我国公铁两用斜拉桥主塔与基础方案选择探讨

孙俏

摘要：主塔与基础方案的选择是斜拉桥设计建造的关键。文章概述了公铁两用斜拉桥在跨径、结构形式、工程材料、施工工艺、技术装备等方面所取得的技术进步，开展了斜拉桥主塔设计、索塔锚固设计、索梁锚固设计、基础设计等方面的方案比选，探讨了各方案的特点，并对结构创新以及新材料的应用等方面进行了展望，可为我国钢桁梁斜拉桥的技术应用提供参考。

关键词：公铁斜拉桥;大跨度;钢桁梁;桥型方案;索塔锚固;基础

中国分类号：U448.12+1文献标识码：A

0 引言

自21世纪初，主跨312 m芜湖公铁两用长江大桥的成功建造，填补了国内公铁两用斜拉桥的建设空白，现有大跨度铁路斜拉桥在国内的覆盖范围跨度为200～1 100 m，多数采用钢桁梁及钢混组合的混合梁斜拉桥。在建的沪通铁路长江大桥跨度达1 092 m，是目前中国跨度最大的斜拉桥，也是世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥。相较混凝土斜拉桥，钢箱梁斜拉桥或钢桁梁斜拉桥由于主体梁采用钢材料，钢梁重量会更轻，随着桥梁跨度的增大，这种重量的优势就越明显，正是凭借此优势，钢箱梁斜拉桥或钢桁梁斜拉桥拥有更广泛的应用范围。随着斜拉桥设计研究工作的深入和一大批型式各异的斜拉桥的建设，相关部门对斜拉桥桥塔形式、锚固体系、深水基础等积累了大量的经验，综合考虑各种因素，构思采用新结构、新材料和新技术，选择合理的桥塔和基础类型方案，将有助于继续推动我国斜拉桥的发展。

1 主塔设计

主塔是斜拉桥的标志性建筑，桥塔的造型不仅能突显地方文化特色，也为桥本身赋予了文化的内涵，所以针对主塔的外形选择既要考虑受力要求又要兼顾景观的需要。目前公铁两用斜拉桥桥塔样式主要有A型、倒Y型、H型和钻石型等。

一种常见塔型是A型桥塔，A型桥塔的主要特点是塔身的索面倾斜度与其流线造型的结合较好，结构稳定、外观大气，受到了世界各国建造师的青睐，多用于斜拉桥的结构。倒Y型桥塔与A形桥塔不同，主要体现在塔柱的锚索区的结构，倒Y型桥塔将塔柱进行交叉合并，结构特点鲜明，直指长空，有较强的整体感，整体结构比例匀称，造型大方得体。

H型塔是比较传统的桥塔型式，应用范围比较广泛，造型简洁，斜拉索在同一个平面内，简化了锚固系统，斜拉索可以平面受力。另外H型塔生产、施工较便捷，在实际的钢桁梁斜拉桥建设中普遍采用H型塔。

钻石型塔桥的原型也是H型桥塔，通过将H型桥塔进行拉索受力等措施的合理折线演化，增加了索與塔身之间的立体效果，使桥塔的外观更具视觉冲击力。通过将斜拉索从平面到立体的转变，极大地提高了桥身主梁的扭转自振频率，提升了颤振风速门限值，缩短上塔柱，从而使桥体的上横梁缩短，向内收缩下梁柱，使桥体基础设施尺寸减少，在基础设施更方便搭设的同时，也减少了桥体的建设成本。

各塔型的优缺点及应用范例如表1所示。

2 锚固设计

2.1 索塔锚固设计

塔身主体拉索锚固位置的主要作用是将拉索的集中受力均匀分布至整个截面，并平稳地传导至锚固区的下部塔柱，使其均匀受力。塔身拉索锚固部分的结构受主塔的构造与材料、拉索的布置形式、拉索的牵引和张拉方法等因素影响。在现实塔桥建设中应用范围较广、效果较明显的索塔锚固设计主要为钢锚梁、预应力齿块锚和钢锚箱等。锚固方式多采用拉索在锚固区断开的非交错式锚固结构。组合索塔锚固构造以钢结构承担拉索大部分水平拉力，以混凝土壁承担竖向压力，发挥材料各自优势，其主要形式有钢梁锚固和钢锚箱锚固。

（1）预应力齿块锚

环向预应力锚固方式主要应用于武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥、合福铁路铜陵长江大桥、宁安城际安庆长江大桥等大跨度铁路斜拉桥中。其将空间索作为主要斜拉索锚固方式，将三索与空间塔壁进行锚固。由于水平分力作用明显，使索塔侧壁拉应力增加，从而使锚固面产生弯曲应力，受力情况较复杂。所以为了使塔桥结构更加稳定，提高塔柱抗裂安全和均匀分布塔柱、塔壁的承载力，应在锚固区加设环向水平应力。其具体预应力加设方式可按环形或井字形实施，环形布置应使用预应力钢绞线材料，井字形布置应使用预应力高强钢筋材料。

（2）钢锚梁

对混凝土索塔钢锚梁进行锚固操作，主要是钢锚梁置于沿着桥方向混凝土索塔内壁的牛腿上，拉索锚固在钢横梁两端的锚固件上，锚固件通过两斜腹板将索力传递给钢横梁，水平力主要由钢横梁承受，竖向分力通过支座传递给牛腿进而传给塔柱，如图1所示。

钢锚梁与混凝土墙壁之间的连接有刚性与非刚性两种方式（如图2所示）。针对锚固非刚性连接的钢锚梁，主要是将钢锚梁架设在塔壁内牛腿的橡胶直座上，然后利用钢锚梁分担斜拉索产生的水平方向力，利用牛腿将斜拉索的纵向分力分担到混凝土塔壁。为了避免由于使用时间增加导致斜拉索断索情况引起的主塔截面纵向不平衡水平力的发生，应采取在塔壁与钢锚梁之间进行刚性加固连接，具体是通过钢钉加固牛腿和钢锚梁，达到混凝土塔壁和钢锚梁同时分担斜拉索的水平方向力的目的。

（3）钢锚箱

钢锚箱结构的优点与钢锚梁类似，如钢锚箱可承受大部分甚至全部斜拉索水平力，易于检测维护，钢结构力学性能较为可靠，工厂加工锚箱施工质量容易保证等。与钢锚梁不同的是，钢锚箱侧板位于拉索两侧，与横隔板形成一个张拉平台，便于施工。另外，钢锚箱通常上下连接，使锚固点定位更加精确，同时也分担了钢索大部分水平分力。

针对索塔锚固的三种形式的受力机理、对塔柱的受力影响、安装难易程度、对施工的要求等方面进行了比选，如表2所示。

与钢锚梁、钢锚箱相比，预应力齿块锚具有构造简单，造价低，后期维护工作量小等优点。但也有施工质量和精度很难控制的缺点，主要是因为环向预应力锚固方式的全部工序需要现场高空作业，锚垫板的角度及预应力管道定位控制较难，还需要多次张拉预应力，高空浇筑混凝土锚固构造也有一定难度，并且施工完成后不可检查和更换。

2.2 索梁锚固设计

钢桁梁斜拉桥索梁锚固结构分为：锚管式、锚箱式和锚拉板式。

（1）锚箱式

锚箱式连接主要由承压板、锚垫板、加劲板和锚固板组成，是一种在弦杆腹板外挂设钢锚箱在钢桁梁上的锚固方法。其将钢锚箱同主梁腹板通过腹板与锚固板二者间的焊缝进行连接，在锚垫板上固定斜拉索。为了更好地解决承压板抗弯性不好的问题及厚钢板不容易焊接的问题，需采用薄承压板与厚锚垫板进行焊接，通过调整锚固板和承压板之间的角度来改变斜拉索的角度。梁式锚箱斜拉索相对短，横向相对长，如图3所示。柱式锚箱斜拉索相对长，横向相对短，如图4所示。目前国内使用较多的主要是钢锚箱，且以柱式锚箱最为常见。

（2）锚管式

在锚固位置将腹板同锚管进行焊接即锚管式连接。将拉索锚固在锚固端部的承壓板上，并通过楔形承压板的变化调节不同斜拉索的横向倾角。

（3）锚拉板式

与钢锚箱的索梁锚固形式相比，锚拉板传力途径明确，传力由斜拉索-承压板-锚管-锚拉板-主桁，构造简单、施工方便，通过在桥面以上一定高度，设置双面坡口，将顶板与锚拉板对接熔透焊接。宁安城际安庆桥即采用此方法。此方法操作简单，且不影响钢桁梁的组装，焊接位于桥面以上，操作空间充足，同时对接熔透焊与母材等强，对结构的受力影响小，整个结构在桥面以上，维修方便，目前在斜拉桥索梁锚固构造中得到了越来越多的应用。

3 基础设计

斜拉桥桥塔基础一般采用沉井和桩基础。我国大跨度钢桁梁斜拉桥基础汇总如下页表3所示。

沉井基础作为一项传统的基础形式，具有施工便捷、承载能力强等优点，在南京、九江、枝江、江阴长江大桥等大型桥梁基础中得到了成功运用。随着建设的发展，沉井尺寸和长度不断发展，五峰山公铁两用长江大桥北锚碇尺寸为100.7×72.1 m，为目前最大的沉井基础，沪通公铁两用长江大桥沉井长度达115 m。沉井尺寸和长度加深，使得沉井结构覆盖的地基土特性差异越发明显，沉井结构同步下沉施工难度急剧增大，在泰州长江大桥、南京长江四桥、马鞍山长江大桥、沪通长江大桥和五峰山公铁两用长江大桥的沉井施工过程中都出现了风险和问题。因此，必须对平面超大型沉井施工现场监测与控制关键技术进行研究。

4 新材料、新结构和新工艺

沪通、天兴洲、铜陵、安庆等长江大桥通过利用新型的三片主桁的空间桁架构造减少主桁杆件的尺寸和内力，从而达到方便吊装、运输和生产的目的。沪通铁路长江大桥主梁运营状态下最大轴力达7.5万t，主梁需要较大的截面承受轴压力，因此采用了新型箱桁组合结构，在打破传统桥梁跨度受制于钢梁杆件设计、生产困难的束缚后，使加劲梁横断面受力面有效增加，将和高强钢丝索和Q500 qE高性能钢应用于沪通铁路长江大桥上，实现了高载荷、大跨度铁路桥梁的技术要求。

南京大胜关长江大桥率先使用了正交异性板整体钢桥面技术，引起了许多大跨度斜拉桥的争相采用。通过科研机构成功研发出了伸缩量在800～1 200 mm之间的梁端伸缩装置和桥梁轨道温度调节器、2 000 kN的流体阻尼器、2 000 t的大位移支座和400 kN的磁流变液阻尼器等，并成功投产使用。郑州黄河公铁两用大桥、武汉天兴洲长江大桥、铜陵长江大桥分别采用了钢桁梁顶推法、钢梁整节段架设、钢梁桁片整体安装等新工艺。

沪通铁路长江大桥主塔采用造价省整体性优的沉井基础，主塔沉井基础采用钢-混凝土组合结构，平面尺寸为86.9 m×58.7 m，高115 m，是世界上规模最大的深水沉井基础。主桥沉井首次采用巨型钢沉井整体制造、出坞、浮运技术;首次采用“大直径钢管桩+混凝土重力锚”的新型锚泊定位系统及液压千斤顶多向同步快速定位技术;并通过海床式静力触探（CPT）系统探测仪，探测超100 m水深下地基土性质，准确地反映出基底浮土厚度及原状土性质。通过基底处声呐成像对比，结合现场实测高程数据，直观反映出基底地形。

越来越多的新技术、新材料、新工艺、新设备、新结构的相继应用，使我国建设公铁两用斜拉桥的水平得到很大提升，有效推动了斜拉桥的技术革新。

5 结语

由于桥位资源有限，跨越大江大河的桥梁除跨度大以外，往往同时搭载多线铁路或公路，使得结构恒载、活载重量均很大，例如南京大胜关长江大桥为四线铁路加两线轻轨;武汉天兴洲长江大桥、铜陵公铁两用长江大桥均为四线铁路荷载加六车道公路荷载，是目前世界上设计荷载最大的桥梁之一。

斜拉桥与悬索桥相比可有效降低桥梁工程造价。但随着跨度的增加，斜拉桥的桥面重量会随之增加，增加材料成本，也会减少斜拉桥的跨越能力，所以，通过有效手段减轻梁重成为首要目标。为此，主桁与正交异性钢桥面板结合共同承载技术可完美解决以上问题，将此技术应用到铁路、公路桥面，使桥面重量大大减少，使受力更加合理有效，提高了大型主桁杆件的选材、生产、装配的效率。

随着大数据、智能化、装配化、云计算、BIM技术等技术的发展，将其引入大跨度公铁斜拉桥的设计、施工、监测、养护和维修过程中，有助于推动斜拉桥的建设向自动化和智能化迈进，实现精细化建造和维护，提高公铁两用斜拉桥整体水平。

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