各塔型的優缺點及應用范例如表1所示。

2 錨固設計

2.1 索塔錨固設計

塔身主體拉索錨固位置的主要作用是將拉索的集中受力均勻分布至整個截面，并平穩地傳導至錨固區的下部塔柱，使其均勻受力。塔身拉索錨固部分的結構受主塔的構造與材料、拉索的布置形式、拉索的牽引和張拉方法等因素影響。在現實塔橋建設中應用范圍較廣、效果較明顯的索塔錨固設計主要為鋼錨梁、預應力齒塊錨和鋼錨箱等。錨固方式多采用拉索在錨固區斷開的非交錯式錨固結構。組合索塔錨固構造以鋼結構承擔拉索大部分水平拉力，以混凝土壁承擔豎向壓力，發揮材料各自優勢，其主要形式有鋼梁錨固和鋼錨箱錨固。

（1）預應力齒塊錨

環向預應力錨固方式主要應用于武漢天興洲公鐵兩用長江大橋主橋、合福鐵路銅陵長江大橋、寧安城際安慶長江大橋等大跨度鐵路斜拉橋中。其將空間索作為主要斜拉索錨固方式，將三索與空間塔壁進行錨固。由于水平分力作用明顯，使索塔側壁拉應力增加，從而使錨固面產生彎曲應力，受力情況較復雜。所以為了使塔橋結構更加穩定，提高塔柱抗裂安全和均勻分布塔柱、塔壁的承載力，應在錨固區加設環向水平應力。其具體預應力加設方式可按環形或井字形實施，環形布置應使用預應力鋼絞線材料，井字形布置應使用預應力高強鋼筋材料。

（2）鋼錨梁

對混凝土索塔鋼錨梁進行錨固操作，主要是鋼錨梁置于沿著橋方向混凝土索塔內壁的牛腿上，拉索錨固在鋼橫梁兩端的錨固件上，錨固件通過兩斜腹板將索力傳遞給鋼橫梁，水平力主要由鋼橫梁承受，豎向分力通過支座傳遞給牛腿進而傳給塔柱，如圖1所示。

鋼錨梁與混凝土墻壁之間的連接有剛性與非剛性兩種方式（如圖2所示）。針對錨固非剛性連接的鋼錨梁，主要是將鋼錨梁架設在塔壁內牛腿的橡膠直座上，然后利用鋼錨梁分擔斜拉索產生的水平方向力，利用牛腿將斜拉索的縱向分力分擔到混凝土塔壁。為了避免由于使用時間增加導致斜拉索斷索情況引起的主塔截面縱向不平衡水平力的發生，應采取在塔壁與鋼錨梁之間進行剛性加固連接，具體是通過鋼釘加固牛腿和鋼錨梁，達到混凝土塔壁和鋼錨梁同時分擔斜拉索的水平方向力的目的。

（3）鋼錨箱

鋼錨箱結構的優點與鋼錨梁類似，如鋼錨箱可承受大部分甚至全部斜拉索水平力，易于檢測維護，鋼結構力學性能較為可靠，工廠加工錨箱施工質量容易保證等。與鋼錨梁不同的是，鋼錨箱側板位于拉索兩側，與橫隔板形成一個張拉平臺，便于施工。另外，鋼錨箱通常上下連接，使錨固點定位更加精確，同時也分擔了鋼索大部分水平分力。

針對索塔錨固的三種形式的受力機理、對塔柱的受力影響、安裝難易程度、對施工的要求等方面進行了比選，如表2所示。

與鋼錨梁、鋼錨箱相比，預應力齒塊錨具有構造簡單，造價低，后期維護工作量小等優點。但也有施工質量和精度很難控制的缺點，主要是因為環向預應力錨固方式的全部工序需要現場高空作業，錨墊板的角度及預應力管道定位控制較難，還需要多次張拉預應力，高空澆筑混凝土錨固構造也有一定難度，并且施工完成后不可檢查和更換。

2.2 索梁錨固設計

鋼桁梁斜拉橋索梁錨固結構分為：錨管式、錨箱式和錨拉板式。

（1）錨箱式

錨箱式連接主要由承壓板、錨墊板、加勁板和錨固板組成，是一種在弦桿腹板外掛設鋼錨箱在鋼桁梁上的錨固方法。其將鋼錨箱同主梁腹板通過腹板與錨固板二者間的焊縫進行連接，在錨墊板上固定斜拉索。為了更好地解決承壓板抗彎性不好的問題及厚鋼板不容易焊接的問題，需采用薄承壓板與厚錨墊板進行焊接，通過調整錨固板和承壓板之間的角度來改變斜拉索的角度。梁式錨箱斜拉索相對短，橫向相對長，如圖3所示。柱式錨箱斜拉索相對長，橫向相對短，如圖4所示。目前國內使用較多的主要是鋼錨箱，且以柱式錨箱最為常見。

（2）錨管式

在錨固位置將腹板同錨管進行焊接即錨管式連接。將拉索錨固在錨固端部的承壓板上，并通過楔形承壓板的變化調節不同斜拉索的橫向傾角。

（3）錨拉板式

與鋼錨箱的索梁錨固形式相比，錨拉板傳力途徑明確，傳力由斜拉索-承壓板-錨管-錨拉板-主桁，構造簡單、施工方便，通過在橋面以上一定高度，設置雙面坡口，將頂板與錨拉板對接熔透焊接。寧安城際安慶橋即采用此方法。此方法操作簡單，且不影響鋼桁梁的組裝，焊接位于橋面以上，操作空間充足，同時對接熔透焊與母材等強，對結構的受力影響小，整個結構在橋面以上，維修方便，目前在斜拉橋索梁錨固構造中得到了越來越多的應用。

3 基礎設計

斜拉橋橋塔基礎一般采用沉井和樁基礎。我國大跨度鋼桁梁斜拉橋基礎匯總如下頁表3所示。

沉井基礎作為一項傳統的基礎形式，具有施工便捷、承載能力強等優點，在南京、九江、枝江、江陰長江大橋等大型橋梁基礎中得到了成功運用。隨著建設的發展，沉井尺寸和長度不斷發展，五峰山公鐵兩用長江大橋北錨碇尺寸為100.7×72.1 m，為目前最大的沉井基礎，滬通公鐵兩用長江大橋沉井長度達115 m。沉井尺寸和長度加深，使得沉井結構覆蓋的地基土特性差異越發明顯，沉井結構同步下沉施工難度急劇增大，在泰州長江大橋、南京長江四橋、馬鞍山長江大橋、滬通長江大橋和五峰山公鐵兩用長江大橋的沉井施工過程中都出現了風險和問題。因此，必須對平面超大型沉井施工現場監測與控制關鍵技術進行研究。

4 新材料、新結構和新工藝

滬通、天興洲、銅陵、安慶等長江大橋通過利用新型的三片主桁的空間桁架構造減少主桁桿件的尺寸和內力，從而達到方便吊裝、運輸和生產的目的。滬通鐵路長江大橋主梁運營狀態下最大軸力達7.5萬t，主梁需要較大的截面承受軸壓力，因此采用了新型箱桁組合結構，在打破傳統橋梁跨度受制于鋼梁桿件設計、生產困難的束縛后，使加勁梁橫斷面受力面有效增加，將和高強鋼絲索和Q500 qE高性能鋼應用于滬通鐵路長江大橋上，實現了高載荷、大跨度鐵路橋梁的技術要求。

南京大勝關長江大橋率先使用了正交異性板整體鋼橋面技術，引起了許多大跨度斜拉橋的爭相采用。通過科研機構成功研發出了伸縮量在800～1 200 mm之間的梁端伸縮裝置和橋梁軌道溫度調節器、2 000 kN的流體阻尼器、2 000 t的大位移支座和400 kN的磁流變液阻尼器等，并成功投產使用。鄭州黃河公鐵兩用大橋、武漢天興洲長江大橋、銅陵長江大橋分別采用了鋼桁梁頂推法、鋼梁整節段架設、鋼梁桁片整體安裝等新工藝。

滬通鐵路長江大橋主塔采用造價省整體性優的沉井基礎，主塔沉井基礎采用鋼-混凝土組合結構，平面尺寸為86.9 m×58.7 m，高115 m，是世界上規模最大的深水沉井基礎。主橋沉井首次采用巨型鋼沉井整體制造、出塢、浮運技術;首次采用“大直徑鋼管樁+混凝土重力錨”的新型錨泊定位系統及液壓千斤頂多向同步快速定位技術;并通過海床式靜力觸探（CPT）系統探測儀，探測超100 m水深下地基土性質，準確地反映出基底浮土厚度及原狀土性質。通過基底處聲吶成像對比，結合現場實測高程數據，直觀反映出基底地形。

越來越多的新技術、新材料、新工藝、新設備、新結構的相繼應用，使我國建設公鐵兩用斜拉橋的水平得到很大提升，有效推動了斜拉橋的技術革新。

5 結語

由于橋位資源有限，跨越大江大河的橋梁除跨度大以外，往往同時搭載多線鐵路或公路，使得結構恒載、活載重量均很大，例如南京大勝關長江大橋為四線鐵路加兩線輕軌;武漢天興洲長江大橋、銅陵公鐵兩用長江大橋均為四線鐵路荷載加六車道公路荷載，是目前世界上設計荷載最大的橋梁之一。

斜拉橋與懸索橋相比可有效降低橋梁工程造價。但隨著跨度的增加，斜拉橋的橋面重量會隨之增加，增加材料成本，也會減少斜拉橋的跨越能力，所以，通過有效手段減輕梁重成為首要目標。為此，主桁與正交異性鋼橋面板結合共同承載技術可完美解決以上問題，將此技術應用到鐵路、公路橋面，使橋面重量大大減少，使受力更加合理有效，提高了大型主桁桿件的選材、生產、裝配的效率。

隨著大數據、智能化、裝配化、云計算、BIM技術等技術的發展，將其引入大跨度公鐵斜拉橋的設計、施工、監測、養護和維修過程中，有助于推動斜拉橋的建設向自動化和智能化邁進，實現精細化建造和維護，提高公鐵兩用斜拉橋整體水平。

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