一座大跨徑斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的結(jié)構(gòu)特色與關(guān)鍵技術(shù)

王二強(qiáng)，劉 釗

（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

1 工程概況

土耳其博斯普魯斯海峽三橋（簡(jiǎn)稱博三橋），亦稱亞武茲·蘇坦·斯萊姆橋（Yavuz Sultan Selim Bridge），橋位近鄰黑海出口，如圖1 所示。它是一座主跨1408 m 公鐵兩用的斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁，總長(zhǎng)2260 m，A 字形混凝土塔高322 m，采用沉井基礎(chǔ)。橋面布置包括雙向8 車道及中央2 線鐵路。材料用量為混凝土9.6 萬(wàn)方、鋼結(jié)構(gòu)5.7 萬(wàn)噸、纜索2.8萬(wàn)噸，造價(jià)8 億美元，于2016 年8 月竣工通車［1］。

由于跨越博斯普魯斯海峽的前兩座大橋均為懸索橋，博三橋從景觀上要求相協(xié)調(diào)，且抗震抗風(fēng)要求高（抗震設(shè)防按照三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)，使用狀態(tài)設(shè)計(jì)平均風(fēng)速為46.81 m/s），對(duì)該橋的設(shè)計(jì)和建造提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。該橋由瑞士Jean-Fran?ois Klein（項(xiàng)目負(fù)責(zé)人）和法國(guó)Michel Virlogeux 設(shè)計(jì)。

斜拉-懸索協(xié)作體系的歷史可追溯到十九世紀(jì)，羅布林在美國(guó)建造的早期懸索橋中，基本上都采用了斜向拉索來(lái)增加結(jié)構(gòu)剛度，但由于其時(shí)對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)求解困難，并未計(jì)算斜拉和懸索體系的協(xié)同受力，故不能算作真正意義上的斜拉-懸索協(xié)作體系；1930s 德國(guó)學(xué)者迪辛格明確提出該體系的構(gòu)想［2］，但是迄今實(shí)踐尚少。博三橋是首座建成的現(xiàn)代大跨徑斜拉-懸索協(xié)作體系，因其新穎高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲2018 年度IABSE 杰出結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)。

2 總體設(shè)計(jì)

橋梁主跨1408 m，在其斜拉-懸索協(xié)作體系中，斜拉部分采用了自錨與地錨的組合方式，主纜吊索僅吊掛主跨的中央?yún)^(qū)段，并與斜拉索部分重疊。橫橋向看，兩根主纜與斜拉索雙索面布置在4 個(gè)縱斷面上，懸索吊索分布于橋面板縱軸線兩側(cè)，間距13.5 m。博三橋總體布置如圖2 所示。

設(shè)計(jì)規(guī)范主要依據(jù)Eurocode 和美國(guó)AASHTO橋規(guī)，荷載標(biāo)準(zhǔn)也考慮了土耳其的特殊荷載要求。主要結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)：主纜立面矢跨比為1/6.5，不同于一般懸索橋的范圍（1/9～1/11）［3］；主梁高度（中心高度5.5 m）與主跨（1408 m）之比為1/256；吊桿段主梁長(zhǎng)度792 m，占主跨1/2；主纜的邊跨/中跨比為1/3.8；斜拉索在邊跨與中跨主梁上的布置長(zhǎng)度比為0.625。

全橋支座約束主要布置在邊跨混凝土箱梁部分，圖3 為其立面和平面布置。支座有三類：1）摩擦擺減隔震支座（平面圖三角形位置）；2）自由滑動(dòng)盆式支座（平面圖圓圈位置）；3）橫向限位支座（平面圖方框位置）。

本橋的錨碇與邊跨布置非常有特色，由于橋位條件限制了邊跨長(zhǎng)度，為平衡中跨荷載，將邊跨結(jié)構(gòu)分為混凝土連續(xù)箱梁、地梁和錨碇三部分?；炷吝B續(xù)箱梁由于貼近地面，設(shè)了1 個(gè)橋墩，另有4 個(gè)支點(diǎn)直接支承在擴(kuò)大基礎(chǔ)上；地梁下方設(shè)置3 個(gè)齒塊，并與錨碇現(xiàn)澆成整體。連體的地梁與錨碇，錨固了5 對(duì)斜拉索和主纜，既形成了部分地錨式斜拉結(jié)構(gòu)，巧妙地?cái)U(kuò)大了重力式錨碇的范圍，減少了分體錨碇的配重和體積。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 主纜與吊索

跨中兩根主纜的橫向間距13.5 m，直徑723 mm，每根由113 根索股組成，每根索股包含127絲Ф5.4 mm 平行鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860 MPa［1］。吊索共34 對(duì)，分布在跨中792 m 范圍內(nèi)，其中11 對(duì)吊索位于兩側(cè)250 m 斜拉懸索過(guò)渡區(qū)。每根由109～367 絲數(shù)量不等的Ф7 mm 鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1770 MPa。

3.2 加勁梁

中跨加勁梁選用流線型鋼箱梁，正交異性板橋面，中心高度5.5 m，寬度58.5 m，橫斷面布置如圖4所示。由于邊跨較短，采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，增加配重，每隔15m 設(shè)置一道橫隔板，截面如圖5 所示。鋼混結(jié)合段位于主塔中跨側(cè)24 m 處。

3.3 斜拉索

每個(gè)塔柱上布置44 對(duì)斜拉索，每束由65～151根數(shù)量不等的1960 MPa 鋼絞線組成，斜拉索最長(zhǎng)為597 m。索體采用法國(guó)弗萊西奈公司生產(chǎn)H2000 型鋼絞線斜拉索，其錨固系統(tǒng)如圖6 所示。

3.4 主 塔

A 字形塔頂設(shè)置兩條主纜的索鞍，斜拉索錨固在上塔柱特制鋼錨箱上。塔肢底部距離70 m，頂部距離8 m［4］。主梁穿過(guò)下橫梁上方，橋塔布置如圖7所示。

為了提高A 字形塔柱的穩(wěn)定性，其截面形式為帶倒角的三角形空心截面，橋塔橫斷面如圖8所示。

橋塔壁厚t隨高度升高而減小，塔底處為1.5 m，塔頂處為0.75 m。兩支腿的傾斜角度為橋面板側(cè)為84°，外側(cè)為96.75°，如圖9 所示。

為了增強(qiáng)兩個(gè)內(nèi)傾塔肢的整體性，在+60 m 高度處設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土下橫梁；在塔柱上部+266 m和301 m 高度處，設(shè)有兩個(gè)X 形連接鋼支撐（如圖10所示），最后用蝴蝶形鋼結(jié)構(gòu)包裹（如圖11 所示）。

為增強(qiáng)塔肢的自身剛度，在其三角形空心截面內(nèi)不同位置處設(shè)置了多道橫隔板。同時(shí)，也可為施工過(guò)程兩塔柱間臨時(shí)支撐提供支撐點(diǎn)。斜拉索通過(guò)預(yù)埋在塔柱中的鋼錨箱，錨固在橋塔上。

3.5 邊跨構(gòu)造

邊跨構(gòu)造包括混凝土主梁、地錨梁、錨碇三部分，其中混凝土箱梁長(zhǎng)度為284 m，錨碇為51 m，地錨梁為94 m，地錨梁與錨碇連為整體，剖面如圖12 所示。地錨梁底部設(shè)置齒塊，以平衡主纜和斜拉索的部分水平分力，從而減小錨碇尺寸和邊跨墩柱數(shù)量，降低工程造價(jià)。斜拉索錨管沿地錨梁間隔14.4 m。

3.6 支 座

本橋位于歐亞地震帶，屬于地震高發(fā)地段，故抗震要求高，設(shè)計(jì)選用摩擦擺減隔震支座，其工作原理如圖13所示。傳統(tǒng)摩擦擺支座的滑動(dòng)面為球形曲面，會(huì)產(chǎn)生較大位移。而作為公鐵兩用橋梁，縱橫向位移限定嚴(yán)格，在既定的荷載及位移條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)面曲率半徑很難滿足要求，故研發(fā)了一種圓柱面的摩擦擺支座［5］，圓柱面摩擦擺支座組件示意如圖14所示。

通過(guò)設(shè)計(jì)分析，支座所需最大豎向承載力為125MN（12500 t），縱向最大位移764 mm（如圖15所示）。

當(dāng)摩擦擺支座曲率半徑一定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)圓柱面長(zhǎng)度即可滿足豎向承載力要求，以此減小支座重量。同時(shí)，圓柱形下座板能夠限制橫向位移，避免支座出現(xiàn)傾斜、橫向偏心受壓等問(wèn)題。部件化支座簡(jiǎn)化了生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和更換工作。

當(dāng)主梁產(chǎn)生縱向位移時(shí)，摩擦擺支座會(huì)引起主梁上升，在兩側(cè)橋臺(tái)布置雙向滑動(dòng)盆式支座，用于提供豎向拉力。由風(fēng)荷載、地震等產(chǎn)生的橫橋向力，由布置在橋塔和橋臺(tái)處的橫向限位支座承擔(dān)。

3.7 斜拉索固定轉(zhuǎn)向器

為使加勁梁上錨固套筒能夠適應(yīng)斜拉索端部的角度變化，在其上部設(shè)置固定轉(zhuǎn)向器。該轉(zhuǎn)向器需既能滿足斜拉索彎曲條件，又能抵御斜拉索產(chǎn)生的橫向力（約100 t）。拉索采用弗萊西奈H2000 型內(nèi)置固定轉(zhuǎn)向器，由6 個(gè)重型楔塊組成，通過(guò)特制材料和曲率導(dǎo)向，可適應(yīng)50 mrad 的轉(zhuǎn)角，并為斜拉索提供縱橫向自鎖功能。斜拉索固定轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)向原理如圖16 所示。

3.8 斜拉索阻尼裝置

根據(jù)抑振要求，邊跨和主跨1#～8#斜拉索垂直方向附加阻尼約為4%，對(duì)9#～22#斜拉索為6%，橫向?yàn)榇瓜虻?0%。這些要求轉(zhuǎn)化為Scruton參數(shù)介于10～17 之間［1］。根據(jù)斜拉索長(zhǎng)度，要求在出現(xiàn)第2～4 階振動(dòng)模態(tài)時(shí)，阻尼振幅不超過(guò)10 mm。據(jù)此，設(shè)計(jì)制作了一種外置式液壓阻尼器，其外觀如圖17所示。

為適應(yīng)斜拉索的較大轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，阻尼器的液壓活塞行程為±920 mm，且無(wú)觸發(fā)效應(yīng)。由于預(yù)留給外置阻尼器的空間狹小，故將阻尼器底座與水平向液壓活載中部進(jìn)行連接。

4 施工方法

4.1 總體施工方案

總體施工順序?yàn)椋核栈A(chǔ)、錨碇、地錨梁→主塔、橋墩、邊跨混凝土箱梁→懸拼主跨斜拉部分鋼箱梁，同步安裝斜拉索→采用預(yù)制平行鋼絲索股法（PPWS）架設(shè)主纜［6］→吊裝懸吊部分鋼箱梁→橋面系。鑒于主塔和主梁施工技術(shù)的復(fù)雜性，下面詳述之。

4.2 主塔施工

A 字形橋塔施工中，塔肢間先后設(shè)置5 道臨時(shí)支撐。208 m 高度以下采用滑模系統(tǒng)施工，在此高程以上包括拉索區(qū)和主纜錨固區(qū)，采用自動(dòng)爬模系統(tǒng)施工［4］。

滑模系統(tǒng)由三個(gè)工作平臺(tái)組成，由上到下分別為鋼筋綁扎平臺(tái)、混凝土澆筑平臺(tái)、檢查維修平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)由多個(gè)液壓千斤頂，頂升提升架進(jìn)行上移?；Ｏ到y(tǒng)如圖18 所示。

為了保證橋塔施工的精度，防止模板繞軸線扭轉(zhuǎn)，在塔柱空腔內(nèi)安裝一個(gè)18 m 高的導(dǎo)向架，其軌道系統(tǒng)固定在塔柱混凝土表面，與滑模系統(tǒng)鉸接，導(dǎo)向架位置如圖19 所示。塔柱壁厚變化通過(guò)滑模系統(tǒng)的模板對(duì)拉螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種滑升模板可連續(xù)作業(yè)，無(wú)模板接縫，混凝土表面平整光滑，每天混凝土澆筑高度約為2 m，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量減小混凝土自身黏性和模板與混凝土間的摩擦力。

自動(dòng)爬升系統(tǒng)分為6 層，上面兩層用于鋼筋綁扎，中間兩層用于混凝土澆筑，下面兩層用于混凝土的檢查維修。施工過(guò)程中，爬模系統(tǒng)通過(guò)預(yù)埋的爬錐進(jìn)行爬升。在爬升中，整個(gè)系統(tǒng)分成5 個(gè)模塊，可通過(guò)各自獨(dú)立的液壓千斤頂提升。爬模系統(tǒng)模塊分割如圖20 所示。因混凝土強(qiáng)度及齡期要求，1 個(gè)循環(huán)周期約為5 天。

4.3 主梁施工

4.3.1 邊跨混凝土梁及錨碇施工

邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁分6 個(gè)節(jié)段，采用滿堂支架現(xiàn)澆。錨碇混凝土分25 個(gè)節(jié)段間隔澆筑，邊跨地錨梁分3 個(gè)節(jié)段施工。

4.3.2 斜拉段鋼梁施工

在橋塔兩側(cè)500 m 范圍采用節(jié)段懸臂施工，駁船運(yùn)送每個(gè)節(jié)段（長(zhǎng)24 m，約825 t），起重機(jī)吊裝就位，再安裝相應(yīng)的斜拉索。最大懸臂階段（考慮10年重現(xiàn)期風(fēng)速）和正常使用極限狀態(tài)下的主梁彎矩包絡(luò)如圖21 所示。由圖可知，主梁的施工階段彎矩均小于運(yùn)營(yíng)階段。

4.3.3 懸吊段鋼梁施工

不同施工方法與架設(shè)順序，將對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形及工期產(chǎn)生很大影響。下面對(duì)主梁懸吊節(jié)段的三種施工方案進(jìn)行比選［7］。

（1） 方案1

方案1 為主梁節(jié)段由跨中向兩側(cè)逐段吊裝。隨著吊裝節(jié)段的增多，主纜中央高程逐漸下降，最終接近設(shè)計(jì)線形，施工步驟如圖22 所示。

該方案能使懸臂施工和主纜懸吊施工同時(shí)進(jìn)行，大幅度縮短工期。但由于主纜雙吊桿在橫橋向的間距較小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，風(fēng)荷載會(huì)引起主梁產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)。各施工階段的主梁一階頻率及35 m/s風(fēng)速下主梁扭轉(zhuǎn)斜率如表1 所示，這將造成鋼箱梁安裝連接非常困難，故該方案施工性較差。

表1 各施工階段的一階頻率及風(fēng)速35 m/s 時(shí)主梁扭轉(zhuǎn)斜率

（2） 方案2

方案2 為主梁節(jié)段由兩側(cè)向跨中懸臂吊裝，吊裝過(guò)程中，21#節(jié)段與懸臂端鉸接，待所有節(jié)段吊裝完畢后，21#節(jié)段再與懸臂端焊接。21#節(jié)段與懸臂端的鉸接方式如圖23 所示，采用鉸接方式能夠有效降低施工過(guò)程中主梁彎矩。斜拉索、吊桿及主梁編號(hào)如圖24 所示。

在安裝最后節(jié)段時(shí)，自重作用下鉸位置的張開(kāi)角為1.4%，風(fēng)荷載作用下張開(kāi)角變化為±1.7%，這樣，會(huì)引起鉸縫兩側(cè)鋼箱梁的撞擊。同時(shí)，采用該施工方案，21#節(jié)段吊桿的軸力大于自身允許值，需設(shè)置臨時(shí)吊桿。

（3） 方案3

方案3 為主梁節(jié)段由兩側(cè)向跨中懸臂吊裝，在主梁21#，22#節(jié)段設(shè)置臨時(shí)可調(diào)節(jié)吊桿，在吊裝其他節(jié)段時(shí)，可通過(guò)調(diào)整臨時(shí)吊桿的軸力來(lái)改善主梁和永久吊桿受力，待所有斜拉索、吊桿和主梁安裝完畢后，將21#，22#節(jié)段的臨時(shí)吊桿更換為永久吊桿。主跨懸吊段主要施工步驟如表2 所示。

表2 方案3 的主跨懸吊段主要施工步驟

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、操作步驟、臨時(shí)設(shè)施費(fèi)用和工期后，選擇了方案3。

5 專題試驗(yàn)研究

5.1 抗風(fēng)性能

為評(píng)估裸塔、主梁最大懸臂、正常使用等狀態(tài)的抗風(fēng)穩(wěn)定性及位移，米蘭理工大學(xué)開(kāi)展了1/180 縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，如圖25 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在60 m/s 風(fēng)速下仍具有良好的氣動(dòng)穩(wěn)定性［8-9］。

5.2 斜拉索力學(xué)性能

5.2.1 拉伸試驗(yàn)

斜拉索樣件由127 根1960MPa 級(jí)鋼絞線和弗萊西奈H2000 型錨固系統(tǒng)組成，拉伸試驗(yàn)由美國(guó)芝加哥建筑技術(shù)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)，最終破壞荷載約為36 MN。

5.2.2 單根鋼絞線疲勞試驗(yàn)

針對(duì)斜拉索在轉(zhuǎn)向器位置可能存在的疲勞問(wèn)題，開(kāi)展了單根鋼絞線彎曲疲勞試驗(yàn)。對(duì)鋼絞線施加125 MPa 的軸向應(yīng)力幅和12 mrad 的轉(zhuǎn)角振幅，并使二者峰值同步，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向器構(gòu)造的可行性。

5.2.3 斜拉索足尺模型試驗(yàn)

制作109 根鋼絞線成品拉索，包括索體、H2000錨固系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器、護(hù)套等，由德國(guó)不倫瑞克MPA 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行疲勞測(cè)試。施加設(shè)計(jì)軸向力并伴隨125 MPa 的應(yīng)力幅和-3～+9 mrad 的轉(zhuǎn)角振幅。經(jīng)200萬(wàn)次循環(huán)荷載，成品試樣未出現(xiàn)裂紋和損壞。

5.3 液壓阻尼器的長(zhǎng)期有效性

開(kāi)展了大位移量液壓阻尼器的長(zhǎng)效性試驗(yàn)，模擬其真實(shí)位移、速度、阻尼力等參數(shù)條件，阻尼器液壓活塞累計(jì)行程400 km 時(shí)，其阻尼系數(shù)仍保持穩(wěn)定，且能夠適應(yīng)-20～60 ℃的溫度變化。

6 結(jié) 語(yǔ)

博斯普魯斯海峽三橋?yàn)槭澜缟系谝蛔鐝匠椎男崩?懸索協(xié)作體系橋梁，融合了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其設(shè)計(jì)特色與關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）為適應(yīng)斜拉-懸索協(xié)作體系的受力需要，在主跨和邊跨采用了外形一致的鋼箱梁和混凝土箱梁截面，在縱立面設(shè)置了250 m 的斜拉索與吊桿重疊過(guò)渡段，在邊跨因地制宜地采用了自錨和地錨相結(jié)合的形式。提高了全橋結(jié)構(gòu)剛度，并實(shí)現(xiàn)了主梁剛度沿縱橋向的平順過(guò)渡。

（2）A 字形塔柱便于主纜和斜拉索分成4 個(gè)索面布置，倒角的三角形截面造型美觀，空心塔肢可以通過(guò)滑模和爬模兩種方法分別進(jìn)行下塔柱和上塔柱的施工，經(jīng)濟(jì)合理且穩(wěn)定性好。

（3）在抑制位移及減隔震方面，為減小重載下主梁的縱向位移并兼顧橋梁減隔震作用，采用了改進(jìn)型圓柱面摩擦擺支座。另外，采用大行程外置阻尼器抑制拉索振動(dòng)。

（4）為減輕主梁在施工中的不利受力狀態(tài)，在斜拉與懸索過(guò)渡區(qū)設(shè)置了臨時(shí)吊桿，在中央懸吊段的吊裝過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)臨時(shí)吊桿內(nèi)力改善吊桿和主梁內(nèi)力。