自锚式悬索桥发展现状与施工技术创新

段向虎

(中国铁建投资集团有限公司，北京 100855)

自锚式悬索桥将主缆锚固在自身加劲梁上，既不需要庞大的锚碇结构，又具有传统悬索桥造型美观的优点，因而在城市桥梁中得到广泛应用[1]。自锚式悬索桥早在19世纪后半叶就已出现，进入20世纪后首先在德国兴起。1915年建成的跨越莱茵河的科隆—迪兹桥，主跨达185 m，施工时采用木脚手架支撑钢梁直至主缆就位[2]。在科隆—迪兹桥建成后的35年间，自锚式悬索桥在美国、日本、英国、法国等国家得到较快发展。1929年，德国建成跨莱茵河的科隆—米尔海姆桥，该桥主跨315 m，保持自锚式悬索桥的跨径记录达78年之久。进入21世纪，我国自锚式悬索桥的建设进入发展高峰期，短短十余年间建成的自锚式悬索桥数量已超过50座，在结构体系、缆索形状、索塔形式、加劲梁结构等方面均有创新，同时在主跨跨径上也取得较大突破。如2006年9月建成的长沙湘江三汊矶大桥为主跨328 m的双塔自锚式悬索桥，打破了科隆—米尔海姆桥的主跨记录[3]；2006年11月建成的佛山平胜大桥为自锚式独塔悬索桥，主跨达350 m，主塔采用整体三柱式框架结构，加劲梁为钢-混凝土混合梁[4]； 2013年9月建成的郑州桃花峪黄河大桥，为整体钢箱梁双塔三跨自锚式悬索桥，主跨达406 m[5]。在建的重庆鹅公岩轨道专用桥，主跨达600 m，为双塔五跨钢-混凝土混合梁自锚式悬索桥，建成后将成为世界上主跨跨径最大的自锚式悬索桥，实现该类桥主跨由400 m级向600 m级的跨越[6]。由此可见，自锚式悬索桥在近年来取得了很大突破和发展，有必要对其设计和施工关键技术特别是创新技术进行系统总结。

本文首先总结自锚式悬索桥的技术发展现状，其次以重庆鹅公岩轨道专用桥为例，对该桥设计和施工特点，特别是首次采用的斜拉法建造技术进行重点介绍。最后对自锚式悬索桥的发展方向进行展望。

1 国内外自锚式悬索桥技术发展现状

1.1 国外自锚式悬索桥技术发展现状

国外自锚式悬索桥的发展可分为3个阶段：①从19世纪60年代至20世纪50年代，为自锚式悬索桥的早期发展阶段，主跨跨径从22.8 m发展到 315.0 m，垂跨比1/9～1/7，加劲梁以钢梁为主，截面形式包括钢桁梁、钢板梁和钢箱梁；②从20世纪60年代到80年代，国外自锚式悬索桥的发展缓慢，仅建成几座以混凝土箱梁为加劲梁的自锚式悬索桥；③从20世纪90年代到现在，可以视为自锚式悬索桥的技术革新期，这一阶段国外的自锚式悬索桥数量虽不多，但在技术上都实现了较大的突破和创新，包括跨径、结构体系、加劲梁形式等[7]。这一阶段国外具有代表性的大跨度自锚式悬索桥见表1，其中，日本此花大桥加劲梁采用单箱三室钢箱梁，平面倾斜吊索，花瓶形桥塔，是在以往结构形式上的突破。该桥梁宽26.5 m，梁高3.17 m，高跨比为1∶95，垂跨比为1/6，如图1(a)所示。韩国永宗大桥是世界上第1座双层行车的公铁两用自锚式悬索桥，跨径布置与此花大桥类似，但垂跨比进一步增大到1/5。该桥加劲梁为钢桁梁，梁高7 m，两主缆从塔顶到加劲梁跨中两侧为空间三维曲线，可增强桥梁横向稳定性，如图1(b)所示。2013年9月建成通车的美国旧金山—奥克兰海湾桥，是世界跨度最大的独塔自锚式悬索桥。该桥主塔高160 m，由4个钢筒构成，钢塔柱面板最大厚度达100 mm。桥面通行双向12车道，加劲梁采用分离式钢箱梁，梁宽约70 m，梁高5.5 m，如图1(c)和图2所示[8]。由于地处近断层强震区，该桥采用可修复性抗震设计，设计时考虑了桥墩钢筋的屈服和混凝土保护层的剥落、分肢塔柱剪力连接的塑性变形和可更换伸缩装置，保证遭遇强震破坏后桥梁仍能提供通行服务[9]。此外，爱沙尼亚Muhu岛桥和瑞士日内瓦湖桥计划分别采用主跨480 m 的钢箱梁自锚式悬索桥、主跨950 m的钢-混凝土组合梁自锚式悬索桥设计方案。

表1 国外具有代表性的大跨度自锚式悬索桥

图1 国外现代大跨度自锚式悬索桥

图2 美国旧金山—奥克兰海湾桥的主塔和加劲梁(单位：m)

国外自锚式悬索桥的技术发展特点总结如下：

1)为降低主缆拉力,减小加劲梁承受的轴向压力,提高桥梁整体竖向刚度，自锚式悬索桥一般采用较大的垂跨比。双塔自锚式悬索桥早期垂跨比为1/9～1/7，近年来几座大跨度桥的垂跨比在1/6～1/5。独塔自锚式悬索桥垂跨比在1/13.5～1/10。

2)加劲梁由早期以钢板梁、钢桁梁为主向钢箱梁发展。钢箱梁抗扭刚度大,抗风稳定性好，同时又能提升桥梁景观效果，是现代大跨度自锚式悬索桥加劲梁的主要截面形式。钢桁梁目前多用于承载双层交通的情况，同时有利于提高结构整体稳定性。混凝土箱梁在国外应用很少，但其具有的造价和后期维护经济性、稳定性较好等特点使其在较小跨度的自锚式悬索桥中具有较大优势。

3)主缆形式多样化，且主缆强度和设计使用寿命要求提高。主缆早期多采用平行双缆形式，如科隆—迪兹桥、第七街桥、科隆—米尔海姆桥等；后期出现单主缆、空间三维曲面双主缆等新形式，以日本此花大桥、韩国永宗大桥和美国旧金山—奥克兰海湾桥为代表(参见图1)。同时，主缆钢丝抗拉强度也由 1 600 MPa 提高到 1 800 MPa 及以上，并通过建立完整的防腐系统(镀锌钢丝、S形绕线包裹、干燥空气除湿等)以实现主缆的长寿命[10-11]。

1.2 国内自锚式悬索桥技术发展现状

国内自锚式悬索桥的起步较晚，但发展很快。自1999年浙江省诸暨市浣江桥建成以来，我国自锚式悬索桥呈现出建成数量多、结构体系新、跨度不断增大等特点，在短短的十多年间建成的自锚式悬索桥就已超过了50座。统计国内主跨200 m以上具有代表性的自锚式悬索桥见表2。可知，大跨度双塔自锚式悬索桥的垂跨比主要分布在1/7～1/5，独塔自锚式悬索桥的垂跨比一般较小，分布在1/13.1～1/10。重庆鹅公岩轨道专用桥为双塔五跨自锚式悬索桥，主跨600 m，承载双线城市轨道交通，主要是考虑到与相邻地锚式悬索桥的景观协调，其垂跨比为1/10，小于常规的1/7～1/5，较小的垂跨比要求加劲梁具有足够抵抗轴向压力的能力，因而加劲梁应具有较大刚度。从加劲梁结构形式来看，钢箱梁、钢-混凝土结合梁和钢-混凝土混合梁是目前大跨度自锚式悬索桥加劲梁采用的3种主要形式[12]。此外，还有采用钢-混凝土组合、混合梁的加劲梁形式，如武汉江汉六桥。在边跨和锚跨段采用混凝土箱梁，可以平衡主缆较大的竖向分力，起到一定的压重作用，避免支座处出现负反力。而主跨采用钢-混凝土组合梁，可以充分发挥混凝土受压稳定性好的特点，同时改善了钢桥面疲劳开裂等问题。混凝土箱梁在跨径较小的自锚式悬索桥中已普遍应用，具有景观效果好、经济性好等优点。

表2 国内主跨200 m以上具有代表性的自锚式悬索桥

从主缆形式看，国内大跨度自锚式悬索桥多采用平行双主缆，如湘江三汊矶大桥、郑州桃花峪黄河大桥、鹅公岩轨道专用桥等；也有采用空间三维曲面主缆的悬索桥，如杭州江东大桥、广州猎德大桥、青岛海湾大沽河航道桥等。国内对主缆的防腐保护系统也进行了相关研究和工程应用，如株洲枫溪大桥直接在主缆平行钢丝外层缠绕高强、高模量、高延展率的纤维增强复合材料，代替传统的缠绕圆钢丝和腻子涂装系统[12]；再如防腐镀锌钢丝向锌铝合金镀层钢丝发展等。国内已建及在建的大跨度自锚式悬索桥如图3所示。

图3 国内已建及在建的大跨度自锚式悬索桥

鹅公岩轨道专用桥是世界首座主跨600 m且承载双线城市轨道交通的自锚式悬索桥，在设计、施工方面均有突出的技术特点。该桥位于既有鹅公岩公路桥上游侧，两桥中心距70 m，梁间净距不足45 m，属于典型的“姊妹桥”。受既有公路地锚式悬索桥影响，本桥已不具备修建巨大锚碇条件，而从通航、行洪、景观等方面考虑，轨道专用桥宜采用与既有老桥相同跨径布置和垂跨比的自锚式悬索桥[13]。其设计、施工特点如下[13-15]：

1)跨径布置为(50+210+600+210+50)m，垂跨比为1/10，结构形式为钢-混凝土混合梁自锚式悬索桥。主桥立面布置如图4(a)所示。

图4 鹅公岩轨道专用桥主桥立面布置及加劲梁断面示意

2)主桥钢箱梁梁高4.5 m，梁宽22 m(含风嘴，以改善抗风性能)，采用六腹板断面，标准节段长15 m，根据受力需要，钢箱梁顶、底板(含斜底板)厚度为32～44 mm。4道中腹板位置与轨道对应，板厚20 mm，边腹板厚度40 mm。为保证腹板局部稳定，便于加工制造，6道腹板均通过板式T形肋加劲，其中，中腹板T形加劲肋板厚10 mm、高250 mm，翼缘厚14 mm，宽120 mm；边腹板采用310 mm×30 mm板式加劲肋。钢箱梁顶板为正交异性钢桥面板，早期顶、底板均采用U形肋加劲，后续调整为I形加劲肋，厚度分别为25～32 mm,25～34 mm，高度分别为260～320 mm,260～350 mm。钢箱梁钢材主要采用Q345qD，Q420qE。主缆在210 m辅助跨端部锚固，锚固段与50 m锚跨采用预应力混凝土结构，混凝土箱梁与钢箱梁之间设钢-混结合段，如图4(b)、图4(c)所示。

3)主缆间距19.5 m，吊杆间距15 m，主缆与吊杆均采用高强平行钢丝束，主缆采用 1 860 MPa 的锌铝合金镀层φ5.3平行钢丝，共92股，每股127丝。吊杆采用 1 770 MPa 的锌铝合金镀层φ7平行钢丝。

4)大桥采用“先梁后缆”的斜拉法施工工艺。首先采用围堰法进行钻孔桩基础施工，通过帷幕注浆形成隔水结构，保证钢围堰在丰水期前顺利拼装。其次进行索塔施工。混凝土主塔采用爬模法施工，施工完毕后在塔上安装用于锚固临时斜拉索的钢扣塔，然后进行加劲梁的架设施工。其中，边跨钢箱梁采用顶推法施工，顶推完毕后现浇主缆锚固段箱梁混凝土，利用临时钢塔、临时斜拉索辅助安装中跨钢箱梁，在边跨与中跨钢箱梁依次合龙后形成临时斜拉桥结构。进一步架设主缆，现浇锚跨段箱梁混凝土，安装并张拉全桥吊索；自上而下依次拆除斜拉索，完成临时斜拉桥向自锚式悬索桥的体系转换。最后，拆除临时钢塔、顶推支架及现浇支架，施工桥面系及附属结构，全桥调索后成桥。

2 自锚式悬索桥的施工技术

自锚式悬索桥一般采用“先梁后缆”的施工方法，加劲梁的架设方法主要包括满堂支架法、临时支墩法、斜拉法等。也有通过设置临时锚碇的“先缆后梁”施工方法，但应用较少[1]。下文具体介绍自锚式悬索桥“先梁后缆”的施工方法及关键施工技术。

2.1 满堂支架法

采用满堂支架法施工的自锚式悬索桥需要满足跨径小、不受洪水和通航影响等建设条件。桂林丽泽桥(又称“丽君桥”、“红桥”)、大连金石滩金湾桥、天津子牙河大桥(西河桥)等均采用满堂支架法架设主梁。采用满堂支架法施工的关键是对主梁标高的精确控制，施工时需要考虑支架的沉降变形和非弹性变形。

2.2 临时支墩法

考虑到防洪、通航要求，大多数自锚式悬索桥均采用临时支墩的施工方法。通过施工临时支墩顶推加劲梁，将整个加劲梁架设在临时支墩上，以加劲梁为平台挂设主缆，之后通过张拉吊索、逐步卸除加劲梁在临时支墩上的反力实现由连续梁向自锚式悬索桥的体系转换。长沙湘江三汊矶大桥、佛山平胜大桥、杭州江东大桥、广州猎德大桥、福州鼓山大桥、郑州桃花峪黄河大桥等大跨度自锚式悬索桥均采用临时支墩法成梁。加劲梁形成后，还需经历由临时墩支承到主缆悬吊的体系转换，这一过程是施工控制重点，需通过详细计算分析和对比来确定合理的施工方案和步骤[16]。

2.3 斜拉法

自锚式悬索桥的斜拉法施工是通过临时钢塔、临时斜拉索形成加劲梁，再由临时斜拉桥结构体系向自锚式悬索桥结构体系转换。这种方法可以少支架甚至无支架架梁，但由临时斜拉桥向自锚式悬索桥的复杂体系转换是控制难点。重庆鹅公岩轨道专用桥因地处繁忙的长江航道，水深流急，难以采用传统的在河道中搭设临时墩支架的施工方法，故跨江主梁采用斜拉法架设，在国内系首次采用。因需跨越既有铁路和道路，边跨钢箱梁采用顶推法施工，中跨钢箱梁采用斜拉法悬拼架设。该桥于2018年5月5日顺利完成临时斜拉桥的合龙，目前正进行主缆挂设，在主缆挂设和锚跨段合龙施工完成后，进行斜拉-悬索体系转换。主要施工工艺[14]如下：

1)在主塔顶设置临时钢塔，钢塔塔柱采用预埋钢筋、锚栓和预埋精轧螺纹钢筋锚固在主塔上横梁顶。钢塔内设置斜拉索锚梁，斜拉索张拉端锚固在锚梁上。

2)中跨钢箱主梁悬拼采用架梁吊机和临时斜拉索扣挂施工，每拼装2个或1个节段钢箱梁，则在边跨和中跨分别挂设并张拉1对斜拉索，中跨合龙后形成斜拉桥结构。

3)在钢箱加劲梁上设置斜拉索锚点，斜拉索锚固段通过锚箱与钢箱梁上锚点连接(边跨混凝土锚固段上的斜拉索直接锚固在混凝土梁箱内齿块上)。东西两岸各设16组斜拉索，斜拉索塔端为张拉端，梁端为锚固端。

4)张拉第1对斜拉索前，边跨钢箱梁已顶推完毕，按“挂设斜拉索并张拉→架梁吊机前移→吊装钢梁节段→梁段精调→梁段焊接”的施工步骤完成中跨钢箱梁的架设。在施工前8个节段时每施工完2个梁段则张拉1对斜拉索，从第9个节段以后每个梁段张拉1对斜拉索。当主塔两侧钢箱梁同时达到最大悬臂，并处于无应力平衡状态时，浇筑钢箱梁与主梁锚固段之间的合龙段。待锚固端合龙段强度达到90%后，再依次进行跨中剩余梁段吊装、焊接和斜拉索挂设张拉。通过架梁吊机吊装中跨合龙段，合龙口调整后完成钢梁合龙。中跨钢箱梁斜拉法单悬臂施工总体布置如图5所示。斜拉法施工现场如图6所示。

图5 鹅公岩桥中跨钢箱梁斜拉法施工总体布置(单位：m)

5)在完成斜拉成桥后，进行主缆挂设和锚跨段合龙施工、斜拉-悬索体系转换施工。施工单位针对该桥“先斜拉、后悬索”的体系转换过程提出了2种体系转换方案：①临时斜拉桥成桥后直接进行体系转换；②临时斜拉桥成桥后，先对斜拉索进行补张拉，再进行斜拉-悬索体系转换。从吊索张拉设备、单根吊索最多张拉次数、所有吊索张拉总次数、主索鞍顶推次数、吊索接长杆最大长度、需同步张拉的吊索数量等方面对2种体系转换方案进行对比计算。计算结果表明，方案2可以明显降低吊索张拉的接长杆长度和张拉次数，减少体系转换需要的张拉设备，从而缩短施工周期和投入，故选择方案2施工[15]。

3 结论

本文通过系统总结近年来自锚式悬索桥在设计、施工等方面的发展，得出了该类桥型的技术现状和创新；以重庆鹅公岩轨道专用桥为研究对象，对国内首次采用的自锚式悬索桥斜拉法施工进行了介绍。主要结论如下：

1)自锚式悬索桥近年来表现出跨径不断增大的发展趋势，但随着跨径增大，加劲梁承受的轴向压力也明显增加，这对结构整体刚度、稳定性和动力特性提出了更高要求，在进行方案比选时，有必要对合理结构体系、加劲梁结构形式、经济性等进行综合考虑。

2)自锚式悬索桥的施工体系转换仍是这类桥梁在建造过程中需要重点考虑的问题，需通过不同方案的综合比选和详细的施工全过程模拟，制定合理的施工体系转换技术方案。针对跨越航运繁忙河道的自锚式悬索桥，斜拉法是一种技术可行的施工方案，但其涉及的斜拉成桥、主缆挂设、吊索张拉、主索鞍顶推等复杂施工过程，需要进行全面的施工方案优化研究。

3)随着高性能材料和新型结构体系的发展，自锚式悬索桥将在未来涌现出更多创新的结构体系和形式，同时由于具有节省城市用地、美学价值较高等优点，将使其在城市桥梁建设中占据一席之地，特别在主跨400 m以内将具有较大的竞争优势。