本文將繼續(xù)闡述大連理工大學(xué)橋隧學(xué)科在橋型方面的創(chuàng)新，即系桿拱梁體系、纜索承重體系橋梁的創(chuàng)新成果，以及海上地錨式懸索橋的技術(shù)創(chuàng)新。
系桿拱梁體系
體系改進的背景
系桿拱橋具有受力合理、適應(yīng)性強、經(jīng)濟美觀等優(yōu)點，在設(shè)計莊河市干溝橋時，采用大跨徑系桿拱橋方案。設(shè)計時發(fā)現(xiàn)橋梁的撓度大，動力特性不好。于是對我們以前做過的拱橋進行了反思，如東風(fēng)水庫橋、月亮島橋等。同時對國內(nèi)外類似橋梁進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)跨度在近百米及以上的系桿拱橋都有這樣的問題，干溝橋跨徑達到250m，必須更加重視橋梁的剛度。
為了克服傳統(tǒng)系桿拱橋的缺點和不足，使其在具有良好使用性能的前提下進一步增大跨越能力，擁有更廣闊的適用空間，通過對結(jié)構(gòu)受力的分析和研究，提出了增加邊跨來改進傳統(tǒng)系桿拱橋的思路。改進的系桿拱梁體系由于邊跨的存在，梁的受力類似于三跨連續(xù)梁，邊跨可限制主梁的轉(zhuǎn)角和位移，提高結(jié)構(gòu)剛度，改善行車平穩(wěn)性和舒適性，從而可適用于較大跨徑的橋梁。
莊河市干溝大橋
干溝大橋位于遼寧省莊河市環(huán)城東路跨越莊河段，莊河此處河道寬約270m。干溝大橋建成之前，莊河市已有懸索橋和斜拉懸吊協(xié)作體系等橋型，為了避免橋型的單一和雷同，給城市增添新的景觀，業(yè)主經(jīng)綜合考慮，選擇了單肋系桿拱橋的結(jié)構(gòu)形式，也正是在此次方案設(shè)計過程中，我們提出了改進的系桿拱梁體系橋型。
干溝大橋全長272.13m，跨徑布置為10+250+10m，橋面寬35m，屬于城市主干道上的特大橋梁，也是目前跨徑最大的單肋系桿拱梁體系。干溝大橋采用鋼箱拱肋，矢高55.5m，矢跨比約為1/4.5；加勁梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,中跨梁高3m，邊跨梁高3.5m,橋梁總布置圖如圖1所示。
圖1 干溝大橋總布置圖（單位：cm）
干溝大橋于2013年建成通車，成橋后的干溝大橋像一道躍出河面的彩虹，氣勢磅礴，優(yōu)美簡潔。
圖2 建成后的干溝大橋
營口經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)濱湖路單肋拱橋
營口經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)濱湖路單肋拱橋全長116m，寬29m，跨徑布置為8+100+8m，拱肋矢高25m，矢跨比為1/4，設(shè)計拱軸線采用二次拋物線。該橋與莊河干溝大橋結(jié)構(gòu)體系相同，設(shè)計構(gòu)造基本類似，僅僅是跨度有所不同，兩座橋堪稱“姊妹橋”。
圖3 營口經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)濱湖路單肋拱橋
大藤峽水利樞紐壩下交通橋工程引航道主橋
大藤峽水利樞紐壩下交通橋位于大壩下游1.9公里處，全長1982.22m，其中跨引航道主橋采用了340m的下承式提籃系桿拱橋，跨徑布置為55+230+55m，橋面標準寬度12m。引航道主橋拱肋采用變高度的矩形鋼箱拱，拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5，風(fēng)撐亦采用矩形截面鋼箱；主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室截面梁，中跨和邊跨梁高均為3.0m，拱座處梁高3.5m，梁高下緣及箱梁底板厚度按線性漸變；吊桿橫梁間距9.5m，邊跨箱內(nèi)設(shè)置兩道橫隔板。建成后的引航道主橋如圖4所示。
圖4 大藤峽引航道主橋
2019年6月，大藤峽水利樞紐壩下交通橋通車，該橋是連接大藤峽工程左右兩岸的重要紐帶，為黔江右岸的物資運輸提供了有力的交通保障，也為兩岸經(jīng)濟社會發(fā)展提供了便利的交通條件。大藤峽引航道主橋由于采用了帶邊跨的系桿拱梁體系，使得剛度大大提高，當(dāng)大載重汽車通過時，橋面幾乎無振感，使用性能良好。
關(guān)鍵技術(shù)特點
（1）邊跨布置構(gòu)思與分析
為了改善大跨度系桿拱橋的行車平順性和舒適度，設(shè)計構(gòu)思采用增加邊跨的方式來約束梁端轉(zhuǎn)角，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。研究表明，系桿拱梁體系的邊中跨比與拱肋、主梁及吊桿三者的相對剛度有關(guān)，由于拱對連續(xù)梁的加強和調(diào)節(jié)作用，系桿拱梁體系的邊跨較連續(xù)梁橋更小，跨徑布置也更加靈活。
以莊河干溝大橋為例進行分析，干溝大橋通過合理配置主梁、拱肋與吊桿的相對剛度，并通過邊跨壓重和吊桿張拉的措施進一步調(diào)節(jié)，其邊跨長度僅為10m，邊中跨比僅為0.04。在其他設(shè)計參數(shù)不變的情況下，將干溝大橋改進后的連續(xù)系桿拱梁體系與傳統(tǒng)簡支系桿拱橋進行對比分析，得到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)如表1所示。
從表1結(jié)果可以看出，干溝大橋雖然僅設(shè)置了很小的邊跨，在不顯著增加造價的情況下有效約束了拱腳的轉(zhuǎn)動，控制了主梁的撓度,增大了結(jié)構(gòu)的剛度，改善了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在經(jīng)濟安全的前提下,解決了傳統(tǒng)系桿拱橋向大跨徑發(fā)展過程中剛度不足,引起的行車不平順和強烈振感問題。
（2）鋼拱肋與混凝土主梁相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)
對于單肋系桿拱梁體系，由于拱肋缺少面外支承，拱肋的側(cè)向剛度和抗扭剛度都很有限。隨著橋梁跨徑的不斷增大，拱肋的長細比越來越大，結(jié)構(gòu)的側(cè)傾穩(wěn)定問題更加突出。基于吊桿的非保向力效應(yīng)，研究表明，增大主梁與拱肋的橫向抗彎剛度比，可顯著提高單肋系桿拱梁體系的側(cè)傾穩(wěn)定性。因此，干溝大橋和營口經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)濱湖路單肋拱橋，均采用了鋼拱肋與預(yù)應(yīng)力混凝土主梁相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，從而提高了結(jié)構(gòu)側(cè)傾穩(wěn)定性，增大了橋梁的跨越能力，同時也較為經(jīng)濟。
（3）拱梁連接處鋼混結(jié)合段設(shè)計
采用鋼拱肋和預(yù)應(yīng)力混凝土主梁相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)系桿拱梁體系，具有良好的經(jīng)濟指標和跨越能力，其中，鋼混結(jié)合段是整個結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，其可靠性關(guān)系到整個體系的安全。對于單肋系桿拱梁體系，鋼混結(jié)合段截面尺寸小，傳遞軸力大且剛度要求高，為了保證結(jié)構(gòu)連接可靠和傳力平順，選擇了各方面性能都比較優(yōu)良的PBL剪力鍵，作為鋼混結(jié)合段的主要傳力構(gòu)件。通過對PBL剪力鍵力學(xué)性能的試驗研究及數(shù)值分析得出結(jié)論，實際工程中，在施工允許的條件下，PBL剪力鍵群的布置越緊湊越好，PBL剪力鍵布置時應(yīng)盡量減小傳力方向的層距和層數(shù)，從而降低“鍵群效應(yīng)”導(dǎo)致的承載力折減，更好地發(fā)揮PBL剪力鍵群的整體工作性能。考慮到單肋系桿拱梁體系拱腳受力非常復(fù)雜，鋼混結(jié)合段同時布置了栓釘剪力鍵作為安全儲備。干溝大橋拱腳鋼混結(jié)合段施工如圖5所示。
圖5 干溝大橋鋼混結(jié)合段施工現(xiàn)場
纜索承重體系橋
特殊類型的懸索橋
在纜索承重體系橋梁中，根據(jù)纜索的多種變化模式，可以設(shè)計出多種形式美觀、經(jīng)濟合理的橋梁結(jié)構(gòu)，為城市橋梁的新穎性、多樣性提供了更加豐富的選擇內(nèi)容。
（1）大連星海灣挑月橋
大連星海灣挑月橋位于星海灣廣場東側(cè)馬欄河入海口，跨越馬欄河，在方案階段曾經(jīng)提出提籃拱方案、懸索橋方案及自錨式吊拉組合體系等設(shè)計方案。后來提出的橋型的纜索部分像一張漁網(wǎng)，類似于我國古代捕魚的工具——搬罾，這一方案更符合大連沿海城市當(dāng)?shù)氐娜宋奶卣鳎詈蟊贿x中。該橋為跨度134.44m的異型主纜空間索面自錨式懸索橋，索塔向跨中方向傾斜20°，由4根背索承擔(dān)索塔及主梁的重量。建成后有位名人為此橋作詩一首，稱贊該橋像挑起的一彎新月，故命名為“挑月橋”，該橋為美麗的海濱城市大連增添了一道靚麗的風(fēng)景。
圖6 大連星海灣挑月橋
星海灣挑月橋主梁為鋼箱結(jié)構(gòu)，標準梁寬9m，梁高1.3m，梁頂設(shè)雙向1%橫坡，梁底橫向為圓曲線，鋼材為Q345B。索塔高81m，為桁架鋼管結(jié)構(gòu)，兩柱夾角9.08度，索塔縱向傾斜，傾角70.00°。塔柱為變截面槌形，橫向最大尺寸4.19m，根部2.98m，頂部2.0m，弦桿鋼管直徑1100mm，壁厚12mm，腹桿鋼管直徑500mm，壁厚10mm。兩塔柱之間設(shè)兩道橫梁，上橫梁用于錨固主索和背索。主纜采用成品索；全橋共有直吊桿22對，為成品索；斜吊桿18對，為鋼絲繩。
挑月橋背索錨碇采用鋼筋混凝土箱形重力式錨碇，由上部背索錨塊和下部沉井構(gòu)成。沉井平面直徑為19.5m，高度8m。錨碇與橋臺及索塔承臺間采用鋼筋混凝土聯(lián)系梁連接，聯(lián)系梁平面為Y形，梁高2m。以主要受壓的索塔、受拉的背索和受壓的聯(lián)系梁組成的三角形受力體系，是本橋的主要受力結(jié)構(gòu)；而支撐在索塔上的兩個空間索面吊拉著主梁，組成了本橋的直接承載體系。前者中，背索錨固于錨碇上，通過聯(lián)系梁連接西橋臺；后者中，主纜直接錨固在主梁上，主梁西端頂住西橋臺，二者通過西橋臺形成了水平方向的自平衡體系。不同于常見自錨式懸索橋的是，主纜出現(xiàn)了分叉，在空間形成多個主纜的交叉點，可以認為主纜在交叉點是柔性支承，這種特殊的受力方式，造成了在設(shè)計和施工中纜索的線形和索力都是非常難以把握的。
施工時的要點：
(1）星海灣挑月橋背索錨碇為沉井基礎(chǔ)，地基為雜填土，為了防止沉井后期繼續(xù)下沉，在沉井底部設(shè)置樁基礎(chǔ)。
(2）索塔鋼結(jié)構(gòu)在預(yù)制場地焊接完成后，采用1500t浮吊整體吊裝至橋位，然后豎轉(zhuǎn)至預(yù)定角度，安裝背索，如圖7。
(3）主梁分三段預(yù)制，在橋位處通過浮吊架設(shè)到臨時鋼管樁平臺上并連接，如圖8。
(4）主跨主纜在地面上安裝索夾和豎直吊桿，然后從塔頂牽拉至塔頂錨固。
(5）安裝調(diào)整吊桿索力，達到設(shè)計索力后，再安裝斜吊桿并調(diào)整索力。
(6）最后施工橋面鋪裝及附屬設(shè)施。
圖7（a）索塔吊裝施工；（b）纜索施工
圖8 主梁吊裝施工
反吊橋體系
（1）星海灣大橋東段人行橋
星海灣大橋東引橋的S線設(shè)有人行道，引橋的盡頭直接與蓮花山隧道相接，人行道需在此處通過連接線順暢地接到濱海路人行道上，從而形成貫穿整個星海灣至濱海路景區(qū)的人行觀光通道。此處地勢情況復(fù)雜，各種制約因素較多，使得人行道接線工程的設(shè)計變得困難復(fù)雜。經(jīng)研究，人行橋采用了反吊橋的結(jié)構(gòu)形式，主梁為鋼桁架，但是該橋需設(shè)3個橋墩，如果在地面設(shè)橋墩的話，影響整體景觀。現(xiàn)將一個橋墩設(shè)在突出的一塊山體巖石上，另外兩個橋墩則利用主線橋梁結(jié)構(gòu)，懸吊在主梁的下方，景觀效果明顯提高，建成后實景圖如圖9所示。
圖9 反吊橋人行橋
鋼人行橋?qū)挾葹?.5m，1號和2號人行橋結(jié)構(gòu)形式相同，均為自錨式簡支鋼桁架反吊橋，橋型布置如圖10所示。其中1號人行橋跨度為53.55m，2號人行橋跨度為75m。主纜采用4根37Ф7的平行鋼絲束，錨固于桁架端部；外側(cè)主纜橫向間距為4.09米，1號人行橋矢跨比為1/13，2號人行橋矢跨比為1/18。在2號人行橋跨中位置布置兩處豎向阻尼器裝置（TMD)。3號和4號人行橋結(jié)構(gòu)形式及跨度完全相同，均為跨度34.08m的簡支鋼桁架梁橋。主梁桁距為3.41m，桁架計算高度和寬度均和1號、2號橋的主桁一致。
圖10 星海灣大橋東段人行橋橋型布置圖
（2）牧城塘水庫橋
牧城塘水庫橋為日偽時期建成的一座三跨桁架橋，作用是工作人員從岸邊到水庫取水化驗。該橋在戰(zhàn)爭中損毀，2015年需要修復(fù)，資金僅有50萬元。水利設(shè)計院根據(jù)原有圖紙檔案設(shè)計成三跨桁架橋，兩個深水墩造價很高。本設(shè)計采用鋼絲繩做施工腳手的反吊橋方案，僅用10萬元就完成了全部工程。
采用中承式鋼桁架自錨懸索橋這種橋梁結(jié)構(gòu)形式，主梁為輕質(zhì)的鋼桁架結(jié)構(gòu)，全橋由兩片鋼桁架及平行鋼絲束的主纜，作為橋梁的主要受力構(gòu)件；型鋼組成的縱橫梁焊接成格子框架結(jié)構(gòu)及鋪在其上的木質(zhì)橋面，板形成橋面系結(jié)構(gòu)。由于整個橋梁設(shè)計巧妙，受力合理，造價僅10萬元。
圖11 中承式自錨鋼桁架懸索橋布置圖
圖12 牧城塘水庫橋
牧城塘水庫橋設(shè)計跨徑為62.4m，主纜的矢高為3.1m，矢跨比為1/20.1。主纜中心與桁架構(gòu)件中心距離0.16m，4束主纜，每束由9根直徑7mm的平行鋼絲組成，主纜形成菱形橫斷面。桁架節(jié)間距離3.12m，桁架高2.2m，桁架寬2.4m，人行道寬1.2m。
（3）反吊橋體系的施工方法
星海灣大橋東段人行橋的主要施工步驟：主桁節(jié)段工廠預(yù)制；搭設(shè)支架，主桁拼接；架設(shè)主纜；在主纜上掛沙包壓重使其達到成橋線形；安裝索夾；安裝剛性撐桿，連接主桁和承重纜；拆移支架，完成體系轉(zhuǎn)換；安裝人行道板、欄桿。
牧城塘水庫橋的主要施工步驟：利用現(xiàn)有的取水井、橋頭的橋臺，設(shè)鋼絲繩作為施工的腳手架，鋼絲繩的一端錨固在橋臺背墻上，另一端固定在水庫中央的取水塔上；在鋼絲繩腳手架上鋪木板作為施工通道；將預(yù)制好的桁梁節(jié)段運至現(xiàn)場，通過施工通道將桁架梁節(jié)段按順序放置在鋼絲繩上，節(jié)段之間先用螺栓連接，待形成全橋結(jié)構(gòu)后再進行焊接；安裝門架結(jié)構(gòu)并在門架上焊接錨箱；安裝主纜及錨頭，張拉主纜使桁架梁脫離鋼絲繩腳手架，完成體系轉(zhuǎn)換，然后拆除鋼絲繩；緊固索夾，焊接人行通道的縱梁和欄桿；進行橋面木板安裝、主纜及鋼構(gòu)件的防腐處理及附屬設(shè)施的施工。
海上地錨式懸索橋
大連星海灣大橋主橋的設(shè)計方案
大連星海灣跨海大橋全長6 km，主線為雙層橋梁結(jié)構(gòu)，主橋位于大連星海廣場南側(cè)1 km處。大橋的景觀效果對橋型方案的選擇具有決定性意義，主橋采用了跨徑180+460+180m的三跨地錨式懸索橋。在設(shè)計方案論證過程中，有的專家建議采用自錨式懸索橋方案，但是經(jīng)過項目組的論證，自錨式懸索橋方案在海中做支架費用很高，并且施工中風(fēng)險較大，成橋后也不如地錨式懸索橋可靠。主梁為鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋?qū)?4.8 m，主纜呈拋物線形，跨中矢高為69 m。星海灣大橋主橋在海中設(shè)置錨碇基礎(chǔ)，在我國尚屬首例，錨碇基礎(chǔ)采用大型沉箱和預(yù)填骨料升漿基床的地基處理技術(shù)，沉箱整體浮運，單個沉箱重達2.6萬噸。
圖13 星海灣大橋主橋
錨碇的構(gòu)造與施工
星海灣大橋主橋采用重力式錨碇，外形為三角形鏤空結(jié)構(gòu)，具有良好的外觀效果，如圖14所示。
圖14 錨碇外形
錨碇基礎(chǔ)采用大型沉箱和預(yù)填骨料升漿基床的地基處理技術(shù)，混凝土沉箱結(jié)構(gòu)長69m，寬44m，高17m，如圖15。具體步驟是：清淤挖至設(shè)計巖層→拋石基床施工→沉箱安裝→沉箱內(nèi)填砂子或注水→施工平臺設(shè)備準備→升漿管鉆孔→升漿施工→施工結(jié)束。
圖15 升漿示意圖
拋石升漿基床的石料規(guī)格為8～20cm塊石，孔隙率為30%-40%。砂漿的流動度為18±4S，砂漿膨脹率0.5%～1%，砂漿與基床的結(jié)合混凝土抗壓強度不小于12MPa。
主橋吊裝施工技術(shù)
星海灣大橋主跨雖然只有460m，但是節(jié)段整體吊裝的重量達到近600t，為當(dāng)時國內(nèi)懸索橋施工最大吊裝重量，此前許多千米級大橋的吊裝重量也只有300t。由于吊裝重量大，因此施工中對索塔不平衡力的控制是非常大的挑戰(zhàn)，本橋在施工控制中采用了邊跨加平衡錨索，索鞍允許反向頂推3次的做法，克服了吊裝不平衡力對索塔的影響，突破了大噸位節(jié)段懸索橋吊裝的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。
本文刊載 /《橋梁》雜志 2020年 第2期 總第94期
作者 / 張哲 檀永剛 許斐
作者單位 / 大連理工大學(xué) 橋隧研發(fā)基地
(文章來源52監(jiān)測網(wǎng)，本文轉(zhuǎn)載自橋梁雜志，僅用來學(xué)習(xí)及交流，侵權(quán)刪）
