[分享]三塔悬索桥适应性及发展展望

2006年11月，在泰州长江公路大桥设计推荐方案的选择上，业内分歧十分明显。选用主跨1328m两塔三跨悬索桥，被认为技术成熟，但主墩设置在深水区；选用主跨2000m以上悬索桥，则造价高。最终，主跨2×1080m三塔悬索桥方案作为推荐方案被采纳。当时，智利查考海峡大桥大跨度三塔悬索桥虽然经过多年研究，并未实质性实施，世界上建成的跨度最大的多塔悬索桥跨度为240m。

一年以后，马鞍山长江大桥力排众议，同样选用三塔悬索桥作为实施方案。其后，鹦鹉洲桥选用了三塔四跨结合梁悬索桥，瓯江北口桥选用了三塔四跨双层悬索桥。

10年来，国内还建成了福州螺洲大桥、银川滨河大桥等中小跨度三塔悬索桥，在建的三塔悬索桥有温州瓯江北口大桥、襄阳庞公大桥。此外，长江下游、海湾通道方案研究中，常以三塔悬索桥作为推荐方案。这些三塔悬索桥结构形式各不相同，都表现出对建设条件良好的适应性。

与传统的两塔悬索桥相比，虽然都是以悬索为承重结构，体系上的差别十分显著。根本原因在于，具有两个主跨的悬索桥，其控制性工况、结构约束体系均与传统两塔悬索桥不同。包括主缆与主塔间的约束关系不同，即主缆对中塔塔顶的约束较两塔悬索桥弱；加载工况不同，理论上会出现一个主跨满载、一个主跨空载的极端工况；习惯用来反映桥跨结构刚度的挠跨比（挠度/跨度）的物理意义不同。

长期以来，特大跨度桥梁一直是悬索桥的固有领地，源于悬索桥的结构特征：一是主梁基本不受轴向力，主梁的截面尺寸与跨度没有对应关系；二是主塔纵向受到主缆强劲约束，稳定问题不突出；三是锚碇可以设计成重力式结构；四是由高强度钢丝编织而成的主缆是受拉结构，没有受压失稳的问题，主缆全长范围内没有截面削弱，并且受力相差不大；五是吊索是竖直拉索，吊索自重不会造成刚度折减，吊索风振问题不突出；六是地锚式悬索桥水平地震惯性力的大部分经主缆传力到锚碇，结构抗震性能好。产业方面，我国主缆、吊索、钢梁工厂效率高、产能大。

伴随通航要求日益提高，国内悬索桥跨度迅速突破，多个工程在研究跨度2000m以上悬索桥方案。

随着跨度的增加，悬索桥的工程造价迅速增加。同时对风的敏感性增加，抗风稳定性需要更加严格的技术保障。为了充分应用悬索桥的跨越能力，在不加大主跨跨度的前提下，采用几个主跨跨越宽阔水域，一直是设计者的梦想。美国、欧洲、日本一直在探索建设三塔悬索桥。约20年前，我国在青岛海湾大桥、阳逻长江大桥方案研究中提出过三塔悬索桥方案，认识到需要解决的关键技术问题。

有了明确的需求，再加上制造业支持，以及对关键技术问题的清晰认识，我国将世界三塔悬索桥的跨度，从之前的240m一步推进到1080m。

泰州长江公路大桥桥位区河流是下游心滩的分流区，深泓在右侧，河床中部范围河床面高程在-15～-16m之间，适合摆放主墩基础。主通航孔通航净空为760×50m，并需要为船舶进出锚地留出220×24m的专用航道，需要两个通航孔；桥址区船舶航行繁忙，需要尽量减少水中基础，并为两岸船舶进出码头留出近岸的航行通道。据此采用主跨2×1080m、中间浅水区设置一个主墩、南北主塔在岸上的三塔悬索桥（见图1）。该桥2012年11月通车，是首座大跨径三塔悬索桥，实现了以悬索为承载结构桥式的突破；首次采用纵向人字形钢结构主塔，作为主要技术路线解决关键技术难题；实施了入土深度最大的水中沉井基础，实现了大型水中基础适用与经济的良好统一。此后，人字形钢中塔和水上大型沉井基础技术得以推广。

图1

牛屯河边滩治理之前，马鞍山大桥桥址区河道不断调整。40多年来，深泓摆动最大幅度约1200m，相应航道位置发生变化。通航要求单孔双向净宽不小于790m，并要求“为增强对航道变化的适应性，桥型方案尽可能覆盖通航水域摆动范围”。主跨2×1080m三塔悬索桥，较好地适应了深泓线和航道的变化（见图2）。

图2

为适应水位变化，中塔选用了下端钢筋混凝土结构、上端钢结构的混合塔；为进一步改善主缆与中塔鞍座的抗滑移性能，加劲梁与中塔下塔柱固结（见图3）。

图3

鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，距下游长江大桥约2.0km，长江大桥通航孔跨度128m。桥址区上下行航道均在水面中线左侧，航道位置受水位变化影响，洪水期航道靠岸边，需要采用较大的跨度覆盖变化的航道宽度；右岸武昌岸有造船厂专用航道。河道整治规划要在水面中央建造长顺坝，该处适合放置主塔基础；两岸江滩公园是市民休闲中心，左岸江滩建设桥梁主题公园；两岸均有防洪大堤需要跨越，三塔四跨成为合理选择。

与三塔两跨悬索桥相比，三塔四跨悬索桥在安装控制、线形保障上有更高的要求，需要更加严密的技术保证；采用结合梁做大跨度悬索桥加劲梁，相应架设方式、加劲梁支承方式均有特色。首次采用新型锚碇沉井基础，适应城市中心区密集高层建筑环境下施工，保障沉井周边地貌的原状特征。 

温州瓯江北口大桥距温州永强机场约8.5km，桥轴线正对规划跑道方向，航空限高要求桥塔塔顶高程不超过154m；桥位处有两处航道，通航净空分别为474×53.5m、274×53.5m，需要两个通航孔；桥位上下游各预留600m岸线，用于建设万吨级码头（见图4），主塔只能设置在码头前沿线之内。该桥上受航空限制、下有53.5m通航净高，必须充分利用悬索桥桥面以上主塔相对不高的优势，在主塔位置受码头前沿线限制、跨度明确的前提下，利用悬索桥的跨越能力，布置三塔悬索桥。

图4

平面上，北岸在机场雷达站和控制性建筑物之间通过，南岸灵昆岛上则受规划码头约束；甬台温高速公路复线、温州市G228、市域铁路S2线需要从狭窄通道经过，采用了高速公路和G228共线的双层布置共线过江方案（见图5）。

图5

该桥之前的三座三塔悬索桥，中塔均利用钢结构的变形能力，减小两侧主缆拉力差值，防止主缆与鞍座间滑移。该桥通过增加主缆与鞍座间摩擦力防止出现滑移，具备了中塔采用A形钢筋混凝土塔的条件，通过在主缆各列束股间设置整体式钢隔板，充分利用各列束股侧压力产生的摩擦力，大幅度降低中塔工程造价，提高三塔悬索桥总体刚度（见图6）。

图6

为充分利用通道资源、降低造价，该桥研究了高速公路、G228、市域铁路S2共线过江的“三桥合一”三塔悬索桥方案，地铁S2线布置在下层桥面的挑臂上（见图7）。

图7

研究表明，“三桥合一”可以实现水面以上和地下通道资源集约利用；公路与轨道交通合建可以实现大跨度桥梁结构尺寸互补，保障铁路行驶对结构侧向刚度的要求。大跨度公路桥活载与恒载的比例相对小、铁路桥则活载较大，通过合建可有效均衡活载与恒载的比例。建设人员针对该三塔悬索桥是否具备S2线的结构刚度开展了研究，分析表明，由于合建后恒载较重，结构具备了足够的遏制振动的质量，车体竖向振动加速度，乘客舒适度指标满足要求；尽管总体计算得出的挠跨比较大，仍然具有较好的轨道平顺性，经采用合理的桥面系结构，可满足S2线要求的各项平顺性指标。

庞公大桥连接襄阳市襄城与樊城、跨越汉江，距上游汉江大桥780m，通航要求一跨跨过北侧通航水域。为泄洪需要，南侧浅洪区不布设锚碇，采用了主跨2×378m三塔悬索桥，两个主跨覆盖全部水域，锚碇布置在大堤背水面。该桥采用结合梁以降低活载与恒载的比例、采用钢塔适应中塔塔顶位移，协调解决三塔悬索桥关键技术问题（图8）。

图8

福州螺洲大桥主跨2×168m自锚式三塔悬索桥，同样采用结合梁作加劲梁，以获得必要的恒载并改善路面工作条件。为解决主缆与中塔鞍座间抗滑移问题，初步设计采用鞍座下设滚轴支座降低中塔两侧拉力差值，后因滚轴支座对位移较为敏感而放弃。经磋商采用了不同于其他三塔悬索桥的抗滑移指标。

琼州海峡西线位水域宽40.4km，靠海南一侧平均水深40m以上（见图9），中通航孔布置在该区域，初步研究得出中通航孔的通航净空为单孔单向1270×73m，具有水深、深水范围大、通航要求高的特点。针对西线重点研究了公铁合建桥梁方案，以2×1408m三塔悬索桥对应两个单孔单向通航要求（见图10），同步研究主跨1408m两塔三跨共用锚碇悬索桥。基于同样通航功能，三塔悬索桥只有两个锚碇、3个主塔，共用锚碇两塔悬索桥需要3个锚碇、4个主塔，三塔悬索桥经济性十分显著。

图9

图10

由于一个桥跨内一线轨道只可能通行一列货运或客运列车，列车加载长度和牵引质量都由技术标准明确限定，不会随桥梁跨度增加而增加。该公铁两用三塔悬索桥活载与恒载的比值，得以控制在结构设计的合理范围，主缆与中塔鞍座的抗滑移问题可以方便得到解决。三塔悬索桥方案由于结构以中塔为对称，体系上可在中塔限制加劲梁纵向移动，轨道纵向稳定性得以改善。

瓯江北口桥中塔选用相对刚性的A形钢筋混凝土塔，极端工况下塔顶位移±0.15m，只有泰州桥的8.6%；两侧主缆拉力的水平分量差值34000KN，是泰州桥2.7倍，活载下主缆在中塔塔顶处接近于锚固，已经可以不考虑活载作用时主缆对中塔塔顶的纵向约束效应，为扩展到4个以上主塔提供了根本保证。国内缆索制造实现了高效、大规模工业制造，单根束股重量业已达到150t，用作127丝5.25mm直径，束股长度可到6000m以上。贵黄高速公路阳宝山大桥研究并采用了空中编丝形成主缆，突破了主缆连续长度的限制。基础方面，瓯江北口桥中塔基础顶面弯矩约100万tm，国内在建铁路桥基础受力已经超过这个量值，经发展后可进一步提高。可以认为，基于目前国内的设计、施工、工业制造技术，已经具备了推广到四塔以上的大跨度悬索桥的条件。

国内已建成的大跨度三塔悬索桥，桥型均以满足复杂条件的通航为依据选取。琼州海峡通道方案研究，以三塔悬索桥的两个大跨覆盖深水区，减少了基础和主塔数量；襄阳庞公桥用南主跨覆盖泄洪水域。基于满足通航要求、降低工程造价，三塔（多塔）悬索桥显示出巨大的技术经济优势。

从螺洲桥的2×168m，到琼州海峡桥梁方案的2×1408m，针对不同的活载占比，采用不同的技术路线。螺洲桥初步设计中，研究了主鞍座底下设大吨位支座的方案，该技术路线已在山区悬索桥中得到推广应用。国内三塔悬索桥结构形式丰富多样，有三塔两跨和三塔四跨；加劲梁有钢箱梁、钢桁梁、结合梁；中塔有钢塔、混合塔、钢筋混凝土塔；结构体系也各不相同，如泰州桥的纵向弹性索、马鞍山桥塔梁固结、鹦鹉洲桥加劲梁在中塔处非连续、瓯江北口桥纵飘。技术路线、结构体系、结构选型各不相同，反映出国内对于三塔悬索桥技术的全面掌握，可以根据建设条件自由选择，为三塔（多塔）悬索桥发展打下了坚实基础。

一个世纪前，三塔悬索桥的技术经济优势就已为业界知悉，欧、美、日都作过技术探讨。然而，建成的一些中小跨度多塔悬索桥，采用在塔顶设置水平拉索、或者主缆在塔顶锚固的方式，不具有推广到大跨度多塔悬索桥的可行性，建成的最大跨度多塔悬索桥跨度为240m。2006年起，我国工程师经充分研究，将多塔悬索桥跨度一步推进到1000m以上，并在随后建成了跨度成系列、结构体系和结构形式多样的三塔悬索桥，以适应各自的工程特点，业已具备了推广与发展的条件，三塔（多塔）是悬索桥重要发展方向。