某新建雙塔單跨鋼箱梁懸索橋結構設計與施工技術創新研究

摘要 文章探討了某大跨度鋼箱梁懸索橋的設計創新與技術應用，重點分析了氣動性能、結構穩定性、耐久性等方面的提升。首先，設計采用扁平流線形鋼箱梁、非對稱門形塔結構、重力式異形錨碇及新型材料，優化了受力分布、抗風性及抗腐蝕能力；然后，通過非線性結構分析，驗證了橋梁的剛度與強度，確保了其在各種荷載條件下的安全性。研究結果表明，本橋設計在氣動性能、結構與施工技術創新、材料優化等方面具有顯著優勢，減少了維護成本和周期。

關鍵詞 懸索橋；鋼箱梁；結構設計；施工技術創新

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0105-03

0 引言

隨著交通網絡的不斷發展，大跨度懸索橋因其優越的結構優勢，成為跨越復雜地形和大范圍水域的理想選擇。近年來，懸索橋的氣動性能、結構穩定性和耐久性不斷提升，推動了橋梁設計與施工技術的創新。案例橋梁設計采用扁平流線形鋼箱梁、非對稱門形塔結構、重力式異形錨碇和新型材料，顯著提升了橋梁的氣動性能、受力分布及抗腐蝕能力，同時降低了維護成本和周期。該文將探討本橋的設計理念與創新技術，并與國內外類似橋梁進行對比，旨在為未來大跨度橋梁的設計與建設提供借鑒和參考。

1 橋梁概況與設計

1.1 總體布置

某大橋采用單跨鋼箱梁懸索橋結構，主橋跨徑為1 490 m，主纜垂跨比為1/9，優化了橋梁的穩定性與受力分布；邊跨長度為388 m，邊中跨比0.33，有助于減小結構復雜性并平衡受力；加勁梁寬31.6 m，配有風嘴結構以減少風力影響；兩主纜間距為26.9 m，確保受力均勻；吊索縱向間距為18 m，合理的吊索布局保證了橋梁的承載力與安全性。此外，橋梁跨中設置了縱向柔性的中央扣索，增強了抗風性和適應性。

加勁梁采用單跨雙鉸簡支支撐體系，以減少荷載引起的內力積累與彎曲變形。加勁梁的支撐通過橋塔下方的橫梁和上下游的豎向支座完成，確保豎向荷載的穩定承載。總體設計考慮了橋梁的承載能力、抗風性和結構穩定性，以及合理的設計參數，如主纜垂跨比、跨徑比及吊索間距，確保了橋梁的安全性和經濟性，同時提升了橋梁在復雜環境下的適應能力。該橋施工現場見圖1所示：

1.2 主橋結構設計

主橋采用扁平流線形鋼箱梁和澆筑式瀝青混凝土增強結構的氣動性能和顫振閾值。橋塔為門形塔結構，根據地形使用不等高設計，并建有大直徑樁基礎。錨碇采用重力式異形結構，配合無黏結鍍鋅鋼絞線以適應多樣的地質條件。纜索系統使用高強度鋼絲索股，并通過膩子、纏繞和涂漆進行保護[1]。整體設計注重橋梁的空氣動力學性能、結構穩定性、環境適應性，以及施工過程中的環保性。詳細結構設計如表1所示。

1.3 本橋與國內外橋梁結構對比分析

主橋結構設計高度重視創新工程技術和環境適應性，尤其在氣動性能和結構穩定性方面。為此，該文對本橋創新設計與國內外結構進行了對比分析，如表2所示。

從表2分析可以看出，本橋主橋結構設計的優點如下所示：

（1）氣動性能與結構創新

本橋梁采用的扁平流線形鋼箱梁有效降低了風阻，減少了顫振現象，提高了結構的穩定性和安全性。非對稱門形塔結構不僅提供了良好的視覺效果，而且通過不等高設計優化了受力分布，與其他常規雙塔設計的橋梁相比，具有更高的結構穩定性。

（2）環境適應性與材料優化

在材料選擇和環保設計方面，本橋梁采用了無黏結鍍鋅鋼絞線和油脂防腐技術，顯著提高了耐久性并減少了維護需求。與需要頻繁對抗海洋腐蝕影響的金門橋相比，本橋的設計減輕了維護負擔；同時，使用的高強度鋼絲和現代化保護措施，也提高了橋梁的使用壽命并降低了維護成本。

2 橋梁結構靜力計算

在懸索橋的建設中，使用非線性分析軟件如ANSYS進行模擬十分關鍵。這類軟件能夠模擬主纜、吊索、橋塔和加勁梁等結構組件的物理行為，準確預測橋梁的性能。主纜采用分段懸鏈線元素進行模擬，精確反映其受力后的形狀和力學行為，以優化設計，提高結構安全性和可靠性。吊索則使用索單元進行模擬，其精確建模確保橋面荷載均勻分配，維持橋梁的結構平衡和穩定。

橋塔和加勁梁的模擬采用梁單元，橋塔在塔底的固結設置使其能夠穩定支撐主纜并有效傳遞負載至地基[2]。加勁梁的運動約束設置允許有一定的靈活性，以適應溫度變化、風載等動態效應，同時保持結構的完整性。整個模擬的邊界約束條件設置，確保模型能夠真實反映結構在實際工程環境中的行為和性能，從而使得懸索橋設計更加科學和合理。模型圖如圖2所示：

2.1 結構剛度

加勁梁是懸索橋的核心結構部分，承擔橋面荷載并幫助分散來自主纜的負載。根據《公路懸索橋設計規范》（JTGT D65-05—2015），加勁梁需具備足夠的剛度和穩定性，以應對車道荷載和橫向風荷載等不同的荷載條件。在車道荷載作用下，加勁梁表現出的最大上拱量為1.899 m，最大下撓量為3.579 m，撓跨比為1/485，遠小于規范要求的1/250，顯示了其高垂直剛度[3]，確保了橋梁在垂直載荷下的穩定性和安全性。

在橫向風荷載的影響下，加勁梁的最大橫向位移為7.539 m，對應跨度比為1/237，符合設計規范中要求的橫向剛度比不大于1/150的要求。這表明，即使在極端風力條件下，橋梁仍能保持整體性和服務性能，避免結構損傷或安全隱患。

2.2 結構強度

在懸索橋設計中，結構的安全性和性能通過一系列的荷載分析進行保證，其中包括恒載、活載、風荷載等多種荷載作用下的結構響應。對于懸索橋的各個關鍵部件，如主纜、吊索、加勁梁和橋塔等，需要對其承載能力、應力分布和安全系數進行全面的計算和驗證。

首先，在恒載條件下，主纜的軸力為355 314 kN，而最不利荷載組合下的主纜最大軸力為383 874 kN。根據極限狀態法的計算，主纜鋼絲的最大應力設計值為1 008.6 MPa。與主纜鋼絲的抗拉強度設計值1 098.6 MPa相比，最大應力設計值小于抗拉強度設計值，表明主纜在恒載和最不利荷載組合下的受力情況完全符合規范要求。

除主纜的受力分析外，吊索的性能評估同樣重要。恒載狀態下，吊索的最大軸力為2 405 kN，最不利荷載組合下的吊索最大軸力為2 622 kN。根據極限狀態法計算，吊索鋼絲的最大應力設計值為599.9 MPa，而吊索鋼絲的抗拉強度設計值為804.5 MPa。通過對比最大應力與抗拉強度[4]，吊索鋼絲的強度同樣滿足設計要求。即使在最不利的荷載條件下，吊索仍能夠保持足夠的承載能力。

在分析加勁梁的受力狀態時，首先需要考慮恒載和活載的共同作用。恒載作用下，加勁梁的最大彎矩為60 043 kN·m，而負彎矩為41 231 kN·m。活載作用下的彎矩則可能更加復雜，通常需要結合不同工況下的荷載分布進行綜合分析。在橫向極限風荷載作用下，加勁梁的最大橫向彎矩為557 071 kN·m，表明風荷載對加勁梁的影響較為顯著，尤其在設計風速條件下，結構需要具備足夠的橫向承載力。根據最不利荷載組合下的應力分析，加勁梁的豎向最大拉應力為99.8 MPa，最大壓應力為74.4 MPa；橫向的最大拉應力為137 MPa，最大壓應力為140 MPa；這些應力數值均低于加勁梁鋼材的設計強度，表明加勁梁的設計能夠承受這些荷載作用，確保橋梁的結構安全。無論是豎向還是橫向的應力，都在規范允許的范圍內。

橋塔作為懸索橋的重要支撐結構，其受力情況對橋梁的整體穩定性至關重要。恒載作用下，單塔柱塔根的軸力為712 542 kN，而最不利荷載組合下的塔根縱向彎矩為974 339 kN·m，橫向彎矩為1 256 920 kN·m。根據極限狀態法計算，橋塔的截面承載力和裂縫寬度均滿足規范要求，這表明橋塔能夠承受來自橋面、主纜及其他外部荷載的作用，并且在設計荷載范圍內，橋塔不會出現過大的裂縫或失穩現象。

3 施工技術創新

3.1 扁平流線形鋼箱梁的應用

扁平流線形鋼箱梁在設計上優化了氣動性能和減震效果，有效減少了風阻和顫振現象，提升了結構的穩定性和安全性。其扁平形態增強了對風力的抵抗能力[5]，并通過較寬的梁體實現了高效的空間利用，特別適用于設置檢修車軌道，適合大跨度橋梁建設。

該設計充分考慮了環境與工程需求，采用高強度Q355D鋼材，確保橋梁在惡劣環境下的承載力和耐久性。施工時簡化了吊裝和安裝工藝，降低了成本和時間。同時，扁平流線形設計特別適合大跨度橋梁建設，尤其是在風力較大的跨海或山谷區域。其優異的氣動性能和長期穩定性，減少了維護需求和成本，確保了橋梁的安全運營。

3.2 非對稱門形塔的結構創新

非對稱門形塔的設計優化了受力分布，充分考慮了復雜的地形條件，尤其適用于山區或河谷等不均勻地形區域。這種設計減少了對人工地形調整的依賴，提升了不同高度上的穩定性，使得結構能夠更好地承受不均勻載荷，從而減小整體應力，克服了傳統對稱結構的局限性。

在材料選擇上，門形塔采用C50高性能混凝土，并在受力集中區增加壁厚，以增強耐久性并提高建設效率。此設計不僅有效分散了風載、車載等壓力，減少了裂縫和結構損傷的風險，還幫助降低了長期維護成本。根據案例研究，使用高性能混凝土的結構維護成本比傳統混凝土節約10%～15%，并顯著延長了橋梁的使用壽命，特別適用于跨海或山谷等復雜地質和氣候條件的大跨徑橋梁項目。

3.3 錨碇及纜索系統的技術創新

錨碇及纜索系統的技術創新在于使用無黏結鍍鋅鋼絞線拉索和油脂防腐技術，顯著提高了系統的耐久性和抗腐蝕性。無黏結鍍鋅處理不僅提供了額外的防銹保護，還減少了由于常規鋼材腐蝕所需的維護工作。油脂防腐技術為鋼絞線提供了保護膜，進一步延長了其使用壽命。上述技術提高了結構的穩定性和整體安全性。

在結構設計上，錨碇的空間異形結構有效應對了多變的地質條件，采用大直徑鉆孔灌注樁適應軟土、巖石和沙質等復雜地層。這種設計增強了基礎支持力，并通過技術創新保障了結構的穩定性與安全性。錨碇和纜索系統應用于環境復雜、地質較差的區域，可減少約20%的長期維護成本和工作量，如該橋在應用此技術后，維護周期從每6個月檢查一次延長至每年檢查一次，顯著降低了維護頻率和成本。

4 結論

本橋在設計與施工技術上進行了多項創新，突出體現了對氣動性能、結構穩定性和環境適應性的高度重視。采用扁平流線形鋼箱梁、非對稱門形塔結構和重力式異形錨碇，有效提升了橋梁的氣動性能、抗風能力和穩定性，同時優化了受力分布，增強了對復雜地形的適應性。選用高強度材料如Q355D鋼和C50混凝土，結合油脂防腐技術和現代化施工工藝，顯著提高了橋梁的耐久性、抗腐蝕性，并降低了維護成本。結構安全性通過靜力和動力分析得到了驗證，確保了橋梁在各種荷載條件下的可靠性。

參考文獻

[1]王志誠，宋穎彤，李鴻盛，等.重慶新田長江公路大橋設計[J].橋梁建設， 2024（5）：133-139.

[2]吳明遠，汪繼平，師啟龍.蒼容潯江大橋的設計與技術創新[J].公路， 2024（6）：134-140.

[3]肖海珠，高宗余，陸勤豐.南京仙新路長江大橋主橋結構設計[J].橋梁建設， 2024（2）：1-7.

[4]周云.復雜地質條件下大跨徑獨塔斜拉懸索橋施工關鍵技術研究[J].建筑機械， 2024（8）：161-166.

[5]王俊偉，顧雄淇.自錨式懸索橋上部結構施工工藝優化及應用[J].中國港灣建設， 2024（5）：93-97.