劉清江

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063）

公鐵合建橋不僅能夠共用橋位，充分合理地利用土地、河流和空間，與分別建橋相比，還減少了基礎(chǔ)工程，而橋梁在跨越大江大河時，深水基礎(chǔ)造價幾乎要占全橋造價的40%，加之公路、鐵路橋梁構(gòu)造的優(yōu)勢互補性將使公鐵合建橋的材料用量遠小于相應(yīng)的2座獨立橋梁之和。綜合以上因素，建造公鐵合建橋可節(jié)省材料和施工費用，具有很好的經(jīng)濟性［1－2］。

甌江北口大橋位于溫州市甌江出?？?，目前為工程預(yù)可行性研究階段，主要對公鐵合建方案進行研究，擬定主橋采用三塔鋼桁梁懸索橋，布置雙層橋面，主梁跨度布置形式為52 m＋800 m＋800 m＋52 m。橋型布置圖見圖1。

圖1 52 m＋2×800 m＋52 m三塔懸索橋總體布置圖（尺寸單位：mm）

三塔懸索橋是在兩塔懸索橋主跨的中部多設(shè)一個主塔以減輕主纜和兩端錨碇受力的全新結(jié)構(gòu)形式，雖然都是以懸索為承重結(jié)構(gòu)的橋梁，但因為多了一個中塔和一個主跨，結(jié)構(gòu)行為特征與普通兩塔懸索橋顯著不同［3］。中主塔在縱向只是一個通過鞍座支承主纜的豎向支點，主纜越過邊塔頂后經(jīng)過一個主跨，再從中塔頂通過，主纜對中塔的約束作用遠小于常規(guī)的兩塔懸索橋主纜對邊塔的約束。

1 公鐵合建橋梁橋面布置形式

合理的公鐵合建橋面布置形式能有效減少結(jié)構(gòu)重量、節(jié)約空間，同時改善橋梁的整體受力。該橋方案設(shè)計主要分析了以下3種橋面布置形式：①雙層橋面，鐵路在上層中間：主桁寬度43.6 m，梁高10.6 m；②雙層橋面，鐵路在下層中間：主桁寬度45.7 m，梁高11.3 m；③雙層橋面，鐵路在下層兩邊：主桁寬度46.8 m，梁高10.2 m。計算結(jié)果表明，3種橋面布置形式均能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，鐵路在下層中間時用鋼量最大，恒載總重也最大。鐵路在上層中間時橋面總寬最小，為43.6 m，鐵路在下層兩邊時橋面總寬最大（見表1），為46.8 m。綜合考慮方案經(jīng)濟性、與引橋的銜接性，以及截面形式對全橋受力的影響，擬采用雙層橋面，鐵路在下層中間的橋面布置形式，見圖2。

表1 不同橋面布置形式重量表 k N·m

圖2 雙層橋面，鐵路在下層中間（單位：mm）

2 主塔設(shè)計

（1）中主塔。對于三塔懸索橋而言，中塔具有與傳統(tǒng)的兩塔懸索橋較大的區(qū)別，中塔在任何工況下，均要求保證主纜在中主鞍座間不發(fā)生相對滑移，否則會造成整個體系的破壞［4］。然而中塔兩側(cè)均是主纜的柔性約束，在活載非對稱作用下，若中塔剛度較小，中塔頂兩側(cè)主纜不平衡水平力較小，主纜的抗滑移安全系數(shù)易于實現(xiàn)，但加載跨主纜垂度大，主梁的撓跨比較大，行車安全不易保證；如中塔剛度大，主梁的撓跨比易于滿足要求，但中塔頂主纜不平衡水平力大，可能因鞍槽與主纜股束間的摩擦力不足而造成滑移。根據(jù)全橋總體分析，中塔在順橋向的結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)是既有恰當?shù)目蓳锨裕钟凶銐虻目箯潉偠?。因此，與傳統(tǒng)的橋塔不同，三塔懸索橋的中塔一般采用鋼塔，亦可考慮鋼混組合塔。

（2）邊主塔。邊主塔采用門式混凝土塔，塔柱高145 m。塔柱間設(shè)2道橫系梁，塔柱采用帶有倒角的箱形斷面，縱向?qū)?～13 m，下塔柱橫向底寬9 m，壁厚1.4 m，上塔柱橫向頂寬6.0 m，壁厚1.2 m。塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，邊主塔采用C50混凝土。

3 主塔基礎(chǔ)設(shè)計

（1）中塔基礎(chǔ)。中塔墩位處地質(zhì)較差，水深較深，中塔活載作用下的彎矩較大，最合適的中塔基礎(chǔ)形式為沉井基礎(chǔ)，沉井總高度70.0 m，共設(shè)置15個隔倉。沉井基礎(chǔ)計算結(jié)果表明，基礎(chǔ)最大偏心距為3.695 m，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為4.723，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為29.052，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）樂清側(cè)邊塔基礎(chǔ)。考慮樂清側(cè)北邊塔基礎(chǔ)為船廠的廢樁區(qū)，沉井基礎(chǔ)下沉困難，故采用群樁基礎(chǔ)。橋塔基礎(chǔ)采用42根直徑280 c m鉆孔灌注柱樁基礎(chǔ)，樁長66 m。按照最不利工況計算，樁長為66 m，要求樁基最小嵌巖深度為9 m。

（3）靈昆側(cè)邊塔基礎(chǔ)。靈昆側(cè)南邊塔基礎(chǔ)所處位置地質(zhì)較差，采用沉井基礎(chǔ)是相對經(jīng)濟的方案，沉井總高度70.0 m，共設(shè)置10個隔倉。

4 錨碇基礎(chǔ)設(shè)計

（1）靈昆側(cè)錨碇基礎(chǔ)。靈昆島側(cè)錨碇采用沉井基礎(chǔ)，沉井標準斷面（除底節(jié)外）縱向長度72.8 m，橫向?qū)挾?6.8 m，底標高－61.5 m，進入卵石層1.5 m，埋深61 m。底節(jié)縱向長度73.2 m，橫向?qū)挾?7.2 m，高度10 m，為鋼筋混凝土外包鋼殼結(jié)構(gòu)。

（2）樂清側(cè)錨碇基礎(chǔ)。主橋樂清側(cè)錨碇位于龍蛇山山坡上，基于錨錠區(qū)的地質(zhì)條件，樂清側(cè)錨碇分別采用重力錨、隧道錨和及復(fù)合式錨（錨桿＋隧道錨）3種方案比選，復(fù)合式隧道錨基坑開挖深

圖3 中塔剛度對塔頂位移的影響

圖3 、圖4結(jié)果表明，隨著中塔縱向剛度的增加，中塔塔頂縱向位移大幅減小，特別是當中塔剛度增加1倍時，中塔頂位移減少1倍左右，而隨著中塔剛度的逐漸增大，下降的趨勢變緩。邊塔縱向位移隨中塔剛度的增加呈增大趨勢，當剛度由原剛度增加到8倍時，位移增幅約為15.4%。中塔頂縱向水平力變化范圍較大，增加約55%，在倍數(shù)λ較小區(qū)域增幅較快，隨著λ增加到一定值，增速變緩；而邊塔的水平力變化范圍較小，增加度變淺，且開挖方量小，只有3.5萬m3，錨塞體長度變?yōu)?5 m，錨索長度為20 m，施工難度相對較小。綜合考慮技術(shù)可靠性、施工難度、工程造價等，樂清側(cè)錨碇采用復(fù)合式隧道錨形式。

5 三塔懸索橋關(guān)鍵技術(shù)研究

5.1 中塔剛度對三塔懸索橋位移和內(nèi)力的影響

中塔初始抗彎剛度為K1，為了突出中塔剛度對結(jié)構(gòu)受力的影響，保證其他參數(shù)不變，中塔縱向剛度以倍數(shù)λ計，采用大型有限元軟件對全橋進行靜力分析，在活載作用下，邊塔、中塔縱向位移及水平力結(jié)果見圖3、圖4。15%左右。

圖4 中塔剛度對塔頂水平力的影響

結(jié)果表明，隨著中塔縱向剛度的增加，全橋豎向剛度逐漸增大，而隨著中塔剛度越來越大，主梁剛度增速變緩。由此可知，增加中塔剛度可有效改善全橋豎向剛度。

5.2 矢跨比對懸索橋受力的影響

保持孔跨不變，通過修改主纜矢高，研究矢跨比對結(jié)構(gòu)靜力的影響，結(jié)果見表2。

表2 撓跨比及主纜抗滑移安全系數(shù)的變化

由表2可見，隨著矢跨比的減小，主纜內(nèi)力增大，最不利活載作用下，中塔頂兩側(cè)主纜內(nèi)力更加均勻，主纜纜力差減小，盡管包角減小，主纜抗滑移安全系數(shù)仍然增大，但主梁豎向下?lián)弦蚕鄳?yīng)增大。因此，在中塔剛度不變的情況下，減小矢跨比，可以增大中塔主纜的抗滑移安全系數(shù)。同理可以認為，在矢高不變的情況下，增大主跨跨徑，可以取得增大中塔頂主纜抗滑移安全系數(shù)的目的，而且由于跨徑增大，同時有助于控制住主梁的撓跨比。

5.3 中塔高度對懸索橋受力的影響

普通兩塔懸索橋，兩塔高度一般是等高的，三塔懸索橋設(shè)計時中塔可以比邊塔高或者低，從全橋景觀性來考慮中塔高程略大于邊塔高程可增強橋梁的線形美觀。但是中、邊塔高度不同會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)線形的變化，對全橋的結(jié)構(gòu)受力也會產(chǎn)生影響。隨著中塔高度的增大，中塔主纜抗滑移安全系數(shù)增大，但主梁豎向撓度也相應(yīng)增大，中塔縱向位移增加，結(jié)構(gòu)整體剛度降低。因此，進行中塔相對高度設(shè)計時，中塔不能比邊塔高太多。

中塔高度對塔頂位移及水平力的影響見圖5、圖6。

圖5 中塔高度對塔頂位移的影響

圖6 中塔高度對塔頂水平力的影響

由圖5、圖6可見，隨著中塔高度的逐漸增高將出現(xiàn)以下趨勢：

（1）中塔縱向位移都呈增大趨勢，增加約38%，中塔頂水平力逐漸減小，減小約25%，這就可以使得中塔彎矩和塔根彎矩大幅減小，對中塔和橋塔基礎(chǔ)受力有利。

（2）邊塔縱向位移變化很小，邊塔頂水平力也逐漸減小，減小約8%，影響不大。

由此可見，當為控制中塔底內(nèi)力，在位移值允許的情況下可適當增加中塔高度。

6 結(jié)論

（1）應(yīng)綜合考慮橋梁邊界條件進行公鐵合建橋梁橋面布置形式的選擇。

（2）三塔懸索橋的中塔在順橋向的結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)具有恰當?shù)目蓳锨?，又有足夠的抗彎剛度，一般可采用鋼塔，亦可考慮鋼混組合塔。

（3）應(yīng)根據(jù)場地條件合理確定懸索橋基礎(chǔ)及錨碇形式。

（4）三塔懸索橋的邊塔頂受到邊纜的有效約束，邊塔自身剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較??；而中塔受到主纜的縱向約束不足，中塔剛度對結(jié)構(gòu)的整體剛度影響顯著。

（5）主纜矢跨比對結(jié)構(gòu)剛度有影響，減小矢跨比可以有效增加結(jié)構(gòu)整體剛度，但又會使主纜的抗滑安全系數(shù)變小。

（6）中塔加高，可以有效降低中塔底彎矩，但會使塔頂位移增大。

大跨度公鐵合建橋梁投資較大，應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)進行充分比選。中塔設(shè)計是三塔懸索橋的關(guān)鍵問題，在三塔懸索橋設(shè)計過程中，要將中塔剛度和高度控制在合理范圍內(nèi)。

［1］ 孟凡超.懸索橋［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 嚴國敏，周世忠.現(xiàn)代懸索橋［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ 楊 進.泰州長江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設(shè)計的技術(shù)理念［J］.橋梁建設(shè)，2007（3）：37-39.

［4］ 萬田保，王忠斌，韓大章，等.泰州長江公路大橋三塔懸索橋中塔結(jié)構(gòu)形式的選?。跩］.世界橋梁，2008（1）：1-4.