瓯江北口大桥钢桁梁悬吊方案及结构体系研究

马碧波，李 恒，廖刘算

(1.浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310006；2.中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430056)

多塔悬索桥受整体刚度与主缆抗滑移问题困扰，制约了其应用与发展。若能通过提高主缆与鞍座间抗滑能力，同时对结构体系进行合理设计，可从根本上解决“中塔效应”对多塔连跨悬索桥方案的设计制约[1-2]。目前国内已建成的3塔大跨度悬索桥分别在结构体系上进行了一些尝试和创新，如泰州长江大桥在中塔处加劲梁上设置了纵向弹性索、马鞍山长江大桥在中塔处采用塔梁固结体系、鹦鹉洲长江大桥采用4跨简支体系[3-4]。

瓯江北口大桥跨江主桥采用3塔4跨双层钢桁梁悬索桥，为世界上首次使用，相较国内已建成的3座3塔悬索桥，该桥在中塔和加劲梁结构形式等方面存在较大区别[5-7]，使得该桥的结构静动力性能与之不同。为了使瓯江北口大桥主桥设计安全合理、造价经济、结构耐久，需对不同结构体系进行深入研究，彻底弄清不同结构体系对其结构行为特性的影响规律，得出合理的结构体系方案。

1 钢桁梁悬吊方案比选

1.1 4跨吊与2跨吊桥跨布置

1) 主缆4跨吊方案[8]

跨度布置为(230+800+800+348) m，悬吊部分加劲梁的跨度为(213.6+800+800+273.6) m，主桥加劲梁全长2 087.2 m，如图1所示。

单位：m图1 4跨吊桥式布置Fig.1 General layout of four-span suspension bridge scheme

2) 主缆2跨吊方案

跨度布置与4跨吊方案相同，仅2个主跨的加劲梁悬吊在主缆上，加劲梁全长1 600.0 m。北岸边跨引桥采用4×68.75 m的钢混组合连续梁，顶推施工；南岸边跨引桥为4×68.75 m的预应力混凝土梁桥，采用预制节段拼装施工，如图2所示。

单位：m图2 2跨吊桥式布置Fig.2 General layout of two-span suspension bridge scheme

1.2 4跨吊方案与2跨吊方案比选

利用非线性有限元分析程序BNLAS建立结构整体空间模型，从主缆受力、索塔受力、整体刚度、锚碇规模、主缆抗滑移等各项主要受力指标进行综合对比分析，结果见表1。

从表1可知：

表1 4跨吊与2跨吊方案计算结果对比Table 1 Calculation results comparision between four-span suspension bridge schemes and two-span suspension bridge scheme

1) 4跨吊方案主缆拉力增大，主缆索股需加大。4跨吊主跨及南边跨通长索主缆规格为169-127Φ5.54，2跨吊主跨及南边跨通长索主缆规格为169-127Φ5.46。

2) 4跨吊与2跨吊方案北塔及中塔应力变化不大，4跨吊方案南塔应力较2跨吊方案有所增加。

3) 2种方案主梁竖向刚度及梁端位移变化不大，但4跨吊方案梁端转角大幅减小约47%，由于钢桁梁梁高较高，转角减小后伸缩缝的反复开合会得到改善，对行车有利。

4) 4跨吊与2跨吊方案相比，主缆入射角变化较大，主缆水平力基本不变，但4跨吊方案竖向力减小，可减少锚碇的规模，以北锚为例，可减少约4 300 m3混凝土。

5) 4跨吊方案对中塔处主缆抗滑移安全系数小幅提高，约3.6%，这主要是恒载缆力增大所致。

综上所述，4跨吊方案较2跨吊方案受力性能更合理，同时结合引桥施工风险、船撞风险、景观效果、工程量及造价等因素考虑[8]，瓯江北口大桥最终采用钢桁梁4跨吊方案。

2 约束体系研究

3塔悬索桥约束体系研究，主要包括中塔处主梁与中塔间纵向和竖向连接，边塔处主梁与边塔间纵向和竖向连接，跨中主梁与主缆的连接[9-11]；由于主梁与边塔间纵向连接除须结合中塔综合考虑外，竖向连接与中塔处没有明显区别，故竖向连接可以以中塔研究成果作为参考。

2.1 竖向支承体系

加劲梁在中塔处的竖向约束体系可分为2大类[12]：第1类为多跨简支体系，即主梁在中塔处断开，如图3(a)方案1所示；第2类为多跨连续体系，即主梁连续通过中塔，根据吊索及支座的布置形式，可分为另外6种方案。

方案2：离中塔中心线20 m设置第1对吊索(吊索2#)，悬吊于主缆上，如图3(b)所示。

方案3：离中塔中心线10 m设置第1对吊索(吊索1#)，悬吊于主塔上塔柱上；离中塔中心线20 m设置第2对吊索(吊索2#)，悬吊于主缆上，如图3(c)所示。

方案4：在主塔中心处设置1对0#吊索(吊索0#)，悬吊于中塔横梁上；离中塔中心线10 m设置第1对吊索(吊索1#)，悬吊于主塔塔柱上；离中塔中心线20 m设置第2对吊索(吊索2#)，悬吊于主缆上，如图3(d)所示。

方案5：在主塔中心处设置1对0#吊索(吊索0#)，悬吊于主塔横梁上；离中塔中心线20 m设置第2对吊索(吊索2#)，悬吊于主缆上，如图3(e)所示。

方案6：离中塔中心线20 m设置第1对吊索(吊索2#)，悬吊于主缆上，在两主塔柱中横梁所对应的钢桁梁下弦节点处沿纵向设置2排竖向支座，如图3(f)所示。

方案7：离中塔中心线20 m设置第1对吊索(吊索2#)，悬吊于主缆上，在两主塔柱中横梁之间设置系梁，在塔柱中心线对应的钢桁梁下弦节点处设置1排竖向支座，如图3(g)所示。

针对上述7个竖向支撑方案建立有限元总体模型，分别研究主梁与中塔间不同的竖向连接方式对主缆、吊索、钢桁梁、支座的影响，结论如下：

1) 各竖向约束体系方案主缆抗滑安全系数相差不大，均在2.0左右，方案6主缆抗滑移安全系数最大，为2.16。

单位：m

2) 方案1、方案6吊索力与普通吊索基本相当；方案7吊索力是普通吊索力的1.5倍左右；方案2、方案3吊索力非常大，单侧吊索力达到12 000 kN以上，索夹的设计较为困难；方案4、方案5的0#索有卸载现象，且吊索力及应力幅值均很大，见表2。

表2 7种方案吊索内力和支座反力 kNTable 2 Internal force of sling and reaction force of bearing under seven different schemes

3) 各竖向约束体系方案，除方案5钢桁梁竖杆应力较大之外，其他方案主梁的应力通过适当调整截面基本能满足设计要求，其中方案1的主梁应力水平较低，见表3。

表3 7种方案中塔处钢桁梁应力 MPaTable 3 Stress of steel truss beam of middle tower of seven different schemes

4) 方案1支座负反力较小，仅为3 084 kN；方案6支座负反力高达20 915 kN，负反力过大对支座以及支座锚栓附近混凝土的局部受力提出了非常高的要求；方案7负反力6 838 kN，处于可控范围，采用局部少量压重即可消除该处负反力。

综合主缆抗滑移、吊索受力、主梁受力、支座受力以及运营舒适性等各方面因素考虑，瓯江北口大桥中塔处的竖向约束体系最终采用方案7。为降低支座设计难度、支座及锚固区混凝土受力的运营风险，对中塔塔根附近梁段进行适当的压重，以彻底消除支座负反力。

2.2 纵向支承体系

纵向支承体系主要包括塔梁连接形式和缆梁连接形式[13-15]。针对塔梁连接形式分别研究了主梁与中主塔间纵向不约束、弹性索约束、刚性限位挡块约束3种情况，分析对中塔受力、主缆抗滑移安全、主梁受力、支座参数等因素的影响。针对缆梁连接形式分别研究了主跨跨中不设中央扣、设1对柔性中央扣、设3对柔性中央扣3种情况，分析跨中主梁与主缆间的连接对中塔受力、主缆抗滑移安全、主梁受力、支座参数以及动力性能方面的影响。分析计算结果可得到如下结论：

1) 加劲梁与中塔间是否设置纵向约束，对主缆与中主鞍座间抗滑移安全及中塔受力影响不大；弹性索、刚性约束方案的加劲梁纵向活载梁端位移基本相当，全飘体系位移稍大，见表4，加劲梁竖向刚度3种方式也基本一致；弹性索方案索力幅值较大，刚性约束方案支座往复作用力较大。由于全飘体系构造简单，经济实用，功能与其他约束方式差别不大，因此，瓯江北口大桥加劲梁与中塔间纵向采用全飘体系，通过在边塔处设置纵向阻尼器以遏制加劲梁在日常行车条件下梁端纵移的速度。

表4 活载作用下梁端位移 mTable 4 Displacements of beam end under live load

2) 设置中央扣后，中央扣内力非常大，且应力幅非常高，设置中央扣可减小结构纵向位移，提高结构竖向刚度，但提高值十分有限，约10%。基于中央扣内力及应力幅均较大的情况下，结构构造设计困难，疲劳应力幅高。

2.3 横向支承体系

对于主塔处加劲梁的横向约束方式，分别研究3种工况：在加劲梁下弦、上弦、以及上弦和下弦同时设置横向抗风支座，其中中塔纵向设置2排横向抗风支座，分别支撑在A型中塔纵向两塔柱上。

根据计算分析可知：加劲梁仅在上弦或仅在下弦设置抗风支座时，腹杆面外弯矩较大，单项风荷载作用下其应力水平较高，弦杆应力也较高，见表5；在上、下弦同时设置抗风支座时，弦杆及腹杆受力大有改善，且抗风支座规模较小，对主梁和索塔局部受力均较为有利。因此，瓯江北口大桥最终在上下弦同时设置抗风支座。

表5 极限风荷载作用下主梁应力 MPaTable 5 Stress of beam under ultimate wind load

3 结论

多通道合建的多塔连跨大跨度桥梁是我国未来在海峡、海湾、江口等深水条件下设计长大桥梁需重点研究和应用的桥梁方案，瓯江北口大桥首次采用3塔4跨主梁连续结构，对其悬吊方案和结构体系进行系统研究，得到以下认识：

1) 4跨吊与2跨吊方案相比，主梁竖向刚度及梁端位移变化不大，但4跨吊方案梁端转角大幅减小，对行车有利。

2) 加劲梁竖向支撑体系对支撑位置附近的吊杆及主梁局部受力有很大的影响，在采用混凝土中塔的情况下，支撑体系的选择取决于支撑位置附近的吊杆受力及主梁局部受力。

3) 中塔处设置2排竖向支撑会形成很大的支座负反力，这是由于2排支座受结构尺寸限制距离太近，在其中1跨加载时，空载跨会上翘；中塔或边塔处设置0#或1#吊索，均会产生卸载现象，其吊索应力幅很大；设单排竖向支座后，会产生支座负反力，但反力值不大，可采用主梁局部压重的方式解决。

4) 设置中央扣后，可减小主梁纵向位移，可提高桥梁整体刚度约10%，但因中央扣自身及其布置范围内吊索的应力幅很大，在未解决由此导致的疲劳、锚固及索夹滑移等问题前，不宜应用于大跨度多塔悬索桥工程实践中。