打通粤港澳大湾区“黄金要道”——世界首座公铁同层合建多塔斜拉桥设计创新

珠机城际金海大桥位于广东省珠海市，是一座城际铁路与高速公路同层合建的四塔斜拉桥。珠机城际连通拱北、十字门、横琴、三灶等多个片区，沿线口岸聚集，不仅是内地及珠三角地区联系澳门的重要客运通道，未来，澳门轻轨将与珠机城际铁路联通，实现无缝换乘，其建设对促进粤港澳大湾区交通基础设施互联互通、珠澳城市间融合发展有重要作用。

金海特大桥主桥采用3×340m四塔三主跨斜拉桥，是世界首座公铁同层多塔斜拉桥，大桥在结构体系和结构型式上有诸多创新，并采用大节段、装配化的施工方案，克服了濒海频繁遭受台风的公铁两用多塔斜拉桥在设计和施工中的挑战。

珠海市区至珠海机场城际铁路二期起于横琴岛，终点为珠海机场，正线全长22.75km。为节省桥位资源，珠机城际铁路金海特大桥与金海高速公路并行跨越磨刀门水道出海口至鹤洲南围垦区，再跨白藤河水道至紫竹湾，工程地理位置见图1。磨刀门是西江的主要出海口门，水道水面宽2.3km左右，地形较平缓，天然水深约8～12m，线路与水流方向夹角为84°。潮汐属于不正规半日潮，年平均潮差在1m左右，属于弱潮河口。桥址地处台风多发地区，平均每年1.3次，最多年份4次。场区为海积平原地貌，海滩前缘，第四系海陆交互堆积层厚度约40m，场区下伏基岩为花岗岩，基本承载力为1000kPa。

图1 工程地理位置图

（1）铁路技术标准：城际铁路，有砟轨道；正线双线，线间距4.6m；设计行车速度160km/h；ZC活载；到发线有效长400m。

（2）公路技术标准：高速公路；双向6车道，桥面宽2×16m；设计行车速度100km/h；公路-I级。

（3）通航标准：Ⅰ级航道，通航5000t级海轮；通航净宽310.2m，净高32m，最高通航水位为+2.94 m，最低通航水位为-0.54m。

（4）抗风设计标准：磨刀门地处珠江三角洲口门台风多发地带，设计基准风速取48.5m/s。

（5）抗震设防标准：抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g。

磨刀门水道现状通行3000t级海轮，单孔双向通航；规划为Ⅰ级航道，通行5000t级海轮，双孔单向通航孔；大桥桥位跨越了中海油天然气管道，由于天然气管道埋设只满足2000t级海轮通航安全要求，且在大桥建设前天然气管道迁移或重新敷设的可能性较小，故大桥需要布置3个通航孔。

大桥跨度布置在设计中需考虑航道代表船型、《通航海轮桥梁通航标准》、桥墩的设置所产生的紊流及规划航槽的选线，确定3000t级海轮单孔双向通航孔的净宽应不小于299m，5000t级海轮双孔单向通航孔的净宽应不小于227m，通航论证最终确定主跨采用340m。

对于3x340m多主跨桥，可选桥型有斜拉桥、钢桁梁柔性拱及钢桁拱桥等，结合桥址处建设条件，以及多主跨特点，考虑经济性、施工难度及施工过程抗风稳定性，最终确定采用斜拉桥方案，跨度布置为（58.5+116+3×340+116+58.5)m，桥长1371.8m（边支点至梁端0.75m），桥式布置如图2所示。

图2 斜拉桥桥式布置（单位：m）

受铁路设站、公路接线标高控制,大桥采用公路与铁路同层方式合建,中间通行双线城际列车,两侧通行双向6车道高速公路。桥面组成为16.25m公路+2.75m分隔带+11.6m铁路+2.75m分隔带+16.25m公路，桥面总宽49.6m。

图3 公铁同层断面布置图（单位：m）

结合该桥的跨度、桥面宽度、墩高等条件，研究了桥塔中置于主梁上和外包主梁两种方案（以下简称桥塔中置方案、桥塔外包方案）。

图4 桥塔中置方案

图5 桥塔外包方案

桥塔中置方案采用钢结构桥塔，虽然用钢量稍大，但抗震性能好，基础规模小，在构造上便于与钢梁形成固结。考虑到桥址位于入海口，海上施工条件恶劣、工效低，钢塔可采用整体吊装方案，施工工期短，现场工作量与高空作业量少。桥塔外包方案采用混凝土结构桥塔，横梁跨度达54.6m，设计及施工难度大，基础规模较大，施工工期较长。

从景观效果而言，桥塔中置方案布置紧凑，景观效果好;桥塔外包方案桥塔横向尺寸与高度比例失调，景观效果较差。

虽然桥塔中置方案主体结构用钢量稍大，但综合考虑混凝土方量、基础规模及大临工程等，2个方案造价基本相当。

综合考虑以上因素，该斜拉桥最终确定采用桥塔中置方案。

（a）桥塔外包

（b）桥塔中置

图6 方案对比效果图

金海特大桥3×340m斜拉桥为公铁合建桥梁，活载较大，对结构刚度要求高，采用何种结构体系提高结构刚度、减小温度效应及改善结构受力成为结构设计的关键。为此，在总结既有多塔斜拉桥（4塔及以上）经验的基础上，对以下几种结构体系进行比选。

体系一：刚构-连续体系，该体系为首次采用，即两个中塔采用塔梁墩固结形式，两个边塔采用塔梁固结，墩梁分离，梁底纵向设双排支座。

体系二：刚构-半漂浮体系，两个中塔采用塔梁墩固结形式，边塔塔墩固结，梁墩之间设支座。

体系三：梁式支承体系，塔梁固结，墩梁分离，梁底纵向设双排支座。

体系四：半漂浮体系，塔墩固结，梁墩之间设支座。

不同体系分析比较中，4个桥塔全部为钢塔，主梁为挑臂式钢梁，斜拉索规格相同；为减小固结体系下温度力效应，主墩采用双肢薄壁墩，墩高约40m，厚度3.6m；双排支座纵向间距10.4m；主墩基础均为20-φ3.0m钻孔嵌岩桩。

图7 不同结构体系方案

不同结构体系主跨挠度、塔底弯矩及斜拉索应力幅对比如图8。

图8 不同约束体系结构响应

经研究，无论哪一种体系，在静活载作用下，中主跨下挠变形较边主跨大25％～30％。刚构连续体系结构竖向刚度最大，斜拉索活载应力幅最小，塔底弯矩也相对较小，既提高了结构刚度，又释放了长联温度力对边塔墩的不利影响，最终采用刚构连续体系。

为适应公铁同层布置要求，结合钢结构桥塔布置在桥面中间的需要，并使结构更加轻盈美观，节省用钢量，主梁采用了一种新型的挑臂式钢箱梁。

钢箱梁顶宽49.6m，由中间宽17.6m的主箱（单箱三室，中室宽11.8m，边室宽2.9m，边室对应桥塔位置，以及斜拉索梁上锚固区，同时兼做公路、铁路桥面分隔区），加上两侧各长16m的挑臂组成，梁高4.676 m（横断面中心处内高），顶板横向设2％的人字坡，主梁标准横断面如图9所示。单箱三室的构造便于钢箱梁的腹板与钢塔的壁板连接，实现塔梁固结。

图9 主梁标准横断面（单位：cm）

沿纵向每隔3m设置一道顶板横梁，在箱外每隔6m设置一道斜撑。无斜撑的横梁通过小纵梁支承于有斜撑的横梁上。主箱中室内横隔板采用通透性好且节省材料的空腹桁架式结构，每隔3m设置一道斜撑（内撑1、2），边室内每隔3m设置一道横隔板。

箱梁顶板厚16mm，钢箱梁底板厚16～24mm，钢箱梁主箱共设4道直腹板，外腹板与内腹板板厚一致，板厚24mm。斜撑采用箱形截面，箱外斜撑内宽600mm，外高500mm，腹板厚16mm，顶底板厚20mm。箱内斜撑外宽360mm，外高360mm，腹板厚16mm，顶底板厚16mm。钢箱梁边室横隔板厚16mm。

结合受力需要及方便加工，钢箱梁除顶板行车区域采用U肋外，其余均采用板肋。钢箱梁在工厂分节段加工制造后，运至现场悬臂拼装。主梁节段间连接采用栓焊结合，在工厂制造时，长24m标准节段各构件间全部为焊接，节段最重765t（不含塔梁固结段）；在工地拼装时，除桥面顶板、遮板焊接外，其余均为高强螺栓连接。

相比整箱截面，挑臂式钢箱梁既减少钢材用量，又方便工厂加工及现场节段对接。

正交异性钢桥面铺装型式有两大类，一类为刚性铺装，即正交异性组合桥面板，其又分为两种，一种由正交异性钢桥面板及其上的钢筋混凝土板组成，另一种由正交异性钢桥面板及其上的超高性能混凝土组成。另一类为柔性铺装，主要有浇筑式沥青、环氧沥青、双层SMA及环氧薄层+SMA等4种。

鉴于公路区域采用的大挑臂斜撑钢翼缘板局部刚度相对较弱，局部变形较大，不宜采用柔性桥面铺装方案，宜采用共同受力的组合桥面板铺装方案，以提高桥面局部刚度，改善正交异性板的受力及疲劳性能。UHPC性能好，但其造价过高，未予采用。

经研究比选，大桥公路区域铺装采用“11cm混杂纤维混凝土+防水粘结层+4cm高粘高弹SMA-10。混凝土通过剪力钉与钢板连接；混凝土内掺60kg/m3钢纤维，以及1kg/m3的高模量合成纤维；纤维混凝土强度等级C50，抗拉标准强度≥5MPa。

该铺装方案经济性较好，约490元/平方米。不足之处是自重稍大，本桥跨度340m为中等跨度，有条件采用。 

主桥共4个桥塔，均为钢结构，桥面以上塔高101.8m，为主跨的1/3.340，桥面以上纵横向均为倒Y形。桥塔上塔柱顺桥向宽度7m，在距塔顶61.5m处分成两肢，下塔柱每肢纵向宽度3.6m，在梁顶塔肢距离10.4m；桥塔上塔柱横桥向宽度6.4m，下塔柱横桥向宽2.9m，桥塔构造如图4所示。

与桥塔对应的主墩采用钢筋混凝土双肢薄壁结构，每肢厚度3.6m，墩高40m。

钢塔主体结构采用Q370qD钢，上塔柱壁板厚36mm，边塔下塔柱壁板厚40mm，中塔下塔柱壁板厚48mm，壁板采用板肋进行加劲，板肋厚为28mm与32mm，横隔板厚16mm，间距2.4～3.0m。

钢桥塔下部4个塔肢与钢梁边箱采用高强螺栓连接，将钢箱梁中室内斜撑调整为实腹式横隔板，纵向间距3.6m，与塔肢纵向尺寸对应。由此沿梁高方向形成两个纵向长3.6m，横向宽17.6m的箱室，该箱室伸出梁底5.8m，其中4m埋入桥墩内，剩余1.8m高度内灌注混凝土，与桥墩形成固结连接。为避免钢梁与塔梁墩固结段刚度突变，在钢梁顶底板设置变高加劲肋，使刚度平顺过渡。

斜拉索采用LPES7-199～LPES7-379型Ⅱ级松弛平行钢丝拉索（φ7 mm镀锌平行钢丝成品索，钢丝标准强度fpk=1770MPa），桥塔每侧各设13对斜拉索，全桥共设104对，按两平行索面扇形布置，下端锚于主箱边室内，锚点纵向间距12.0m，横桥向间距14.9m；上端锚于塔柱内，锚点竖向间距2.0～3.0m，横桥向间距3.9～5.0m。

边塔及中塔基础采用20根φ3.0m钻孔桩，顺桥向桩间距6.5m，横桥向桩间距6.5m，承台平面尺寸为24.5m×31.0m，厚5.0m。边墩及辅助墩采用钢筋混凝土板式墩，墩高37.0～41.5m，整体式基础，边墩基础采用17根φ2.0m钻孔桩，辅助墩基础采用12根φ2.0m钻孔桩。桥塔和桥墩钻孔桩桩尖均嵌入W2弱风化岩层内。

金海大桥桥址处台风频发、设计基准风速较高，达38.5m/s，本桥主梁宽近50m，抗风需要重点考虑，分别进行了全桥气弹性模型试验（1：120）、桥塔风洞试验（1：60）、主梁节段模型试验（1：65、1：25）。

-3°、0°、+3°各不同风攻角试验工况下，试验风速达到颤振检验风速后，仍未观察到最大双悬臂状态和成桥状态弹性悬挂节段模型系统的模型有明显的振动，更没有出现发散性振动，大桥颤振稳定性满足抗风要求。

考虑到桥塔自立状态风可能从不同方向吹来，在进行风洞试验时分别考虑了风偏角β=0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°十种情况，试验过程中未观测到桥塔明显的涡激共振和驰振现象。

开展了两种不同缩尺比节段模型试验：（1）缩尺比1:65，模型全长2300mm，宽度763mm，长宽比大于3.0，竖弯阻尼比为2.9‰，扭转阻尼比为2.6‰。（2）缩尺比1:25，模型全长4000mm，宽度1984mm，长宽比大于2.0，竖弯阻尼比为2.8‰，扭转阻尼比为3‰。

（a）缩尺比1：65

（b）缩尺比1：25

图10 主梁节段气弹模型

进行了+3°、0°、-3°三种来流风攻角时节段模型的涡激振动性能试验，裸梁状态下，未发生涡振现象。采用常规的路缘石设计时，竖弯振动最大振幅达0.156m，对应风速约12m/s；扭转振动最大扭转角度0.555°，对应风速约18m/s，均超过规范限值。 

由于成桥状态下安装的路缘石、栏杆及检查车轨道改变了结构气动外形，导致涡振振幅超限，需要对气动外形进行优化调整。

试验表明，取消路缘石，改用较低的挡水板构造，能有效抑制主梁涡激共振。由图11可以看出，在+3°风攻角时，实际风速为11～13.4m/s之间会发生竖弯涡激共振，最大竖弯振动RMS值为0.0264m，未超过规范限值。在实际风速为25～28.5m/s之间，主梁会发生扭转涡激共振，最大扭转角RMS值为0.103°，未超过规范限值，但其起振风速偏高，超过20m/s，且涡振最大峰值出现点已超过25m/s。由于涡振是在低风速下持续的均匀流场出现的一种风致振动现象，在高风速下由于紊流度大，且风速较高时难以长时间保持稳定。

图11 涡振试验结果图

考虑到桥址位于入海口，海上施工条件恶劣，工效低，施工贯彻“大型化、工厂化、标准化、装配化”的理念。下部结构采用常规的水上施工方法，基础采用先平台后围堰施工，桥墩采用翻模法施工。充分利用桥址水深条件，以及现有水上大吨位起吊装备，钢梁、钢塔采用大节段工厂制造、现场拼装，减少海上作业时间，缩短工期。

（a）主梁80m节段吊装

（b）主塔吊装

图12 大桥施工实景图

钢梁按大节段施工，墩顶、边跨等非标准段，长46m～80m，最重约2600吨，采用大型浮吊整体吊装；标准节段长24m，采用桥面吊机悬臂拼装。钢塔在工厂整体制造，平卧状态全长103.4m（含塔冠）、重约2700t，浮运至现场，采用3600t大型浮吊起吊、1200t浮吊辅助竖转，就位安装。