2000米级悬索桥的若干施工技术问题与建议

文|长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室 张永涛 杨建平 彭成明 张耀

近年来，国内外在建和规划的多座悬索桥均实现了2000米的跨度，这对更高索塔、超长主缆、长大节段主梁等提出了更高要求。2000米级悬索桥建设的关键问题是主缆和主梁的架设效率、质量和安全。其中，猫道设计，需重点解决承重索、猫道宽度和结构、作业空间、人员施工舒适性等问题；主缆架设，主要通过机构优化、智能化措施，提升索股牵引和线形调整效率及质量；主梁吊装设备，需主要解决提升能力、行走速度、同步性控制等问题。总体而言，自动化和智能化是提高工效、提升质量、保障安全的主要解决途径，大跨猫道结构、主梁施工期风致振动及安全评估是核心问题，未来，新材料、新工艺、新设备的应用有望推动悬索桥跨度进一步发展。

国内外悬索桥的建设现状

在悬索桥的四次大规模建设热潮推动下，其对应的施工技术也在不断创新。

主缆施工方面，以空中纺丝法（AS）和预制平行钢丝索股法（PPWS）两种工法为主。其中在国外，美国和欧洲等国家广泛应用AS法，代表性工程有首座真正意义上的悬索桥威廉姆斯堡桥、金门大桥和丹麦大贝尔特东桥（The Great Belt）。日本多采用PPWS法，代表性工程有日本本四联络桥上的多座悬索桥和明石海峡大桥。在国内，我国借鉴日本以“双（单）线往复式-门架系统”的PPWS法为主，实现了五峰山长江大桥直径1.3米的主缆索股架设纪录，而AS法在我国香港青马大桥和贵州阳宝山大桥也有应用。

主梁施工技术方面，国外以缆载吊机架设法为主，少数项目采用了浮吊架设法和桥面吊机架设法，仅法国沙瓦农桥（Chavanon）采用了荡移顶推法。国内方面除沿用国外已有架设方法外，又创新了多种工法，如湖南矮寨大桥采用了轨索移梁技术、华丽金沙江大桥采用了1400米级缆索吊装技术、湖北巴东水布垭清江特大桥采用了缆载吊机带梁行走架设法、重庆鹅公岩轨道专用桥采用了“先斜拉后悬索”主梁架设工艺等。

目前，土耳其在建恰纳卡莱1915大桥（1915 Canakkale）主跨突破2000米（2023米），是首座2000米级的悬索桥，预计2023年建成通车。与此同时，我国近期规划的多座悬索桥（张皋过江通道2300米、狮子洋过江通道2180米）也实现了2000米级的突破。

对于2000米级悬索桥上部结构需重点研究的技术问题共三点：首先，超长猫道的设计与施工，猫道跨度大，对猫道设计提出了高要求；猫道材料多，对猫道架设速度提出了高要求。其次，超长主缆的架设，索股数量多、长度长，对牵引速度和施工质量都提出了新要求。最后，加劲梁数量、重量大大增多，对吊装设备性能提出了更高要求。

现代悬索桥大规模建设的四次热潮

第一次热潮，美国从1903年主跨488米威廉姆斯堡桥（Williamsburg），到1937年主跨1280米的金门大桥（Golden Gate），平均每年跨度增长23.3米。

第二次热潮，欧洲从1959年主跨608米的法国坦卡维尔桥（Tancarville），到1981年主跨1410米的英国亨伯尔桥（Humber），平均每年跨度增长36.5米。

第三次热潮，日本从1962年主跨367米的福冈若户桥（Wakato Ohashi），到1998年主跨1991米的明石海峡大桥（Akashi Kaikyo），平均每年跨度增长45.1米。

近年来，我国正处于第四次悬索桥建设热潮中，从1994年主跨452米的汕头海湾大桥，到2019年通车，主跨1700米的杨泗港长江大桥，平均每年跨度增长高达49.9米。

对比四次建设热潮可以看出，单从建造速度方面，我国悬索桥是处于领先地位，但从四个阶段的发展趋势来看，悬索桥跨径的增长比例却在减缓（57%、23%、10%）。若我国能在2026年完成主跨2300米的张皋过江通道建设，将打破这一趋势，届时，我国悬索桥平均每年跨度增长将达到57.8米，跨度增长比例可达28%。

2000 米级悬索桥猫道主缆施工关键技术

部分已建悬索桥猫道断面宽度

猫道设计与架设技术

猫道关键参数选择

2000米级悬索桥的猫道，在满足安全的前提下，技术层面更应关注使用性和舒适性。

猫道承重索应选择高强高弹模材料。在猫道承重索类型选择方面，我国已建悬索桥猫道承重索多采用多股钢丝绳，此类钢丝绳弹性模量（1.1至1.2×105兆帕）相对较小，在荷载作用下猫道竖向变形位移较大，且跨径越大这种现象越明显。2000米级悬索桥猫道若采用此种钢丝绳，在主缆牵引阶段，猫道跨中竖向位移可达2米以上，将影响正常施工。而国外大跨径悬索桥在猫道承重索的选择上更多样，如丹麦大贝尔特东桥和韩国光阳大桥（Gwangyang）猫道承重索采用钢绞线、日本明石海峡大桥猫道承重索采用强度为2000兆帕的镀锌钢丝、在建的恰纳卡莱1915大桥也采用了特殊的绳索，但性能未知。因此，未来在我国2000米级悬索桥建设中，猫道承重索除常规材料外，还应研究应用高强、高弹模材料。

猫道宽度宜大于5米。在猫道宽度选择上，目前我国悬索桥多取4米左右，而舟山西堠门大桥由于设计基准风速达到了每秒41米，猫道宽度取为4.6米，明石海峡大桥猫道更是达到了5.5米的宽度。为什么这两座大桥的猫道设计这么宽？一方面，满足工人作业空间、牵引系统通过性，以及在横风作业下主缆与猫道的相对位移要求；另一方面，更宽的猫道宽跨比增加，更能提升悬索桥的抗风性能。2000米级悬索桥猫道对风荷载作用更敏感，主缆直径也更大，因此猫道宽度宜大于5米。

猫道面层与主缆中心距离宜大于1.7米。随着主缆直径的增大，主缆中心距猫道面层的高度不断增大。2000米级悬索桥主缆直径在1.2米左右，若按经验仍取猫道中心到猫道面层为1.5米，将使现有紧缆机和缠丝机设备通过性受限，影响紧缆和缠丝工效。为此，2000米级悬索桥猫道面层与主缆中心距应取更大值。这也将带来施工人员调索需要“踩凳子”的问题，对此，可通过加强跨中处猫道防护来降低测量风险。

已建悬索桥主缆中心距猫道面层的垂直距离

土耳其恰纳卡莱大桥猫道承重索

表1 部分已建悬索桥主跨横向通道平均间距

猫道全断面下滑架设法示意

猫道更应关注人员施工的舒适性。现有研究表明，横向通道数量的增多并不能大幅度提升猫道抗风稳定性。通过调研已建悬索桥主跨横向通道间距发现，横向通道间距多在150米至180米之间，也侧向证明了横向通道间距在150米左右，猫道抗风稳定性可基本得到满足。对于2000米级悬索桥超长猫道，中跨施工人员需花费1.5小时至2小时才能走完，加上猫道在脉动风作用下的长期振动，人员很容易产生疲劳感和不适感，进而降低人员施工效率、增加安全风险。故2000米级悬索桥在猫道抗风性能满足的前提下，更应研究更合理的抑振措施，提高人员施工的舒适性。

猫道快速架设技术

2000米级悬索桥猫道长度的增加，虽然直观上施工难度并无明显加强，但会影响猫道架设总工期。按照目前国内猫道施工速度，2000米级悬索桥猫道施工工期预计在3个月左右，工期相对较长。因此，未来应研究2000米级悬索桥猫道快速施工技术。

笔者提出一种猫道全断面下滑架设新技术，即首先在架设猫道承重索时，将门架承重索架设到位。然后按照一定单元长度，采用传统下滑法在架设猫道面层、木方、横梁和横向通道的基础上，同时将猫道扶手立柱、侧网、托滚安装到位，猫道两侧扶手立柱间，采用绳索临时连接。接着猫道门架也同步挂设到门架承重索上，与猫道横梁连接。最后，整个断面下放，实现猫道全断面下滑快速架设。该方法将传统猫道架设的多道工序整合到一个工序中，一次性架设猫道系统的整个断面，一定程度上提高猫道的架设工效。

此外，在猫道架设期间，由于未形成整体结构，其抗风稳定性差，特别是在猫道承重索架设期间，因为风吹，承重索可能会缠绕在一起，影响施工进度。因此，未来2000米级悬索桥除研究猫道快速施工技术外，还应充分考虑猫道施工期间的防护措施，保证猫道架设期间的安全，如设置临时抗风缆等。

PPWS 法主缆施工技术

索股快速牵引技术研究

2000米级悬索桥主缆长度将达到4000米级别，单根主缆索股数量达到300根左右。索股长度的增加，还增大了牵引力。按目前悬索桥每分钟牵引速度20米至25米分析，2000米级悬索桥的一根索股，从上盘到锚头牵引，再到对岸锚碇，需用时约3.4小时，其中牵引耗时占整个时长的77%。因此，2000米级悬索桥提高主缆牵引速度是保证主缆施工工效的关键。

牵引力方面，以6毫米直径127丝的索股规格计算，2000米级悬索桥牵引力可达35吨，而现在的悬索桥使用的牵引卷扬机多在25吨或30吨，已不能满足牵引施工要求。因此，要实现2000米级悬索桥主缆索股快速牵引，研发大吨位、高速、高性能的卷扬机是首先要解决的技术问题。

某2000米级悬索桥一根索股牵引用时分析

此外，单纯地提升牵引速度还会带来一系列问题：牵引索更易从导轮组上脱空；拽拉器对导轮和门架冲击大；施工人员跟不上牵引速度；索股扭转现象加剧；缠包带破损加剧等。因此，2000米级悬索桥要实现主缆索股的快速牵引，本质上要改造提升整个索股的牵引系统。

索股高差智能化测量技术研究

现实状态下，影响主缆索股调索的因素非常多，如大风、大雾、大雨等恶劣天气，以及因气候造成的索股温差、索塔温度、索塔偏位等实际问题。就2000米级悬索桥而言，经计算，在同样的风速条件下，其索股横向位移远大于常规悬索桥。当索股横向摆动较大时，施工人员无法用“C”形卡尺测量待调索股与基准索股的高差，作业的窗口期比较短，影响调索速度。因此，对于2000米级悬索桥主缆调索，应研究将机器视觉动态识别技术或3D激光扫描技术等，引入到索股相对高差测量中，替代人工“C”形尺测量，实现大风环境下索股高差智能化测量。

紧缆机、缠丝机研发

紧缆、缠丝作业是保证悬索桥主缆施工质量的关键工序。紧缆机是在人工预紧缆后，将主缆挤紧、挤圆的专业施工设备。国内现有最大型紧缆机可紧主缆直径约1.3米。未来随着悬索桥主缆直径的增大，对紧缆机的紧固能力、设备尺寸、通过性等都提出了更高要求。因此，未来应研究更大吨位、更小尺寸、更高性能的紧缆设备，满足2000米级悬索桥的建设需求。

悬索桥单根索股在不同风荷载作用下的横向位移

缠丝是主缆防护工作的关键内容。主缆直径的增大对缠丝材料性能提出了较高的要求。因此，还需研发更高强度的钢丝，满足2000米级悬索桥大直径主缆的缠丝需求。此外，对于某些小净距双主缆的悬索桥若采用组合式索夹，缠丝机还需从常规的下部开合变为侧向开合，以满足索夹位置处的通过性。

未来应注重智能化紧缆机、缠丝机研发，实现“一键式”紧缆和“无人值守”缠丝。

主梁架设关键技术

总体架设工艺与关键技术问题

目前国内外大跨悬索桥，无论是钢箱梁、钢桁梁或组合梁，常用的架设方法主要有跨缆吊机架设法、缆索吊机架设法、桥面吊机架设法。

桥面吊机架设法源于日本明石海峡大桥，主梁采用全回转吊机散件拼装，架设顺序为从索塔至跨中，主梁之间采用大段铰接方式，悬拼过程需采用临时吊索辅助杆件安装，工艺复杂、工效较低、施工控制难度大。该工法仅在国内坝陵河大桥应用过，在2000米级悬索桥的应用优势不明显。

缆索吊机架设法在国内应用广泛，应用最大跨径为1386米的华丽高速金安金沙江大桥，额定吊重220吨。该工法显著特点是工效高、工艺简单、纵向和竖向运输方便，特别适用于山区等交通不便利地区的主梁架设。但对于2000米级悬索桥，缆索吊系统规模庞大、吊装能力受限，不具备工程应用可能。

跨缆吊机架设法在国内外应用广泛，近年来在国内发展迅速，杨泗港长江大桥和五峰山长江大桥采用双机抬吊，额定吊重达900吨；在建温州北口大桥采用单机吊装，额定吊重1000吨，为目前世界最大吊重缆载吊机。跨缆吊机架设法的不足是只能在满足通航条件的区域使用，需研发能带载行走的专用设备，实现全区域吊装。

对于2000米级悬索桥，目前多个规划项目均采用长大节段（20米至30米）主梁设计。

缆载吊机研发

单侧单缆缆载吊机

2000米级悬索桥的吊重和缆载吊机规格都需进一步提高，关键技术问题除了结构构造优化外，还需重点提升设备集成化、智能化程度。

单侧双缆分体式缆载吊机示意图

缆载吊机主横梁的主要优化方向是模块化和适应性。主横梁采用分段设计，段与段之间采用销接，其他连接采用高强螺栓栓接，到现场后拼接而成，实现模块化组装；适用性体现在主缆间距及吊点位置变化时，只需适当改造承重梁或中间桁架即可。此外，滚轮式行走机构，还需适应不同主缆直径，并顺利跨越主缆上的障碍物。

集成化主要体现在行走及定位吊装功能的机构集成，以及功能实现的控制系统集成。一体化液压泵站、控制室及液压提升、行走设备均布置于主缆之间的缆机主梁上；通过分布式计算机网络控制系统，主控台根据各种传感器采集到的位置信号、压力信号，按照一定的控制程序和算法，决定油缸的动作顺序，完成集群千斤顶的协调工作和同步控制。

智能化主要体现在基于传感器实时数据的智能控制，自动模式下缆载吊机一键开启或停止操作。同时，配置具备云功能的硬件单元，设备通过通讯元件自动连接Internet，结合云功能硬件的云平台（设备云）和云服务平台（服务云），实现远程运维、数据信息展示、大数据管理等功能。

单侧双缆缆载吊机

四主缆悬索桥在国外主要有乔治华盛顿大桥（George Washington）、维拉扎诺大桥（Verrazzano）等，这两座桥单侧两根主缆并排布置，中心距约2.74米。近期规划在建的狮子洋过江通道和燕矶长江大桥（主跨1860米）也都采用了单侧双主缆（中心距3米），全桥四主缆的设计方案。并排双主缆悬索桥主缆吊装设备要求，在上述单缆缆载吊机基础上，增加其行走支撑机构，保证其同时骑跨在4根主缆上。另一方面，根据提升系统从主缆内侧、主缆中间、主缆两侧下钩的方式，可研发多种适用于并置双缆悬索桥主梁吊装的缆载吊机。此外，并排双主缆相比于单主缆，缆载吊机提升系统可两点支撑于主缆上，自稳性比较好。因此，应研究取消横梁的分体式缆载吊机，在并排双主缆上的应用。