多塔悬索桥技术创新

一、研究背景与意义

我们知道，跨越海峡，实现陆路沟通，是洲际战略工程或国家战略工程。像通过欧亚大陆的直布罗陀海峡，亚洲与北美洲之间的白令海峡，以及台湾海峡和琼州海峡。建设长距离的跨海桥梁，是实现这一目标的有效途径。

悬索桥是跨越能力最强的桥型，目前主跨2300m的张靖皋长江大桥已经开工建设，而主跨3300m的意大利墨西拿大桥已经完成设计。我们知道：大跨径悬索桥有其跨径极限，仅单纯地增大跨径，将会面临材料性能问题，抗风稳定性问题，施工风险问题以及急剧增加的难以承受的工程造价， 能否像高压输电线路一样的修建多塔悬索桥？

发展多塔连跨悬索桥，是公认的实现长距离跨越的最佳方式。早些年，日本曾提出了跨越津轻海峡的多塔悬索桥方案。墨西拿海峡大桥在方案比选阶段也曾提出了三塔悬索桥方案。目前，大跨径多塔连跨悬索桥概念还停留在双主跨（三塔）为主，没有人探索过三主跨及以上的方案，其主要原因在于大量的科学问题需要解决。

制约多塔悬索桥最主要的问题是 中塔效应 。如果中塔刚度偏小，桥塔的偏位可与主缆不平衡力进行协调，滑移风险降低，但主跨的挠度将会增大；如果增大中塔刚度，可满足挠度要求，但滑移风险增加。

目前解决中塔效应的途径有二种方法：

第一种： 共用锚碇方案 。美国旧金山-奥克兰海湾大桥、日本备赞濑户大桥和日本来岛海峡大桥均采用了共用锚碇方案。然而，该方案并未实现真正意义上的多塔悬索桥，且，海中共用锚碇施工困难、造价高昂，对航运要道也造成不利影响，不适合大规模推广。

第二种： 柔性中塔方案 。 在中国，已建成了三座三塔悬索桥，如泰州长江大桥、马鞍山长江大桥和鹦鹉洲长江大桥。 以上三座桥梁以钢结构或钢-混混合结构作为 柔性中塔 ，实现了三塔悬索桥体系，但桥梁刚度较小，主梁挠度会较大。 尤其是面对海洋环境时，抗风问题突出，结构维护费用高。 或者，我们可以增加恒活比，加大主缆直径，一定程度上可以降低中塔效应的影响，但其经济性值得商榷。 显然，这种柔性中塔结构体系难以推广至四塔、五塔以及刚度要求高的多塔体系，例如整体结构刚度显著降低，抗风稳定性不足等问题。

通过以上讨论，我们可以发现，多塔悬索桥的核心问题是整体刚度与抗滑安全性的权衡。

第一，巧妙利用悬索桥恒活比大的受力特点。

第二，利用中塔的纵向刚度提高，在活载情况下，中塔可发挥锚碇的作用。

第三，因此需要提高中塔缆鞍抗滑能力。

若实现了上述目标，多塔悬索桥可实现单跨内可以自成体系，连续跨越能力得到提升，结构体体系由繁入简，结构刚度得到跃升，抗风性能优越，结构耐用性更优，前人积累的双塔悬索桥知识与经验可以应用。同时，也为跨越宽阔海峡、江口的大型跨海工程提供技术基础。

二、刚性中塔多塔悬索桥

多塔悬索桥的设计受到中塔刚度取值的制约。

通过理论推导，学者们建立了主梁在活载作用下的挠度、中塔偏位和中塔刚度三者之间的关系。由该方程组，我们可以获得在特定中塔刚度下的主梁挠度和中塔塔顶位移。

我们还发现：随着中塔刚度的增加，桥梁整体刚度增大，跨挠比迅速增大，且刚度到达一定值后，增长较为缓慢。该规律同样适用于塔顶位移，而且我们发现，当中塔刚度较大时，在单中跨加载情况下，活载缆力绝大部分由加载跨两塔承担，非加载跨的活载缆力占比很小，也就是跨中缆力不会传递到边跨；由此可以判断，过多的增加中塔刚度意义不大， 边际效益有限 。

同样的，我们利用弯扭耦合颤振计算理论，初步分析了以上几种悬索桥的颤振性能，其结果如下所示。

• 跨径增大，颤振临界风速降低。

• 桥塔数量由4增到5，颤振性能略有降低。

• 增大中塔纵向刚度可以大幅提高多塔悬索桥颤振临界风速。

由以上结果可以看到：基本上所有曲线都存在一个刚度的 拐点 ，且拐点均在主缆纵向刚度值的10倍点附近。由此规律，我们总结了实现中塔活载锚碇作用的设计方法，即： 可以利用10~14倍的刚度关系来初步拟定中塔的刚度 。在此条件下，多塔悬索桥基本可同时满足抗滑和挠跨比的要求。特别地，主缆的纵向刚度值可按上式进行估算。

为了验证我们的设想，我们进一步计算了几种悬索桥方案，包含公路桥梁和公铁合建桥梁。

由以上结果可以看出，我们前期的设想均可实现，但大家都可以看到， 此时的名义摩擦系数必须要达到0.3 。

我们搜集了几座已经建成的多塔悬索桥主要力学设计指标。

可以看出，除了查考大桥和瓯江北口大桥之外的几座大跨径多塔悬索桥中塔刚度均较低。

在使用了较大刚度的混凝土中塔后，北口大桥的挠跨比和中塔顶纵向位移显著低于其他几座多塔悬索桥。

综合以上研究，刚性中塔悬索桥技术优势如下：   

然而，索鞍的抗滑能力是刚性中塔悬索桥技术的核心 。  

三、高摩擦型索鞍技术

主缆与索鞍抗滑移计算公式采用的是欧拉公式，将整根主缆简化成一根缆绳在鞍槽内滑移进行计算的，而主缆是由上万根钢丝组成，欧拉公式无法精确分析到每根索股/钢丝的滑移行为。对于抗滑要求更高的多塔悬索桥来说传统的计算理论无法满足其计算需求。

先前的小型模型试验所做的试验工况少、数据少，没有摸清楚缆鞍的滑移机理，其所得到的名义摩擦系数不具备普适性。同时采用数值分析方法无法用于模拟主缆在索鞍内的滑移行为。

针对上述问题，我们开展了多工况试验研究，探明了缆鞍滑移机理，并提出了具备普适性的钢丝级别的缆鞍抗滑移理论与评估方法。 并针对多塔悬索桥对缆鞍抗滑移的高需求，发明了 高摩擦型索鞍 以及提高缆鞍名义摩擦系数的各项可行的技术路径。  

由于试验需满足多工况、多种抗滑移的索鞍构造的需求，我们发明了组拼式索鞍用于试验研究。该索鞍由底座和鞍体组成，采用高强螺栓连接。底座底部设有转动轴，鞍体由侧板、支承板、竖隔板采用高强螺栓连接组拼而成，可现场根据不同工况组合拼装。   

基于此索鞍，我们开展了多达142组试验工况，包括三种不同的索鞍构造，如隔片式普通索鞍、竖隔板索鞍和水平板索鞍。          

通过试验我们得到了主缆在索鞍内的滑移行为各项特征。索股滑移行为可分三为阶段：线弹性变形，局部蠕动，滑移。索力变化特征主要为：索股滑移以后，索股索力不变仍然可以承担原有的不平衡力。各索股对应的名义摩擦系数不一，表现出明显的分层滑移现象，随着滑移展开，索力不均匀性不容忽视。   

通过分析侧壁以及索槽底对主缆滑移过程中提供摩擦力的占比试验可以看出，弱化侧壁摩阻，名义摩擦系数明显降低，索股接近于整体滑移，且索股越多，影响越大，表明由少索股模型试验测得的名义摩擦系数不能直接应用于实桥，构建普适性的理论模型是亟需的。

针对侧壁摩阻力的影响，我们进行了侧向力试验，并得到了主缆与索鞍的侧向压力计算公式，此公式不仅可用于计算主缆与索鞍的侧向摩擦力，还可以用于索鞍的结构安全设计。       

以离散钢丝为力学基元、以索股为物理表征，考虑侧面摩阻效应，构建了普适性的缆-鞍抗滑理论。正因为主缆的行为并非像规范假定一样整体受力，基于此理论提出了面向主缆滑移全过程的多元联合抗滑评估准则。

依托先前试验研究成果，我们发明了设置竖向摩擦板的高摩擦型索鞍，该索鞍以极小的成本，使得名义摩擦系数由0.15提升至0.3以上，且用钢量 并未增加很多 ，推广价值极高。

此外，我们还探索了如何进一步提高名义摩擦系数的可能的措施。

第一种，减少横向列数，增加竖向排数，可在一定程度上进一步提高名义摩擦系数；提高初滑可设顶部加压；第二种，采用摩擦性更好的材料，对竖隔板进行处理，初步计算表明名可以达到初滑0.259，终滑0.765，竖隔板贡献率达到72%。                

多塔悬索桥施工既是双塔悬索桥的继承，但也有一些新特点。

四、多塔悬索桥施工方法与装备研究

多塔悬索桥称施工要求高；合拢点多，工序繁杂；连续主缆易受温度场风况的空间效应影响，因而迫切需要开展提升多塔悬索桥施工效率的特种工法、装备研究。为此，我们结合依托项目的特点，开展了如下的研究：

第一点，对于各位关心的高摩擦型索鞍，其主要包含如下几个技术问题:

1. 窄深空间如何实现连续焊接

2. 摩擦板的间隙控制问题

3. 全熔透焊缝的焊接质量

4. 焊接质量如何探伤

针对全竖向摩擦板索鞍的制造难点，研发了 窄间隙焊接机器人， 具有智能定位，自动识别，全自动焊接的功能, 整体竖向摩擦板的焊接变形量控制在设计要求的±1mm精度范围。同时，我们还研发了适用于索鞍整体摩擦板窄深空间熔透焊缝的 超声相控阵探伤检测技术 ，解决了焊缝探伤难题。        

针对全竖向摩擦板索鞍存在的深槽索股入鞍难题，我们研发了 世界首台深槽索股入鞍专用机器人及质量测控系统 。在保证入鞍质量的同时，施工效率提升30%，降低现场工人数量及劳动强度50%。     

上图可以清晰的看出来，我们的专用机器人是如何在轨道上滑动，并牵引索股进入索鞍。

该机器人包含了如下几个组成部分：

1. 行走轨道

2. 行走小车

3. 顶推压杆

4. 导引小车

5. 质控系统，可一键移槽，自动压装索股

进一步的，我们开展了诸多试验，包括设备整体功能、自动换槽试验、行走速度试验等等。

研究入鞍装备各机构运行参数对入鞍质量的影响，提出设备最佳参数；从而验证入鞍装备适用性、入鞍工艺可行性，对入鞍装备及工艺进行优化。

结合瓯江北口大桥的项目建设特点，我们发明了 主缆标尺索股架设法 和 机器视觉动态监测系统 ，用于解决索股的架设难题。突破了温度场和人工测量对调索的制约，实现了全天候架设主缆索股，架设精度和施工效率得到成倍提高。

由于主梁重量越来越大，因此我们研发了 1000t级智能重载缆载吊机 ，是目前起吊能力最大的悬索桥专用吊机，对处于施工期脆弱的工程结构意义重大。

下面介绍刚性中塔悬索桥的实践与应用情况。

五、实践与应用情况

本研究的依托工程瓯江北口大桥建设面临诸多挑战。具体来讲：

第一： 频受台风影响 。桥址区域地处浙东南沿海，台风频发；设计基本风速43.2m/s，颤振检验风速84.1 m/s。

第二： 潮差流速大 。平均潮差4-4.5m；施工设计最大控制流速2.36m/s。

第三：由于桥址临近温州永强机场， 桥梁限高+154m 。

其他还包括诸多设计难点，如海洋侵蚀环境下的防腐、耐久性设计，深厚的软土地基等等。

归结一下：

（1）附近机场航空限高，桥下分设南北通航孔，最高达3万吨级通航需求；

（2）该地区为C5-M高腐蚀环境，典型的海洋环境；

（3）桥位属于高速公路与国道的唯一走廊带。

北口大桥建设面临严峻挑战！

由于本项目处于海口区域， 结构耐久性要求高 ，因此我们首先考虑混凝土桥塔。

我们在设计阶段研究了3种不同塔型，并开展了计算：

1. 混合塔的挠跨比为1/352；全钢塔挠跨比为1/335；混凝土塔挠跨比为1/606，

2. 相比于前两种混凝土中塔结构刚度大，颤振临界风速可提高到114m/s，非常适用于本桥位处的抗风要求。

3. 同时，混凝土桥塔方案造价更低，维护成本低，耐久性显著提高。

然而，全混凝土中塔结构也对抗滑安全提出了更高的要求。当我们使用A型混凝土中塔，需要将摩擦系数提高到0.3以上才能满足2.0的抗滑安全要求；瓯江北口大桥在中塔选型阶段比较了I型钢混组合塔、人字型全钢塔、A型混凝土塔3个方案。通过分析发现3种方案其刚度逐渐增大，但其要求的摩擦系数也逐渐提高， A型混凝土塔时其摩擦系数要提高到0.3以上 。        

因此，结合依托工程的特点，瓯江北口大桥最终采用了 刚性中塔多塔悬索桥 ，该种结构类型为世界首次，采用了双层三塔4跨连续钢桁梁作为主梁，主缆缆跨布置为230+800+800+348m，三塔均采用钢筋混凝土结构，矢跨比1:10。    

下图给出了中塔详细尺寸。塔高142m，采用该种桥塔后，结构整体刚度是规范规定值的2.4倍，行车舒适性和抗风性能得到了极大的改善。我们将研发的高摩擦型索鞍成功应用至瓯江北口大桥，满足抗滑要求。

相较于已建或在建的几座多塔悬索桥，瓯江北口大桥的中塔刚度大幅提升。使用了刚性中塔， 瓯江北口大桥挠跨比为1/606， 远低于规范的1/250要求，也低于日本本四1/350的要求。

针对瓯江北口大桥项目特点，我们发明了缆梁交汇区的“ 缆载吊机+分体式吊机 ”加劲梁接力提升方法；在短时间内安全、助力瓯江北口大桥的建设，顺利地完成了超重、特殊加劲梁架设。       

研究成果将支撑后续多塔悬索桥建设，新结构和新技术在诸多多塔悬索桥建设中显现了极大的优势。    

回到最初的问题讨论，我们期望能够建设长距离跨海桥梁。然而，目前单跨悬索桥跨度已难以突破；因此，发展多塔连跨悬索桥，成为公认的实现长距离跨越的最佳方式，也是全球桥梁工程师梦寐以求的桥型。

显然，采用我们的 刚性中塔+全竖摩擦板索鞍 技术，理论上可实现悬索桥连续多跨，丰富了多跨桥梁可选择桥型，其连跨长度可以说没有绝对限制，仅限制于过长主缆的制作难度。

同时，我们提出的活载锚碇设计方法同样为多塔悬索桥刚度设计提供了极为简便的方法。

本质上来说，刚性中塔是实现活载锚碇的唯一途径，基于活载锚碇的设计理念和方法越来越获得认可和推崇。

特别地，我们的多塔悬索桥新技术在跨海大桥中具有明显的优势，相信在不久的将来，我们的新技术将会越来越多的应用至跨海工程当中。        

总的来说，我们的刚性中塔+高摩擦型索鞍，本质上是多塔悬索桥的新桥型。

该桥型竞争力强、景观美，连续跨越能力强，整体刚度大，加劲梁可分可联，各主跨自成体系，且设计便捷，以往的双塔悬索桥设计经验可直接应用 。    

但是，客观来说，对于多塔悬索桥来说，我们仍然需要解决深水基础、超长主缆假设、超长桥梁施工挑战等诸多问题。相信在不久的将来，通过我们桥梁工程师的努力，这些问题也一定会逐步解决。      

六、北口大桥美图欣赏