不同垂度四主缆悬索桥体系的“洪荒之力”

悬索桥是跨越能力最大的桥梁结构型式，本世纪以来，我国悬索桥技术与工程发展迅猛，截至目前，我国千米跨径以上悬索桥共计20余座，建设中的张靖皋长江大桥、狮子洋大桥等跨越长江、珠江的悬索桥跨径已超越了2000米。随着跨径、荷载的增大，常规双主缆布置的主缆、索鞍、索夹、锚碇等结构构件规模过大，给制造及施工带来较大的困难。

本文结合湖北燕矶长江大桥塔高受限、主缆规模超大的难题，提出了适应超大跨度的不同垂度四主缆悬索桥体系，并简要介绍这种桥型结构体系及其实践情况。

鄂黄第二过江通道燕矶长江大桥，又称鄂州长江大桥，地处湖北省东部，跨越长江干流，桥位上距鄂黄长江公路大桥约6.5公里，下距鄂东长江公路大桥约22公里，连接黄冈侧的大广高速(G45)与鄂州侧的武鄂高速(S7)，为大广高速的复线工程，也是鄂州黄冈两市城市快速路过江桥梁工程。其中跨江段桥梁采用双层设计，上层为双向六车道高速公路，下层为双向四车道城市快速路。

为满足长江通航安全要求、规避南岸主塔附近襄樊-广济断裂的不利影响，大桥采用主跨1860m钢桁梁悬索桥方案。受邻近的机场航空限高影响，两岸桥塔塔顶高程不得大于216.00m，桥塔高度受限，悬索桥主缆垂跨比小于1/12，导致主缆、索鞍、索夹、锚碇等规模较大。为此研究提出了极具创新特色的不同垂度、四主缆悬索桥方案。大桥于2021年3月开工建设，主桥工程建设费用约49亿元，经济指标极为突出，如图1。

图1 鄂黄第二过江通道燕矶长江大桥，主跨1860m不同垂度四主缆悬索桥（合成图）

燕矶长江大桥采用1860m钢桁梁四主缆悬索桥方案。主缆采用横向两组对称、每组两根主缆的布置方式，内主缆间距35.0m，外主缆间距41.0m，每侧内外主缆之间的横向距离为3m。内主缆跨度布置为550+1860+450m，外主缆跨度布置为510+1860+410m。由于桥塔高度受限，内主缆跨中垂度142.445m，垂跨比1/13.058；外主缆跨中区段降至桥面之下，跨中垂度153.345m，垂跨比1/12.130，如图2。

图2 主桥桥型布置图（单位：m）

钢桁加劲梁采用横向对称、纵向交错方式悬吊于内外主缆上，两端在主塔处设置塔连杆式竖向支承，在塔柱侧壁设置横向抗风支座，下弦设置纵向阻尼器，两端设置纵向限位装置。

主缆采用PPWS预制平行丝股法架设，索股在工厂单束预制成型，两端锚具采用套筒式热铸锚，通过锚碇锚固面前端的锚固拉杆与主缆锚头相连。每根主缆由217根索股组成。索股由127丝直径5.60mm镀锌-铝合金镀层高强钢丝组成，内主缆索股材料等级2100MPa，外主缆索股材料等级1960MPa。索股挤圆后单根主缆在索夹内的空隙率按18％计，挤圆后单根主缆直径为1026.6mm；在索夹外的空隙率按20％计，挤圆后单根主缆直径为1039.4mm。

吊索与索夹采用销接式连接，以9m间距交错方式悬吊加劲桁梁，以使主缆均匀地承担加劲梁荷载。索夹采用全焊接索夹。

塔顶采用并列式双鞍座，间距3m。主索鞍底座长7.8m、宽6.6m，鞍槽处主缆中心线半径10m。散索鞍采用摆轴式。索鞍采用铸焊组合式结构，由铸钢ZG270-500H铸造而成，如图3。

a) 索鞍立面布置图

b) 铸焊结合并列式鞍座

图3 并列式双鞍座

加劲梁主桁采用华伦式桁架，主桁中心高度9.5m，主桁中心宽度35m。加劲梁采用Q345qD、Q460qD钢材，吊装节段长度27m，节段之间采用焊接，横断面如图4所示。

图4 加劲梁内、外主缆悬吊处横断面

内、外主缆采用前后错开的锚固形式，如图5。内缆边跨长550m，外缆边跨长510m。内外主缆散索鞍IP点纵桥向距离40m，同侧内外主缆IP点横桥向距离3m，内外主缆边跨水平偏角约0.95°。

a) 黄冈侧纵向8字地下连续墙基础锚碇

b) 鄂州侧扩大基础锚碇

图5 锚碇纵断面布置图

锚碇采用预应力锚固系统，理论散索IP点到前锚面的距离28.0m，前锚面至后锚面的距离25m。锚杆中心在前锚面的横向间距1.1～1.2m，竖向间距0.8m；后锚面的横向间距1.3～1.4m，竖向间距0.95m。锚固系统由索股锚固连接构造和预应力锚固构造组成。索股锚固连接构造由拉杆及其组件、连接板及连接筒组成，拉杆一端与索股锚头上的锚板连接，另一端与预应力钢束锚固连接板连接；预应力锚固构造由管道、环氧钢绞线成品索及锚具、锚头防护帽等组成。

多主缆悬索桥的抗风，主缆的气动激励不容忽视。对于圆形截面的主缆，其在动力响应过程中的准定常气动激励力模型如图6。

图6 主缆准定常气动激励力

主缆横向及竖向激励力如式1、2：

从上式可以看出，主缆为圆形断面构件，其颤振导数只存在气动阻尼项，均为负值，增大了系统的表观阻尼，对颤振响应起着抑制作用。不同垂度四主缆布置，由于主缆基本上处于不同的高度，相互之间的气流不易出现耦合，可以实现单独的能量耗散；在非线性振动时程分析时，四主缆与双主缆相比，主缆的气动阻尼力的作用增加41%，因此，不同垂度四主缆布置，具有更好的抗风性能。

随着技术的进步和全球经济的发展，跨越海峡、海湾的超大跨度桥梁成为业内研究的重点领域，狮子洋大桥和张靖皋大桥的建设，标志中国桥梁已经迈入跨径2000米的新时代。而早在1990年代，墨西拿海峡大桥就有了建设主跨3300米悬索桥的计划和设计方案。这里结合不同垂度四主缆结构体系，谈一谈超3000m级桥梁的工程可行性。

图7 主跨3500m不同垂度四主缆悬索桥试设计

研究采用单跨双铰悬索桥，不同垂度四主缆布置，高缆跨度布置1010+3500+1010m，垂度368.88m，垂跨比1/9.49；低缆跨度布置950+350+950m，垂度388.88m，垂跨比1/9；跨中垂度差20m，采用与燕矶长江大桥相同的上层6车道+下层4车道布置和加劲梁结构，经计算，可得结构主要参数如表1。

试设计表明，主缆钢丝采用强度等级2060MPa和1960MPa，四主缆体系单根主缆直径1336mm，缆索系统仍然具有较好的施工性。由于单根主缆的规模得到有效控制，其散索锚固长度、锚体锚固长度也得到了有效控制；另外四根主缆纵向分散锚固，使得锚碇纵向倾覆稳定性更大、基础前后趾受力更均匀，而且减少了锚碇横向占地尺寸，工程经济性更优。

不同垂度四主缆悬索桥结构体系，解决了燕矶长江大桥跨度大、受航空影响桥塔高度受限等特殊建设难题，在安全可靠的前提下，实现了更加经济合理的建设目标。研究发现，这种新的悬索桥体系具有如下技术优点：

（1）四主缆体系有效降低了主缆、索鞍、索夹的规模和施工难度，提高主缆受力均匀性，提高施工效率，减少工期；

（2）内侧主缆设于加劲梁之上，可为采用缆载吊机安装加劲梁施工提供便利条件；外侧主缆设于加劲梁桥面之下，可提高主缆垂跨比，减小主缆受力和规模；

（3）四根主缆纵向分散锚固，使得锚碇纵向倾覆稳定性更大、锚碇受力和基础前后趾受力更均匀，减小锚碇基础的占地规模和工程规模；

（4）不同垂度四主缆，提高了结构阻尼和抗风性能；

（5）四主缆各自分摊加劲梁载荷约48%-52%，为实现主缆后期维护、更换创造了条件，提高了大桥的可维护性。

新的四主缆悬索桥结构体系，还在一定程度上改变了结构动力响应模式，成为2000m乃至3000m以上超大跨度悬索桥的一种新的技术发展方向。