大跨径斜拉桥、悬索桥施工技术探讨 - 图文

大跨径斜拉桥、悬索桥施工技术探讨

摘要：7月11日凌晨，江苏盐城境内328省道通榆河桥发生坍塌；7月14日上

午，建成不到12年的武夷山公馆大桥轰然倒塌；7月15日凌晨，钱江三桥引桥桥面发生塌陷事故，出现一个长二十米，宽一点五米的缺口。

有网民为如今的“桥脆脆”树立了一批“桥坚强”榜样：赵州桥建于隋朝大业期间，至今1400年；钱塘江大桥，74年；武汉长江大桥，54年；南京长江大桥，43年；哈尔滨松花江大桥，110年；宁波奉化江上灵桥，75年…….

关键字：斜拉一悬索桥、箱梁、技术要求

正文：中新网杭州7月15日电 (记者 江耘) 7月15日凌晨2时许，浙江杭州

钱塘江三桥北向南离滨江转盘不到800米处右侧车道部分桥面突然塌落，一辆满载钢板的货车从桥面坠落，又将下闸道砸塌，有司机受伤

钱江三桥（西兴大桥），位于杭州钱江四桥（复兴大桥）、庆春路过江隧道之间，总长5700米，主桥1280米，南北高架引桥4420米，双向6车道。主桥桥型为双独塔等跨单索面预应力混凝土斜拉桥，其主墩上两座矩形索塔高百米，平行的15对拉索呈竖琴状。这是浙江省首座具有世界先进水平的现代斜拉索桥梁。钱江三桥的设计与施工中创造了中国桥梁建筑史上多项之最。日流量6万辆。大桥建成后成为连接杭州老城区和滨江、萧山两个新区以及萧山机场的重要通道之一，减轻了钱江一、二桥压力。

1993年奠基。

1997年1月28日，钱江三桥通车。

2005年10月6日，钱江三桥开始进行第一次大修，为期9个月。这是自1997年1月建成通车后9年来进行的首次大修。此次三桥维修主要是主桥(不含二侧引桥)，包括桥面系改造、索力调整及景观改造等。2006年5月16日零时起，钱江三桥再次进行封闭式施工，着重在桥体加固、景观照明等方面进行维护和改善。从此以后三桥禁止外地大货车、半挂车通行。

钱江三桥建成准备验收时，几批专家都不愿签字，导致三桥一度验收受挫。 在杭州民间，钱江三桥一度以腐败工程著称。

施工质量差和养护、管理不周到是导致桥梁脆弱最主要的原因。

在忐忑与猜测中运行了13年之后，横亘钱塘江南北的西兴大桥(即钱江三桥)“终于出事”了。

斜拉桥

由上文我们可以知道钱江三桥是一座大跨径预应力混凝土斜拉桥，所以我们先来了解一下什么是斜拉桥。

杭州湾大桥南航道A型独塔斜拉桥

斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。

造桥原理：桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车，而是其自重，主要是主梁。斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。斜拉桥以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了， 最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。斜拉索数量再多，道理也是一样的。之所以要很多条，那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。

现在已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。以钢筋混凝土塔为主。塔型有H形、倒Y形、A形、钻石形等。 斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。钢绞线斜拉索目前在汕头石大桥采用。钢绞线用于斜拉索，无疑使施工操作简单化，但外包PE的工艺还有待研究。斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。

斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。近年来，开始出现自锚和部分地锚相结合的斜拉桥，（自锚式斜拉—悬索协作体系桥是一种崭新的桥型,该桥型具有受力合理,抗风性能好,施工安全、工程造价低及对不良地质条件适应性好等优点）如西班牙的鲁纳（Luna）桥，主桥440m；我国湖北郧县桥，主跨414m。地锚体系把悬索桥的地锚特点融于斜拉桥中，可以使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件，灵活多样，节省费用。 斜拉桥的施工方法：混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装；钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板，工厂焊接成段，现场吊装架设。钢箱与钢箱的连接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊结合。

斜拉桥发展趋势：跨径会超过1000m；结构类型多样化、轻型化；加强斜拉索防腐保护的研究；注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究。

斜拉桥、悬索桥、斜拉一悬索桥的比选

一般说，斜拉桥跨径300～1000m是合适的，在这一跨径范围，斜拉桥与悬索桥相比，斜拉桥有较明显优势。德国著名桥梁专家F.leonhardt认为，即使跨径1400m的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省二分之一，其造价低30%左右。

对于200～1500m(甚至更大)跨径范围的桥梁，缆索承重桥都极具竞争力，对于主跨超过500m的特大跨径桥梁，更是缆索承重桥的天下。斜拉桥与悬索桥都具有卓越的跨越能力和高耸的桥塔，宏伟壮观，富于冲击力、震撼力和标志效用是2种桥型的审美特点。就视觉印象而言，如果说悬索桥妩媚纤巧，斜拉桥则是刚强有力。而斜拉一悬索协作体系桥将其合二为一，可以说是刚柔并济。当然在施工方面也各有各的优缺点。

斜拉桥的施工方法：混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装；钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板，工厂焊接成段，现场吊装架设。钢箱与钢箱的连接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊结合。斜拉桥的钢索一般采用自锚体系，自锚式悬索桥体系转换施工方法：自锚式悬索桥体系转换是指实现桥梁主缆与加劲梁的连接、形成自锚体系的过程。本发明提供两种体系转换方法：一是整体顶

升加劲梁，在无应力的状态下安装吊索、杆，精确调整吊索、杆长度后，解除加劲梁的支架支撑，使加劲梁悬吊在主缆上。二是先安装吊索、杆，再分批分阶段张拉吊索、杆，将加劲梁从支架支承转化为主缆悬吊。方法一进行体系转换其优点是一般不需要对吊杆进行张拉的设备，缺点是对于吊杆需要调整时难度较大，同时需要较多的起顶设备材料；而采用方法二进行体系转换则相反，具体施工时应根据桥梁特点及要求，结合技术经济比较确定合适方案。

目前斜拉一悬索协作体系桥梁主要停留在方案设计阶段。所提出的方案，均为地锚体系，需要庞大的锚碇，特别是在海上，施工难度大，工程造价高。自锚式斜拉一悬索协作体系桥不仅可以避免上述问题，而且经济性能好，对地形和地质状况适应性强。自锚式斜拉一悬索协作体系桥是一种新型的缆索承重桥梁，由主缆、斜拉索、吊杆、加劲梁、桥塔及基础等几个主要部分组成。缆索在恒载作用下具有很大的初始张拉力，对后续结构形状提供强大的“重力刚度”，这是缆索承重桥跨径得以不断增大、加劲梁高跨比得以减小的根本原因。白锚式斜拉一悬索协作体系桥加劲梁、桥塔还承受主缆和斜拉索传来的巨大的轴向压力，加劲梁和桥塔在恒载作用下，以轴向受压为主，在活载作用下，以压弯为主，因此在结构分析时要计入压弯耦合效应影响。

以大连跨海大桥的设计方案为例：规划建设的大连跨海大桥位于大连市主城区与开发区之问，考虑大连湾内船舶等级和航空安全的需要，在大连港航道，通航孔桥主跨为800 m。该工程规模庞大，桥梁工程长达10～16 km，主通航孔桥下净高至少需要53 m，受大连机场航线高度限制，考虑航空安全需要，桥梁的最高点标高不得超过海平面174 m，即在满足通航孔最低净高53 m 的要求下，桥面以上桥塔高度不能大于121 m。若没有净空和航空的限制要求，在主跨1000 m左右的桥型选择中，斜拉桥和悬索桥都是可行的方案。但是结合大连跨海大桥的具体情况和要求，上述2种方案不适用，因此提出能够满足使用要求且经济美观的自锚式斜拉一悬索协作体系桥方案，该方案相比斜拉桥方案：① 降低了塔高，满足航空要求。斜拉桥塔高按常用值160 m计，可减少到115 m 左右，大大降低桥塔的施工难度，对整个桥梁的抗风及地震响应十分有利。② 减小了跨中位置的拉索长度，降低了超长拉索垂度效应对结构的不利影响。③ 减小了斜拉桥悬臂施工中的悬臂长度，提高了施工过程中的稳定性，同时提高了施工进度。

悬索桥无论从设计还是施工上都是成熟的方案，但是主跨在1 000 m 内时悬索桥的造价相对较高，且要在深海中修建庞大昂贵的锚碇，施工难度大、工期长，从经济性上考虑不是最佳方案。同样，若采用地锚式斜拉一悬索协作体系方案，即使能减小锚碇规模，也需要在深海中修建庞大昂贵的锚碇，相比传统悬索桥优势不明显。该桥主跨为800 m，自锚式斜拉一悬索协作体系桥方案是能够满足设计要求的，其相比悬索桥方案：① 避免了在深海中修建庞大昂贵的锚碇。② 不必全部用钢梁，占全桥70% 以上的斜拉桥部分可用混凝土主梁代替，降低了工程造价。③ 在静力性能方面，由于斜拉桥具有比悬索桥大得多的刚度，因而协作体系跨中活载挠度皆比悬索桥小，刚度性能好，并且斜拉桥部分增强了悬索部分加劲梁吊装施工过程中的稳定性。④在动力性能方面，由于斜拉桥具有比悬索桥大得多的风稳性，因而协作体系的1阶扭转频率比悬索桥提高，具有更大的抗风能力。

自锚式斜拉一悬索协作体系桥作为一种全新的结构体系，兼备斜拉桥和自锚式悬索桥的优点，它具有结构新颖、受力合理、抗风性能好和工程造价低等优点，在软土地基、强风地区尤能突出其优越性，在大跨度桥梁尤其是跨海大桥中极具

竞争力。自锚式斜拉一悬索协作体系桥，无论是设计方面还是施工方面，与斜拉桥和悬索桥有相同或相似之处，又存在自身的特点

自锚式斜拉一悬索协作体系桥

自锚式斜拉一悬索协作体系桥是一种崭新的桥型，施工方法的选取直接关系到该桥型能否实现。地锚式悬索桥采用“先缆后梁”的施工方法，即主缆安装后锚固在永久锚碇上，再分阶段吊装主梁。自锚式悬索桥采用“先梁后缆”的施工方法，即主梁在临时支架上安装或浇筑完毕，再悬挂主缆，张拉吊杆，使主梁脱模。而自锚式斜拉一悬索体系桥没有永久锚碇，有时也没有条件搭建临时支架，如修建跨海大桥。所以修建该体系桥需考虑用新的施工方法。根据自锚式斜拉一悬索协作体系桥的自身特点，以上图桥梁为例，拟定了6个主要施工步骤：

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