自錨式懸索橋發(fā)展現(xiàn)狀與施工技術(shù)創(chuàng)新

段向虎

(中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855)

自錨式懸索橋?qū)⒅骼|錨固在自身加勁梁上，既不需要龐大的錨碇結(jié)構(gòu)，又具有傳統(tǒng)懸索橋造型美觀的優(yōu)點，因而在城市橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1]。自錨式懸索橋早在19世紀(jì)后半葉就已出現(xiàn)，進入20世紀(jì)后首先在德國興起。1915年建成的跨越萊茵河的科隆—迪茲橋，主跨達185 m，施工時采用木腳手架支撐鋼梁直至主纜就位[2]。在科隆—迪茲橋建成后的35年間，自錨式懸索橋在美國、日本、英國、法國等國家得到較快發(fā)展。1929年，德國建成跨萊茵河的科隆—米爾海姆橋，該橋主跨315 m，保持自錨式懸索橋的跨徑記錄達78年之久。進入21世紀(jì)，我國自錨式懸索橋的建設(shè)進入發(fā)展高峰期，短短十余年間建成的自錨式懸索橋數(shù)量已超過50座，在結(jié)構(gòu)體系、纜索形狀、索塔形式、加勁梁結(jié)構(gòu)等方面均有創(chuàng)新，同時在主跨跨徑上也取得較大突破。如2006年9月建成的長沙湘江三汊磯大橋為主跨328 m的雙塔自錨式懸索橋，打破了科隆—米爾海姆橋的主跨記錄[3]；2006年11月建成的佛山平勝大橋為自錨式獨塔懸索橋，主跨達350 m，主塔采用整體三柱式框架結(jié)構(gòu)，加勁梁為鋼-混凝土混合梁[4]； 2013年9月建成的鄭州桃花峪黃河大橋，為整體鋼箱梁雙塔三跨自錨式懸索橋，主跨達406 m[5]。在建的重慶鵝公巖軌道專用橋，主跨達600 m，為雙塔五跨鋼-混凝土混合梁自錨式懸索橋，建成后將成為世界上主跨跨徑最大的自錨式懸索橋，實現(xiàn)該類橋主跨由400 m級向600 m級的跨越[6]。由此可見，自錨式懸索橋在近年來取得了很大突破和發(fā)展，有必要對其設(shè)計和施工關(guān)鍵技術(shù)特別是創(chuàng)新技術(shù)進行系統(tǒng)總結(jié)。

本文首先總結(jié)自錨式懸索橋的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，其次以重慶鵝公巖軌道專用橋為例，對該橋設(shè)計和施工特點，特別是首次采用的斜拉法建造技術(shù)進行重點介紹。最后對自錨式懸索橋的發(fā)展方向進行展望。

1 國內(nèi)外自錨式懸索橋技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外自錨式懸索橋技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外自錨式懸索橋的發(fā)展可分為3個階段：①從19世紀(jì)60年代至20世紀(jì)50年代，為自錨式懸索橋的早期發(fā)展階段，主跨跨徑從22.8 m發(fā)展到 315.0 m，垂跨比1/9～1/7，加勁梁以鋼梁為主，截面形式包括鋼桁梁、鋼板梁和鋼箱梁；②從20世紀(jì)60年代到80年代，國外自錨式懸索橋的發(fā)展緩慢，僅建成幾座以混凝土箱梁為加勁梁的自錨式懸索橋；③從20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在，可以視為自錨式懸索橋的技術(shù)革新期，這一階段國外的自錨式懸索橋數(shù)量雖不多，但在技術(shù)上都實現(xiàn)了較大的突破和創(chuàng)新，包括跨徑、結(jié)構(gòu)體系、加勁梁形式等[7]。這一階段國外具有代表性的大跨度自錨式懸索橋見表1，其中，日本此花大橋加勁梁采用單箱三室鋼箱梁，平面傾斜吊索，花瓶形橋塔，是在以往結(jié)構(gòu)形式上的突破。該橋梁寬26.5 m，梁高3.17 m，高跨比為1∶95，垂跨比為1/6，如圖1(a)所示。韓國永宗大橋是世界上第1座雙層行車的公鐵兩用自錨式懸索橋，跨徑布置與此花大橋類似，但垂跨比進一步增大到1/5。該橋加勁梁為鋼桁梁，梁高7 m，兩主纜從塔頂?shù)郊觿帕嚎缰袃蓚?cè)為空間三維曲線，可增強橋梁橫向穩(wěn)定性，如圖1(b)所示。2013年9月建成通車的美國舊金山—奧克蘭海灣橋，是世界跨度最大的獨塔自錨式懸索橋。該橋主塔高160 m，由4個鋼筒構(gòu)成，鋼塔柱面板最大厚度達100 mm。橋面通行雙向12車道，加勁梁采用分離式鋼箱梁，梁寬約70 m，梁高5.5 m，如圖1(c)和圖2所示[8]。由于地處近斷層強震區(qū)，該橋采用可修復(fù)性抗震設(shè)計，設(shè)計時考慮了橋墩鋼筋的屈服和混凝土保護層的剝落、分肢塔柱剪力連接的塑性變形和可更換伸縮裝置，保證遭遇強震破壞后橋梁仍能提供通行服務(wù)[9]。此外，愛沙尼亞Muhu島橋和瑞士日內(nèi)瓦湖橋計劃分別采用主跨480 m 的鋼箱梁自錨式懸索橋、主跨950 m的鋼-混凝土組合梁自錨式懸索橋設(shè)計方案。

表1 國外具有代表性的大跨度自錨式懸索橋

圖1 國外現(xiàn)代大跨度自錨式懸索橋

圖2 美國舊金山—奧克蘭海灣橋的主塔和加勁梁(單位：m)

國外自錨式懸索橋的技術(shù)發(fā)展特點總結(jié)如下：

1)為降低主纜拉力,減小加勁梁承受的軸向壓力,提高橋梁整體豎向剛度，自錨式懸索橋一般采用較大的垂跨比。雙塔自錨式懸索橋早期垂跨比為1/9～1/7，近年來幾座大跨度橋的垂跨比在1/6～1/5。獨塔自錨式懸索橋垂跨比在1/13.5～1/10。

2)加勁梁由早期以鋼板梁、鋼桁梁為主向鋼箱梁發(fā)展。鋼箱梁抗扭剛度大,抗風(fēng)穩(wěn)定性好，同時又能提升橋梁景觀效果，是現(xiàn)代大跨度自錨式懸索橋加勁梁的主要截面形式。鋼桁梁目前多用于承載雙層交通的情況，同時有利于提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性?；炷料淞涸趪鈶?yīng)用很少，但其具有的造價和后期維護經(jīng)濟性、穩(wěn)定性較好等特點使其在較小跨度的自錨式懸索橋中具有較大優(yōu)勢。

3)主纜形式多樣化，且主纜強度和設(shè)計使用壽命要求提高。主纜早期多采用平行雙纜形式，如科隆—迪茲橋、第七街橋、科隆—米爾海姆橋等；后期出現(xiàn)單主纜、空間三維曲面雙主纜等新形式，以日本此花大橋、韓國永宗大橋和美國舊金山—奧克蘭海灣橋為代表(參見圖1)。同時，主纜鋼絲抗拉強度也由 1 600 MPa 提高到 1 800 MPa 及以上，并通過建立完整的防腐系統(tǒng)(鍍鋅鋼絲、S形繞線包裹、干燥空氣除濕等)以實現(xiàn)主纜的長壽命[10-11]。

1.2 國內(nèi)自錨式懸索橋技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)自錨式懸索橋的起步較晚，但發(fā)展很快。自1999年浙江省諸暨市浣江橋建成以來，我國自錨式懸索橋呈現(xiàn)出建成數(shù)量多、結(jié)構(gòu)體系新、跨度不斷增大等特點，在短短的十多年間建成的自錨式懸索橋就已超過了50座。統(tǒng)計國內(nèi)主跨200 m以上具有代表性的自錨式懸索橋見表2?？芍罂缍入p塔自錨式懸索橋的垂跨比主要分布在1/7～1/5，獨塔自錨式懸索橋的垂跨比一般較小，分布在1/13.1～1/10。重慶鵝公巖軌道專用橋為雙塔五跨自錨式懸索橋，主跨600 m，承載雙線城市軌道交通，主要是考慮到與相鄰地錨式懸索橋的景觀協(xié)調(diào)，其垂跨比為1/10，小于常規(guī)的1/7～1/5，較小的垂跨比要求加勁梁具有足夠抵抗軸向壓力的能力，因而加勁梁應(yīng)具有較大剛度。從加勁梁結(jié)構(gòu)形式來看，鋼箱梁、鋼-混凝土結(jié)合梁和鋼-混凝土混合梁是目前大跨度自錨式懸索橋加勁梁采用的3種主要形式[12]。此外，還有采用鋼-混凝土組合、混合梁的加勁梁形式，如武漢江漢六橋。在邊跨和錨跨段采用混凝土箱梁，可以平衡主纜較大的豎向分力，起到一定的壓重作用，避免支座處出現(xiàn)負(fù)反力。而主跨采用鋼-混凝土組合梁，可以充分發(fā)揮混凝土受壓穩(wěn)定性好的特點，同時改善了鋼橋面疲勞開裂等問題?；炷料淞涸诳鐝捷^小的自錨式懸索橋中已普遍應(yīng)用，具有景觀效果好、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。

表2 國內(nèi)主跨200 m以上具有代表性的自錨式懸索橋

從主纜形式看，國內(nèi)大跨度自錨式懸索橋多采用平行雙主纜，如湘江三汊磯大橋、鄭州桃花峪黃河大橋、鵝公巖軌道專用橋等；也有采用空間三維曲面主纜的懸索橋，如杭州江東大橋、廣州獵德大橋、青島海灣大沽河航道橋等。國內(nèi)對主纜的防腐保護系統(tǒng)也進行了相關(guān)研究和工程應(yīng)用，如株洲楓溪大橋直接在主纜平行鋼絲外層纏繞高強、高模量、高延展率的纖維增強復(fù)合材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的纏繞圓鋼絲和膩子涂裝系統(tǒng)[12]；再如防腐鍍鋅鋼絲向鋅鋁合金鍍層鋼絲發(fā)展等。國內(nèi)已建及在建的大跨度自錨式懸索橋如圖3所示。

圖3 國內(nèi)已建及在建的大跨度自錨式懸索橋

鵝公巖軌道專用橋是世界首座主跨600 m且承載雙線城市軌道交通的自錨式懸索橋，在設(shè)計、施工方面均有突出的技術(shù)特點。該橋位于既有鵝公巖公路橋上游側(cè)，兩橋中心距70 m，梁間凈距不足45 m，屬于典型的“姊妹橋”。受既有公路地錨式懸索橋影響，本橋已不具備修建巨大錨碇條件，而從通航、行洪、景觀等方面考慮，軌道專用橋宜采用與既有老橋相同跨徑布置和垂跨比的自錨式懸索橋[13]。其設(shè)計、施工特點如下[13-15]：

1)跨徑布置為(50+210+600+210+50)m，垂跨比為1/10，結(jié)構(gòu)形式為鋼-混凝土混合梁自錨式懸索橋。主橋立面布置如圖4(a)所示。

圖4 鵝公巖軌道專用橋主橋立面布置及加勁梁斷面示意

2)主橋鋼箱梁梁高4.5 m，梁寬22 m(含風(fēng)嘴，以改善抗風(fēng)性能)，采用六腹板斷面，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長15 m，根據(jù)受力需要，鋼箱梁頂、底板(含斜底板)厚度為32～44 mm。4道中腹板位置與軌道對應(yīng)，板厚20 mm，邊腹板厚度40 mm。為保證腹板局部穩(wěn)定，便于加工制造，6道腹板均通過板式T形肋加勁，其中，中腹板T形加勁肋板厚10 mm、高250 mm，翼緣厚14 mm，寬120 mm；邊腹板采用310 mm×30 mm板式加勁肋。鋼箱梁頂板為正交異性鋼橋面板，早期頂、底板均采用U形肋加勁，后續(xù)調(diào)整為I形加勁肋，厚度分別為25～32 mm,25～34 mm，高度分別為260～320 mm,260～350 mm。鋼箱梁鋼材主要采用Q345qD，Q420qE。主纜在210 m輔助跨端部錨固，錨固段與50 m錨跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土箱梁與鋼箱梁之間設(shè)鋼-混結(jié)合段，如圖4(b)、圖4(c)所示。

3)主纜間距19.5 m，吊桿間距15 m，主纜與吊桿均采用高強平行鋼絲束，主纜采用 1 860 MPa 的鋅鋁合金鍍層φ5.3平行鋼絲，共92股，每股127絲。吊桿采用 1 770 MPa 的鋅鋁合金鍍層φ7平行鋼絲。

4)大橋采用“先梁后纜”的斜拉法施工工藝。首先采用圍堰法進行鉆孔樁基礎(chǔ)施工，通過帷幕注漿形成隔水結(jié)構(gòu)，保證鋼圍堰在豐水期前順利拼裝。其次進行索塔施工。混凝土主塔采用爬模法施工，施工完畢后在塔上安裝用于錨固臨時斜拉索的鋼扣塔，然后進行加勁梁的架設(shè)施工。其中，邊跨鋼箱梁采用頂推法施工，頂推完畢后現(xiàn)澆主纜錨固段箱梁混凝土，利用臨時鋼塔、臨時斜拉索輔助安裝中跨鋼箱梁，在邊跨與中跨鋼箱梁依次合龍后形成臨時斜拉橋結(jié)構(gòu)。進一步架設(shè)主纜，現(xiàn)澆錨跨段箱梁混凝土，安裝并張拉全橋吊索；自上而下依次拆除斜拉索，完成臨時斜拉橋向自錨式懸索橋的體系轉(zhuǎn)換。最后，拆除臨時鋼塔、頂推支架及現(xiàn)澆支架，施工橋面系及附屬結(jié)構(gòu)，全橋調(diào)索后成橋。

2 自錨式懸索橋的施工技術(shù)

自錨式懸索橋一般采用“先梁后纜”的施工方法，加勁梁的架設(shè)方法主要包括滿堂支架法、臨時支墩法、斜拉法等。也有通過設(shè)置臨時錨碇的“先纜后梁”施工方法，但應(yīng)用較少[1]。下文具體介紹自錨式懸索橋“先梁后纜”的施工方法及關(guān)鍵施工技術(shù)。

2.1 滿堂支架法

采用滿堂支架法施工的自錨式懸索橋需要滿足跨徑小、不受洪水和通航影響等建設(shè)條件。桂林麗澤橋(又稱“麗君橋”、“紅橋”)、大連金石灘金灣橋、天津子牙河大橋(西河橋)等均采用滿堂支架法架設(shè)主梁。采用滿堂支架法施工的關(guān)鍵是對主梁標(biāo)高的精確控制，施工時需要考慮支架的沉降變形和非彈性變形。

2.2 臨時支墩法

考慮到防洪、通航要求，大多數(shù)自錨式懸索橋均采用臨時支墩的施工方法。通過施工臨時支墩頂推加勁梁，將整個加勁梁架設(shè)在臨時支墩上，以加勁梁為平臺掛設(shè)主纜，之后通過張拉吊索、逐步卸除加勁梁在臨時支墩上的反力實現(xiàn)由連續(xù)梁向自錨式懸索橋的體系轉(zhuǎn)換。長沙湘江三汊磯大橋、佛山平勝大橋、杭州江東大橋、廣州獵德大橋、福州鼓山大橋、鄭州桃花峪黃河大橋等大跨度自錨式懸索橋均采用臨時支墩法成梁。加勁梁形成后，還需經(jīng)歷由臨時墩支承到主纜懸吊的體系轉(zhuǎn)換，這一過程是施工控制重點，需通過詳細(xì)計算分析和對比來確定合理的施工方案和步驟[16]。

2.3 斜拉法

自錨式懸索橋的斜拉法施工是通過臨時鋼塔、臨時斜拉索形成加勁梁，再由臨時斜拉橋結(jié)構(gòu)體系向自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。這種方法可以少支架甚至無支架架梁，但由臨時斜拉橋向自錨式懸索橋的復(fù)雜體系轉(zhuǎn)換是控制難點。重慶鵝公巖軌道專用橋因地處繁忙的長江航道，水深流急，難以采用傳統(tǒng)的在河道中搭設(shè)臨時墩支架的施工方法，故跨江主梁采用斜拉法架設(shè)，在國內(nèi)系首次采用。因需跨越既有鐵路和道路，邊跨鋼箱梁采用頂推法施工，中跨鋼箱梁采用斜拉法懸拼架設(shè)。該橋于2018年5月5日順利完成臨時斜拉橋的合龍，目前正進行主纜掛設(shè)，在主纜掛設(shè)和錨跨段合龍施工完成后，進行斜拉-懸索體系轉(zhuǎn)換。主要施工工藝[14]如下：

1)在主塔頂設(shè)置臨時鋼塔，鋼塔塔柱采用預(yù)埋鋼筋、錨栓和預(yù)埋精軋螺紋鋼筋錨固在主塔上橫梁頂。鋼塔內(nèi)設(shè)置斜拉索錨梁，斜拉索張拉端錨固在錨梁上。

2)中跨鋼箱主梁懸拼采用架梁吊機和臨時斜拉索扣掛施工，每拼裝2個或1個節(jié)段鋼箱梁，則在邊跨和中跨分別掛設(shè)并張拉1對斜拉索，中跨合龍后形成斜拉橋結(jié)構(gòu)。

3)在鋼箱加勁梁上設(shè)置斜拉索錨點，斜拉索錨固段通過錨箱與鋼箱梁上錨點連接(邊跨混凝土錨固段上的斜拉索直接錨固在混凝土梁箱內(nèi)齒塊上)。東西兩岸各設(shè)16組斜拉索，斜拉索塔端為張拉端，梁端為錨固端。

4)張拉第1對斜拉索前，邊跨鋼箱梁已頂推完畢，按“掛設(shè)斜拉索并張拉→架梁吊機前移→吊裝鋼梁節(jié)段→梁段精調(diào)→梁段焊接”的施工步驟完成中跨鋼箱梁的架設(shè)。在施工前8個節(jié)段時每施工完2個梁段則張拉1對斜拉索，從第9個節(jié)段以后每個梁段張拉1對斜拉索。當(dāng)主塔兩側(cè)鋼箱梁同時達到最大懸臂，并處于無應(yīng)力平衡狀態(tài)時，澆筑鋼箱梁與主梁錨固段之間的合龍段。待錨固端合龍段強度達到90%后，再依次進行跨中剩余梁段吊裝、焊接和斜拉索掛設(shè)張拉。通過架梁吊機吊裝中跨合龍段，合龍口調(diào)整后完成鋼梁合龍。中跨鋼箱梁斜拉法單懸臂施工總體布置如圖5所示。斜拉法施工現(xiàn)場如圖6所示。

圖5 鵝公巖橋中跨鋼箱梁斜拉法施工總體布置(單位：m)

5)在完成斜拉成橋后，進行主纜掛設(shè)和錨跨段合龍施工、斜拉-懸索體系轉(zhuǎn)換施工。施工單位針對該橋“先斜拉、后懸索”的體系轉(zhuǎn)換過程提出了2種體系轉(zhuǎn)換方案：①臨時斜拉橋成橋后直接進行體系轉(zhuǎn)換；②臨時斜拉橋成橋后，先對斜拉索進行補張拉，再進行斜拉-懸索體系轉(zhuǎn)換。從吊索張拉設(shè)備、單根吊索最多張拉次數(shù)、所有吊索張拉總次數(shù)、主索鞍頂推次數(shù)、吊索接長桿最大長度、需同步張拉的吊索數(shù)量等方面對2種體系轉(zhuǎn)換方案進行對比計算。計算結(jié)果表明，方案2可以明顯降低吊索張拉的接長桿長度和張拉次數(shù)，減少體系轉(zhuǎn)換需要的張拉設(shè)備，從而縮短施工周期和投入，故選擇方案2施工[15]。

3 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)總結(jié)近年來自錨式懸索橋在設(shè)計、施工等方面的發(fā)展，得出了該類橋型的技術(shù)現(xiàn)狀和創(chuàng)新；以重慶鵝公巖軌道專用橋為研究對象，對國內(nèi)首次采用的自錨式懸索橋斜拉法施工進行了介紹。主要結(jié)論如下：

1)自錨式懸索橋近年來表現(xiàn)出跨徑不斷增大的發(fā)展趨勢，但隨著跨徑增大，加勁梁承受的軸向壓力也明顯增加，這對結(jié)構(gòu)整體剛度、穩(wěn)定性和動力特性提出了更高要求，在進行方案比選時，有必要對合理結(jié)構(gòu)體系、加勁梁結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟性等進行綜合考慮。

2)自錨式懸索橋的施工體系轉(zhuǎn)換仍是這類橋梁在建造過程中需要重點考慮的問題，需通過不同方案的綜合比選和詳細(xì)的施工全過程模擬，制定合理的施工體系轉(zhuǎn)換技術(shù)方案。針對跨越航運繁忙河道的自錨式懸索橋，斜拉法是一種技術(shù)可行的施工方案，但其涉及的斜拉成橋、主纜掛設(shè)、吊索張拉、主索鞍頂推等復(fù)雜施工過程，需要進行全面的施工方案優(yōu)化研究。

3)隨著高性能材料和新型結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，自錨式懸索橋?qū)⒃谖磥碛楷F(xiàn)出更多創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系和形式，同時由于具有節(jié)省城市用地、美學(xué)價值較高等優(yōu)點，將使其在城市橋梁建設(shè)中占據(jù)一席之地，特別在主跨400 m以內(nèi)將具有較大的競爭優(yōu)勢。