从泰州大桥看大跨连续悬索桥发展趋势

    交通的快速发展促进了世界经济的发展，也加快了全球化的进程。21世纪，随着社会经济的发展交流与融合，地区间、国家间的交通需求在不断持续增长，桥粱工程的建设需求逐步由跨越大江大河、河口宽阔水域、近海连岛工程向跨越海峡和海洋等更广阔的水域发展，这极大地推动了跨江越海桥梁工程的建设与发展。直布罗陀海峡、白令海峡、英伦三岛间、日韩海峡、我国东南沿海岛屿间、琼州海峡、渤海湾、台湾海峡等地均在规划大型跨江越海工程。以往主要通过增大跨径的方式来实现桥粱超长跨越这一发展模式，已越来越多地受到来自结构材料、施工技术、安全风险等方面的严峻挑战，碓以满足不断增长的桥梁超长超大跨越能力的需求，必须寻求新的适应桥型，这也是桥粱结构领域关注的热点之一。

连续悬索桥是桥梁实现超长和超大跨的最佳途径

    按目前桥梁的建设水平，要解决这个问题有两条速径，分别是双塔单主跨悬索桥技术和多塔斜拉桥技术，但这两项技术都有局限性。

    双塔悬索桥只有一个主跨，按现在跨越水平(已建成最大跨径是l900米)，尽管有专家推测称悬索桥的跨径可达3000米或更长(在目前材料水平条件下)，但由于存在的潜在的风险和技术难题，再大的跨径仍停留在方案阶段，还需作进一步的研究。同时，即使3000米的单一跨径能够实现，目前也仍不能满足国内前述水域和连岛工程的跨越同题。

    多塔斜拉桥技术解决了斜拉桥连续跨越问题，但斜拉桥的适用跨径有限，一般在200米至800米。若要实现千米以上跨径的连续跨越，按目前的技术水平还不现实。

    跨越宽阔水域的大跨径桥粱必须满足两个条件：一个是大跨径。因为跨径小了，会增加深水基础，使造价剧增或无法实现，并会增加水中墩的数量，从而影响航运及增加船舶撞击的概率。另一个是连续跨越。因为这是跨越宽阔水域的最好方式。按目前建桥技术，满足第一个条件的桥型主要是悬索桥，因为悬索桥的单一成熟跨径已经达到1500米以上，只是悬索桥目前还没有实现第二个条件的技术，即大跨径多塔连续跨越。

    突破单一跨径的跨度极限来提升桥梁跨越能力，在经济、环保和建设风险方面都会带来一系列问题。解决宽阔水域桥梁建造技术，超大跨径的连续悬索侨(多塔连跨悬索桥)是桥粱实现超长和超大跨完美结合的最佳途径．也是国际桥梁界讨论多年但尚未实现的理想方案。连续悬索桥(多塔连跨悬索桥)是一种全新结构，是在现有的大跨径悬索桥(两塔三跨)的基础上，通过增设一个或多个中间塔的方式，实现悬索桥多个主跨的连续布置，从而具备了超长超大跨越能力，这是悬索桥结构体系上质的飞跃。其意义类同于由简支梁结构发展为连续梁结构，是一个由量变到质变的创新过程。

    在国际上，连续悬索桥(多塔连跨悬索桥)已经成为建设超长跨距桥粱的新型结构形式。智利的Chacao海峡大桥(桥长2635米)正在研究三塔四跨悬索桥的设计方案。日本建设的小鸣门大桥(三塔四跨，总长441．4米，最大跨度160米)探索了这类桥梁建设的可行性，但是由于在中间塔等关键技术环节未能实现有效突破，所以一直未能应用于大型桥梁的建设中。

    在我国，青岛海湾大桥、武汉阳逻大轿、马鞍山长江公路大桥、河南中原黄河公路大桥、南京长江四桥、螺洲大桥等工程的初步设计中都曾提出过多塔连跨悬索桥方案。这主要是因为连续悬索桥不仅跨越能力强，而且在经济、环保等方面极具特色和竞争力：在宽阔水域中缺乏建岛条件的情况下，连跨结构可依据地质环境特点因地制宣、灵活设置桥跨组合形式，在实现桥梁超大跨距的同时，还可达到合理规划应用岸线和航道资源的目的。通过增加中间塔，可大大减轻主缆和锚碇的受力，降低构件的绝对尺寸，在同等条件下主缆和锚碇等的工程量都能得到降低，在实现直接经济效益的同时，还可大幅减少对沿岸土地资源的占用和对生态环境的破坏，实现资源节约、环保与桥梁建设的和谐发展。

    超大跨径连续悬索桥在国际上虽有探索，但迟迟不能付诸实践的主要原因是：这种桥梁不同于一般的悬索桥，也不单是桥梁在跨径上的突破，而是实现悬索桥多跨连续的全新桥梁结构形式。其在结构体系设计、中间塔及索鞍设计、中间塔基础选型与设计、抗风设计和抗震设计等方面均有许多尚未攻克的世界性技术难题。总体上看，这一全新的桥梁结构形式在国际上尚处在探索阶段，在技术上基本处于空白状态，没有可借鉴的工程实例。

连续悬索桥多问题需解决

    结构体系方面。连续悬索桥相当于在常规的两塔悬索桥主跨跨间支起一个或多个中间塔，达到减小跨径从而减轻主缆和两端锚碇受力、实现连续跨越的目的。目前对多塔连跨悬索桥的认识仅限于三塔两跨，而且建成的最大跨径仅有210米，远未发挥悬索结构应有的跨越能力，其主要原因是跨径增大后，对这种多塔连跨悬索结构体系的认识和把握还远远不够，存在诸多技术上的“瓶颈”需要突破，比如主要构件刚度匹配、结构静动力特性等，这是问题的一个方面。另外，由三塔向四塔、五塔甚至更多塔发展，还存在多个中间塔刚度相互协调匹配等问题。前者虽有一定基础，但存在跨径增大后的技术“瓶颈”；后者在技术上几乎是空白。因此需要开展全面和深入的研究。

    中闻塔。连续悬索桥的主缆从锚碇起经过一个边跨和一个或多个主跨后才到达中间塔，主缆对中间塔塔顶的约束相对较弱，在荷载作用下，中间塔承受的水平力及其两侧主缆的水平力将根据刚度比通过变形来达到平衡，因此中间塔本身刚度的大小将直接影响到多塔连跨悬索桥全桥的变形和受力特点。在不对称加载时，如中间塔刚度小，塔顶将产生较大变形，两侧主缆主要通过塔顶变形(相当于中间塔两侧主缆跨径的改变)来取得平衡，此时中间塔承受的水平力小，鞍座抗滑移安全容易满足，但加劲梁的变形较大，挠跨比能否满足要求是一个关键控制因素；如中间塔刚度大(极限时相当于一个空中的中间锚碇)，不对称加载引起的两侧主缆不平衡力主要由中间塔自身来承受，此时加劲梁的变形小，挠跨比容易满足要求，但中间塔及其基础的受力大，鞍座抗滑移安全能否满足要求成为控制性因素。因此，如何在兼顾加劲粱挠跨比、中间塔及其基础的受力和鞍座抗滑移安全的情况下，选择合适的中间塔塔型、材料及断面尺寸等，确保各构件受力、变形、稳定性、抗疲劳性、关键构件制作和架设精度等满足要求都是多塔连跨悬索桥需要解决的重要问题。

    桥道系结构。由于钢箱梁自重较轻，能有效地降低超大跨径桥梁的恒载，且运输和架设方便，因此大跨径桥梁主梁多采用钢结构，其桥道系结构形式多为正交异性钢桥面。目前．国内的江阴长江公路大桥、厦门海沧大桥、南京长江二桥、润扬长江公路大桥等都采用了钢箱梁正交异性钢桥面板的形式。

    目前我国已建成并投入使用的缆索支承型大跨经正交异性钢箱梁桥有几十多座，部分桥梁桥面铺装在建成通车后不久即出现高温车辙、横向推挤、开裂等病害，出现了钢桥面系和桥面铺装的破坏，其原因涉及材料、加工制造、施工和结构受力(尤其是疲劳荷载作用)等多个方面。多塔连跨悬索桥的桥道系抗疲劳设计方法、疲劳寿命评估及其适宜铺装材料和相应的施工工艺等都是亟待解决的重要技术问题。

泰州长江大桥的创新实践

    目前正在建设的江苏泰州长江公路大桥，在多塔连跨悬索桥建设上迈出了可喜的一步。泰州长江公路大桥主桥采用三塔两主跨悬索桥桥型方案。孔跨布置为390米+2×1080米十390米，桥面净宽33米，为世界上首座主跨超千米的在建连续悬索桥（多塔连跨悬索桥)，这座大桥的结构研究已列入国家科技支撑计划。

    泰州长江公路大桥主桥三塔两主跨悬索桥的两个边塔设在岸滩上，中间塔设于江中采用大尺寸沉井基础，减少深水基础工程。多塔连跨悬索桥是在两塔悬索桥主跨的中部支起一个主塔，与常规的两塔悬索桥相比结构受力特征显著不同．可大大减轻主缆和两端锚碇的受力，是一种全新结构形式。泰州长江公路大桥三塔两主跨悬索桥，将成为世界上第一座千米级多塔连跨悬索桥。

    泰州长江大桥中塔基础采用沉井结构，其结构尺寸庞大，再加上为探水施工，被誉为“神州第一沉井”。目前沉井基础由于其诸多优点，在工程中被广泛应用。但是，在深水中建造如此庞大的沉井基础并不多见，大多数沉井都建造在陆地或者浅水域处，传统的施工方法和测量技术足以满足施工需求。泰州长江公路大桥中塔沉井基础由于施工水域深，水流较急，需要采用一种全新的施工技术和测量控制技术。导向墩定位系统和深水沉井基础施工信息化监测技术在中塔沉井施工的成功应用，填补了国内外在此项领域技术的空白，对以后类似的工程有很大的借鉴和参考价值。国内外沉井基础的施工和测量方法很多，但大多采用传统的施工方法，工程测量技术也是在沉井施工放样中的简单应用与机械的简单组合，没有发挥现代测绘技术的优势与潜力，没有将测绘技术与桥梁施工技术有机融合，因此也就没有对沉井施工技术形成实质性的突破。目前国内还没有基于对深水沉井基础采用导向墩定位施工技术研究方法和深水沉井基础信息化监测技术方法的研究成果，也没有形成相同或者相似的施工指南，无此领域的知识产权。目前，深水基础施工中，群桩基础和沉箱基础应用得较为广泛，这主要是深水基础的施工特点所限制。突破传统施工方法的沉井定位系统和深水沉井施工信息化监测技术将有效提高沉井在深水基础施工中的竞争力。结合泰州长江公路大桥中塔沉井基础施工经验的研究，将形成大型沉井基础施工工法的研究成果。

    钢塔柱制作难度大，我国钢塔柱制造处在起步阶段，无相应规范和技术标准参考。泰州长江公路大桥钢塔所用板材为Q420qD和Q370qD，强度高且厚度多在60毫米到150毫米之间，高强度厚板的焊接工艺、焊接方法，没有成熟的经验可以借鉴。钢塔柱结构复杂、节段长度大、重量大，钢混结合段，合龙节段、纵向分块节段的制作，两节段水平预拼装精度要求都比较高，高精度钢塔节段的水平预拼装施工难度大．属国内首次进行。

    钢塔柱节段间由于金属接触传力的要求，不能像普通的钢结构安装那样通过现场对安装结果的监控测量来指导架设，钢塔柱安装后的轴线偏差要达到设计要求的l／4000的控制精度，只能在节段的制作过程中控制节段几何尺寸及端面机加工精度。因为提高单节段的加工精度受到设备、工艺条件的限制，故在机加工前采取通过计算机模拟的方法，建立累积精度管理系统，预测钢塔柱架设结果，通过控制节段加工过程，进而实现对钢塔柱桥位安装后整体线形的主动控制。针对泰州长江公路大桥有合龙节段的制作精度控制，建立计算机模拟拼装系统，保证下塔柱合龙精度，计算机模拟拼装系统既要考虑两个下塔柱各自的轴线精度、节段间扭转、壁板错台．同时又要考虑两个下塔柱间距、高差、相对的扭转关系，在国内外钢塔柱加工中，这种精度控制尚属首次。

    多跨连续悬索桥中塔的设计与施工是结构建设的关键，也是结构建设的难点。泰州长江公路大桥中塔纵桥向为人字形钢结构塔，横向为门式框架结构，两塔柱间的横向中心距在塔顶处为34.8米、在塔底处为42.58米，中塔设两道横粱，结构形式与受力特性上更为复杂，其各部件的构造与连接需要更加合理化，也给钢塔施工带来了更大的挑战。对钢塔安装成套技术进行研发并进行全过程控制，对确保钢中塔安装安全和精度要求有着重要意义，也可为今后我国钢桥塔的安装提供参考。

    秦州长江大桥的建设标志着一个新型桥型结构的诞生，将成为国际桥粱界的标志性和里程碑工程。它的成功建设将实现我国桥粱由引进、消化、吸收再创新到原始创新的历史性跨越，对我国由桥梁大国迈入桥梁强国具有重大的现实意义。

(摘自2009年7月20日《中国交通报》第7版)