公路 2009年5月 第5期 HIGHWA Y May12009 No15 文章编号:0451-0712(2009)05-0053-12 中图分类号:U44215 文献标识码:B
刘 高，吴宏波，黄李骥，王 毅，唐 亮，吴文明，刘天成，张 杰，马军海，李贞新，付佰勇，李 毅，邬 都，陈上有，徐丽
(中交公路规划设计院有限公司桥梁技术研究中心 北京市 100088) 摘 要：随着经济的腾飞，中国兴建了大量的桥梁工程，其中苏通大桥、卢浦大桥、石板坡大桥等保持斜拉桥、拱桥和梁桥的世界跨径记录。2008年又建成通车了世界上最长的跨海大桥———杭州湾大桥。随着桥梁技术的迅速发展，一些跨海桥梁工程已提到议事日程，如港珠澳跨海工程、琼州海峡跨海工程等。修建跨海桥梁工程将面临着十分严峻的挑战：台风、巨浪、强震、船撞、深水基础和结构体系等。同时，桥梁工程全寿命设计、安全风险评估等新型设计理念需要在跨海桥梁工程设计中进行综合考虑。面对未来跨海桥梁工程建设的技术挑战，中交公路规划设计院有限公司桥梁技术研究中心开展了相关的研究。本文将综述大跨桥梁的关键技术问题，同时介绍桥梁技术研究中心正在开展的一些研究工作。 关键词：结构体系；钢结构；钢—混凝土组合结构；深水基础；抗风设计；抗震设计；风浪耦合作用；安全风险评估；全寿命设计；桥梁分析软件
1 概述
近年来，随着国民经济的发展，科学技术的进步，工业水平的提高，新建筑材料的出现，施工工艺的不断革新，设计理论及计算手段的突飞猛进，桥梁工程发展也日新月异。中交公路规划设计院有限公司先后在长江、黄河、珠江等大江大河上，在胶州湾、舟山海域、钱塘江口等内海地区以及西部复杂山区峡谷上设计了一批大跨、施工难度大、技术含量高的长大公路桥梁，这些桥梁的建成，展示了我国长大桥梁发展的最新技术水平和成就，代表了长大桥梁发展方向，使我国公路桥梁建设步入世界先进行列，并对促进区域经济繁荣和发展，完善国道主干线网起到十分重要作用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。
跨越大江大河的桥梁往往由于水深流急，工程地质条件复杂，使桥梁基础工程浩大，技术复杂，难度高，工期长，费用昂贵；而海洋上的桥梁往往面临严峻的海洋环境，风大浪高，深水基础设计困难，施工难度大，养护费用高。这些难题往往需要进行专题研究解决。中交公路规划设计院有限公司桥梁技术研究中心自成立以来，即致力于结构关键难点的研究工作，研发具有自主知识产权的科技产品。结 合当前桥梁工程发展的新方向，确定了研究工作的重点和突破口，分为以下10个方面：结构体系、钢结构、组合结构、深水基础、抗风、抗震、风浪耦合、全寿命设计、安全风险评估、桥梁专用计算软件。本文将综述大跨桥梁的关键技术问题，同时介绍桥梁技术研究中心正在开展的一些研究工作。
2 结构体系研究
随着跨径的增大，桥梁构件向更高、更长、更柔的方向发展，结构特性也表现出自身刚度越来越小、自身阻尼越来越低的趋势，难以依靠构件自身的强度、变形来承担动力和静力荷载。
大跨径斜拉桥、悬索桥由于自身刚度较小，纵桥向的静力(如等效静阵风、温度等荷载)变位一般会很大；其自身的阻尼比一般为2%～5%，当结构受到地震、风致振动和其他形式的动荷载引起的动力反应时，结构自身耗散能量的水平很低。在飘浮体系斜拉桥的塔梁连接处、梁端与桥台连接处、单跨悬索桥的塔梁连接处、三跨悬索桥的主梁与锚碇连接处等位置设置不同的附加装置能起到多种作用：有些装置提高主梁纵桥向刚度，可以对原结构体系起到减小静、动力变位、改善内力的作用；有些装置增
非你莫属之藏龙卧虎收稿日期:2009-01-20
大结构阻尼，使冲击荷载产生的能量大部分由装置
而不是结构吸收。刚度和阻尼单独或组合可以构成各种附加装置，最终起到阻尼耗能、锁定运动、减小或限制静力变位等辅助作用，形成多种适用于大跨度斜拉桥、悬索桥的结构体系。加劲梁约束系统的方式不同，形成悬索桥的多种结构体系。丹麦大海带东桥，三跨连续悬索桥，主跨1624m 、边跨53
5m ，设置动力锁定和静力限位两个功能的组合装置。西堠门大桥，为主跨1650m 的两跨连续悬索桥，连续长度为2228m ，在大桥北锚碇剪力墙与主梁北端、主梁南端与南塔反力墙之间设置锁定装置。坝陵河大桥为主跨1088m 的钢桁加劲梁悬索桥，一跨简支结构，在跨中采用三组柔性中央扣，顺桥向风荷载作用下的静力位移得到控制；结构的各阶频率增大，其中以缆索振动为主的频率增加最为明显，并且施工方法更简易可行。桥梁技术中心正在开展超大跨径缆索支承桥梁结构体系的研究。
不同的塔梁连接约束方式也形成了斜拉桥不同的结构体系，大跨度斜拉桥在飘浮体系的基础上，附加装置形成塔梁间刚性锁定体系、阻尼约束体系、水平弹性约束体系、阻尼和弹性约束并用体系、竖向支承体系等。日本鹤见航道(Tsurumi )桥为三跨连续斜拉桥，主跨510m ,1995年建成，该桥在塔梁连接处安装螺旋桨式阻尼装置和水平拉索弹性装置。
2008年，苏通长江公路大桥建成通车，主跨1088m
的7跨连续斜拉桥，是目前世界上跨径最大的斜拉桥。苏通长江大桥采用设置带有限位功能的粘滞阻尼装置，使静力和动力反应能控制在可接受的范围之内：通过选择一个合适的阻尼设备间隙值，使桥梁既能够释放常规运营荷载(诸如温度、正常风、交通荷载)下塔、梁之间产生的相对位移，又能够约束大风荷载下的更大的相对位移。通过阻尼设备阻尼参数的优化，使地震反应能被抑制至适当大小。桥梁技术中心正在进行“千米级斜拉桥技术标准和关键技术”的研究工作。桥梁技术中心将开展“跨海峡连续多跨大跨径桥梁结构体系及设计技术研究”。3 钢结构311 钢梁
现代长大桥梁中的钢结构以钢梁和钢塔最有代表性。为了实现较大跨越能力、降低结构自重，钢梁是长大桥梁加劲梁的首选。从20世纪90年代初开始，我国开始大规模应用以流线形、正交异性板为典型特征的钢箱梁，目前我国建成和在建采用流线形正交异性钢箱梁的大跨度桥梁有20余座：苏通长江大桥、鄂东长江大桥，南京长江二桥、南京长江三桥等斜拉桥，南京长江四桥、江阴长江大桥、虎门大桥、海沧大桥等悬索桥的主梁。图1为苏通大桥钢箱梁断面
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图1 苏通长江大桥钢箱梁横断面布置
钢箱梁有着一系列技术优势，使得在我国的应用能迅速推广。
(1)结构自重小。自重减小的同时也会大大节约斜拉索、主缆、桥塔及其他结构材料，为全桥节省了工程数量，降低了造价，大大提高整座桥梁的经济性，具有显著的经济效益。
上海家校互动(2)抗弯、抗扭刚度大。除抗弯刚度大之外，与
钢板梁、析式加劲梁相比，闭口钢箱梁截面还具有很大的抗扭刚度。
(3)抗风稳定性能好。流线形钢箱梁的抗风性能优越，气流被其侧面的风嘴分成上下两部分，各自顺着光滑的顶板和底板流过，很少产生涡流。
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钛阳极氧化
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(4)建造精度高、速度快。全焊钢箱梁通常采用
工厂制造部件、预拼场拼装梁段、现场吊装与连接梁段的方法和工序，既能够保证梁段的制造质量，
又能使部件制造和梁段拼装与主塔、主缆并行施工，由此节约施工时间，加快桥梁的建造速度。
(5)外形美观、养护方便。由于梁高较小、流线形的外形使整个结构显得非常纤细、美观。闭口箱的构件基本上置于箱内，当箱内通过除湿保持干燥
时，箱内几乎不需要任何养护，养护费用大大减小。
随着超大跨度桥梁的发展，通过对钢梁截面形式的空气动力学研究表明，在一些特殊地域的超大跨度桥梁中，单箱的扁平钢箱梁并不具有绝对的优势，往往双箱或多箱截面的抗风稳定性更佳。我国的主跨1650m 的西堠门悬索桥就采用了双箱分体式的截面形式，如图2所示，规划中的意大利Mes 2sina 海峡桥采用的是三箱组合截面
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图2 西堠门大桥钢箱梁断面
在欧洲、日本和中国大量使用扁平钢箱梁的同
葛宝丰时，人们也在审慎地思考扁平钢箱梁出现的问题：正交异性桥面板既有桥面系的功能，直接承受交通荷载，又参与构成横梁、纵梁的上翼缘，结构受力复杂；因剪力滞后效应、畸变翘曲、构造细节和焊接工艺造成的应力集中等原因，应力变化梯度大；而桥面系局部刚度不足也导致铺装层过早破坏；正交异性桥面都是薄壁构件，稳定问题突出。已经出现的问题也促使设计者和研究者加快进行相关方面的研究工作。中交公路规划设计院有限公司桥梁技术中心正在承担的交通部西部课题将着重研究正交异性桥面系统的疲劳性能，通过一系列理论分析和试验研究提出相关的合理构造。
钢桁架梁也是长大桥梁的常见选择之一。桁架梁是由杆系组成的空间稳定的梁结构，当荷载作用在节点上时，杆件只产生拉压应力，主要由主桁、联结系和桥面系组成。桁架桥更适合公铁两用桥、山区桥梁。312 钢塔
钢塔在现代长大桥梁中有着广泛的应用，其中以日本大跨度桥梁的钢塔最有代表性，明石海峡大桥塔
高26817m ，多多罗大桥塔高220m 。钢塔节段在工厂加工，加工精度高，质量有保证，节段运输
至现场后安装，施工速度快，效率高，工期远远领先于相同高度的混凝土塔。
我国在南京长江三桥上首次采用了钢索塔，索塔为“人”字形塔，高215m ，其中下塔柱及下横梁为钢筋混凝土结构，其他部分为钢结构。钢塔柱高17817m 。
在钢塔的设计中需要考虑钢塔的稳定性、抗风性能、振动控制、节段连接方式、与混凝土的连接方式等方面，同时也要考虑钢塔的可施工性，确定合适的制造方案、焊接工艺和加工工艺、吊装方案以及精度控制等方面。4 组合结构
钢—混凝土组合结构能充分发挥混凝土材料抗压强度高、钢材抗拉性能好的优势，在建筑及桥梁结构等领域已得到了广泛应用。混合梁是近年发展起来的一种新型组合结构，斜拉桥或连续梁桥的主跨用钢梁、边跨用混凝土梁，形成混合梁组合体系(图3)。该类型桥梁加大了边跨主梁的刚度和重量，减少了主跨钢梁的内力及变形，提高了跨越能力，且减小了全桥钢梁的长度，节约了造价，同时适合于边跨与主跨长度比值较小的情况。近年来混合梁在我国发展很快，目前已应用于斜拉桥、连续梁桥、刚构桥、
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2009年 第5期 刘 高等：长大桥梁关键技术综述
自锚式悬索桥及拱桥的主梁等多种桥梁结构中，中
交公路规划设计院有限公司主持设计了舟山桃夭门大桥(2003年，主跨580m )、湖北鄂东长江大桥(在建，主跨926m )两座混合梁斜拉桥。在西部交通建设科技项目“西部地区钢—混凝土混合梁设计与施工关键技术研究”的资助下，目前中交公路规划设计院有限公司正以湖北鄂东长江大桥为工程背景开展对混合梁桥的深入研究，主要内容如下
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图3 湖北鄂东长江大桥跨径布置
(1)结合部位置选取原则研究。结合部位置直
接决定了钢梁和混凝土梁间的长度比例，首先应从全桥整体结构受力上进行考虑，综合跨径布置、辅助墩设置、塔梁约束条件、斜拉索疲劳性能等多方面因素的影响。从局部受力上看，结合段还应选在主梁弯矩、剪力较小的地方。此外，经济性、施工性等也是必须要考虑的因素。
(2)结合部构造形式研究。湖北鄂东长江大桥采用了如图4所示的结合部构造，中交公路规划
设计院有限公司采用试验及有限元方法对其进行了计算分析，图5为1∶2的缩尺模型试验照片。为了发展结合部的一般设计方法，中交公路规划设计院有限公司将常见的结合部构造形式划分为4类：有无格室承压板、有格室前承压板、有格室后承压板、有格室前后承压板，如图6所示。目前，我们正通过有限元方法开展广泛的参数分析，研究各种方式的传力机理、受力特点及适用范围，并优化设计参数
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图4 结合部构造
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图5 结合段模型试验
屌丝女神 (3)结合部施工工艺研究。由于结合部为封闭
格室，格室较小，混凝土密实性更难保证，因此有必要对混凝土填充工艺进行研究，以保证混凝土浇筑密实。目前正通过局部格室混凝土浇筑试验开展有关这方面的研究。5 深水基础
桥梁深水基础作为整个桥梁结构的有机组成部分，对整个桥梁工程的成败和承载性能起着至关重要的作用。
开展对深水基础设计施工关键技术的研
图6 结合部基本构造形式
究，是非常必要且有意义的一项工作。根据各组成
部分和适用条件的不同，可分为钢套箱承台或钢围堰承台+钻孔灌注桩基础、沉井基础、沉箱设置基础、地下连续墙基础和复合基础等类型。近年来，国内外修建了不少跨越大江大河、甚至跨越海湾的桥梁深水基础。
刚刚建成的主跨1088m 的苏通长江大桥，针对水深流急、基岩埋藏深、软土地层厚、船舶撞击防护标准高等建设条件特点，采用了钢套箱承台+超长钻孔灌注桩的主塔基础，如图7所示。基础采用131根桩长接近120m ，桩径218～215m 的变直径钻孔灌注桩。在优化设计阶段，分别采用变厚度哑铃形承台、钢护筒参与桩基受力以及桩端后注浆等技术手段，提高了整个基础的承载效率
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图7 苏通大桥主塔基础示意
正在建设中的泰州长江公路大桥，为双主跨1080m 的三塔悬索桥。中塔处常水位水深18m ,
从河床断面向下依次为粉细砂、砾砂、细砂、中砂和圆砾土。中塔承受的竖向荷载大，采用了钢—混凝
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2009年 第5期 刘 高等：长大桥梁关键技术综述
