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中國(guó)橋梁是一張金名片，在我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)中起了至關(guān)重要的作用。作為一名橋梁人，非常希望中國(guó)橋梁能夠走向世界。多塔斜拉橋在中國(guó)有非常多的實(shí)踐，是一項(xiàng)非常有魅力的技術(shù)方案，如果荷載標(biāo)準(zhǔn)能夠更精準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)性能夠進(jìn)一步提高，無(wú)疑將增加這一橋型的競(jìng)爭(zhēng)性，在這一方面，國(guó)內(nèi)外都有研究，說(shuō)橋前期介紹國(guó)外在這方面的研究，本期將介紹國(guó)內(nèi)研究。寧波舟山港主通道主通航孔橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)李磊 呂福鋼 魏益峰 黃震偉一、項(xiàng)目概況寧波舟山港主通道（魚山石化疏港公路）公路工程（以下簡(jiǎn)稱：主通道）位于浙江省舟山市，項(xiàng)目連接了富翅島、舟山本島以及舟山的第二大島岱山島，項(xiàng)目通過(guò)魚山支線與魚山綠色石化基地連接。主線按雙向四車道高速公路設(shè)計(jì)，其中岑港至雙合段設(shè)計(jì)速度100km/h。項(xiàng)目路線總長(zhǎng)36.78km，其中主線長(zhǎng)27.962km，魚山支線長(zhǎng)8.815km，海上路線總長(zhǎng)25.52km。項(xiàng)目總投資163.2442億元。全線共設(shè)置橋梁31.843km/15座，占路線總長(zhǎng)的86.6%，全線設(shè)置互通五處，其中長(zhǎng)白互通為海上互通。主通道項(xiàng)目全線包含五座通航孔橋，其中主通航孔橋設(shè)計(jì)通航5萬(wàn)噸級(jí)散貨船、10萬(wàn)噸級(jí)油船，通航凈空為2孔475×55.4m，最高通航水位為3.14m（1985國(guó)家高程系統(tǒng)）。為滿足通航要求，主通航孔橋采用了主跨2×550m三塔鋼箱梁斜拉橋。二、建設(shè)條件概述項(xiàng)目海域路線位于杭州灣口門外的灰鱉洋，建設(shè)條件如下：（1）橋址區(qū)每年7～9月份多臺(tái)風(fēng)侵襲，平均每年2.2個(gè)。冬季橋區(qū)受季風(fēng)侵襲，最大風(fēng)速達(dá)10級(jí)以上。本項(xiàng)目的百年一遇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速達(dá)42.3m/s；（2）橋址區(qū)海域大部分水深在10m以上，最大水深30m，最大波高5.3m，最大流速達(dá)2.54m/s；（3）橋區(qū)地質(zhì)條件較差。海域淤泥厚度為2.3～39m，含水量高，土體力學(xué)性能差，基巖埋深在8.3～108.70m，地質(zhì)起伏較大；（4）大橋位于Ⅶ度區(qū)，抗震設(shè)防等級(jí)較高。根據(jù)工程地震評(píng)價(jià)，大橋50年超越概率10%的設(shè)計(jì)峰值加速度0.092g，50年超越概率2%的設(shè)計(jì)峰值加速度為0.153g；（5）主通航孔橋通航5萬(wàn)噸級(jí)散貨船、10萬(wàn)噸級(jí)油船，且附近布置有五虎山、高亭1號(hào)、大魚山等多個(gè)大型錨地，來(lái)往船舶眾多，船撞風(fēng)險(xiǎn)大。（6）本項(xiàng)目橋址區(qū)海域擁有多條重要管線，其中包括海底光纜和大陸一期引水管線，以及規(guī)劃大陸二期引水管線。受管線影響，部分海域船舶拋錨受限，為保障施工安全，須采用海上精密物探，查明管線精確位置，確保施工安全。（7）本項(xiàng)目建設(shè)總工期45個(gè)月，受臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)和潮流影響，橋址區(qū)年有效施工工期不足9個(gè)月，項(xiàng)目總計(jì)有效工期僅30個(gè)月左右。而主通道主線海上橋長(zhǎng)16.7km以上，同時(shí)包含一座海上互通，海域作業(yè)工作量巨大。這對(duì)海域橋梁的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。（8）本項(xiàng)目海域?yàn)橹凵轿鞑恐骱降?，擁?萬(wàn)噸級(jí)（遠(yuǎn)期提升至10萬(wàn)噸級(jí)）、1萬(wàn)噸級(jí)和2000噸級(jí)航道，并且附近有多處錨地，服務(wù)于寧波舟山港的馬岙港區(qū)、岱山港區(qū)等核心港區(qū)。橋區(qū)通航船舶眾多，在施工作業(yè)全面展開后，橋址區(qū)的施工作業(yè)船在120艘以上，對(duì)大橋的建設(shè)管理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。三、主通航孔橋工程特點(diǎn)及前期方案研究結(jié)合建設(shè)條件，主通航孔橋工程主要有以下特點(diǎn)：（1）通航、防撞級(jí)別高：根據(jù)浙江省交通運(yùn)輸廳《關(guān)于寧波舟山港主通道（魚山石化疏港公路）航道條件與通航安全影響評(píng)價(jià)報(bào)告的意見》，主通航孔橋通航代表船型為5萬(wàn)噸級(jí)油輪、4萬(wàn)噸級(jí)雜貨船和3萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船，索塔、輔助墩按10萬(wàn)噸級(jí)船舶撞擊力設(shè)防。（2）橋位處為典型的海洋性環(huán)境，結(jié)構(gòu)耐久性要求高。（3）橋位處潮差較大，最大潮差可達(dá)4.17m。（4）主通航孔橋橋位處水深17~27m，船舶運(yùn)輸和作業(yè)條件良好。（5）大橋工程區(qū)域位于沿海區(qū)域，地勢(shì)開闊，為臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，橋址區(qū)10m高度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期風(fēng)速42.3m/s，施工和運(yùn)營(yíng)階段的抗風(fēng)安全至關(guān)重要。（6）地質(zhì)條件方面，上部軟土發(fā)育，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土平均厚度超過(guò)20m，下部基巖埋深較深（-116~-130m），為侏羅系晶屑凝灰?guī)r，中下部土層主要為可塑、硬塑粉質(zhì)黏土及含粘性土圓礫（頂面標(biāo)高-110m左右）。（7）岱山島上建有機(jī)場(chǎng)，對(duì)工程海域有航空限高要求（+205m）。主通航孔跨徑布置主要考慮以下因素：1)滿足主航道兩孔單向475m（凈寬）×55.4m（凈高）的通航凈空尺度的技術(shù)要求；或滿足主航道單孔雙向775m（凈寬）×55.4m（凈高）的通航凈空尺度的技術(shù)要求；2)考慮主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸，適當(dāng)給通航留出富余，降低船撞風(fēng)險(xiǎn)；3)考慮水流影響，給通航留有一定的航向調(diào)整富余；4)滿足航空限高要求（+205m）?；谏鲜鲆蛩?，在初設(shè)期間對(duì)主通航孔橋進(jìn)行了總體方案研究和比選：懸索橋方案：主通航孔若采用單孔雙向通航，主跨跨徑將達(dá)到880m左右。880m跨徑的雙塔斜拉橋設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)總體成熟但造價(jià)上無(wú)優(yōu)勢(shì)，并且初步估算其塔頂標(biāo)高將達(dá)到+280m，不能滿足航空限高要求。因此，雙塔斜拉橋方案對(duì)主通航孔橋不適用，只能采用雙塔地錨式懸索橋。雙塔懸索橋方案主跨880m，采用單跨吊鋼箱梁懸索橋，矢跨比 1：9，邊中跨比為0.318。索塔采用門式混凝土塔，索塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。錨碇采用沉井基礎(chǔ)重力式錨。橋型布置如下圖所示。根據(jù)水深及地質(zhì)條件，錨碇基礎(chǔ)采用沉井基礎(chǔ)。因?yàn)閳A礫層埋深太大（頂面標(biāo)高-110m），只能選擇可塑黏土做為基底持力層。經(jīng)計(jì)算分析沉井平面尺寸為68.8×65m，舟山側(cè)沉井高度為107.8m，其中鋼殼部分高度48m，沉井需要下沉入泥深度約60m；岱山側(cè)沉井高度為93m，其中鋼殼部分高度30.5m，沉井需要下沉入泥深度約60m。雙塔懸索橋方案的主要缺點(diǎn)為：（1）沉井平面尺寸巨大，需要下沉深度深，基底持力層性狀差。沉井下沉過(guò)程中需要穿過(guò)的土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及可塑粉質(zhì)黏土，吸泥下沉困難，下沉施工過(guò)程中精度不易控制，施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)很大。（2）考慮施工準(zhǔn)備期，至主跨鋼箱梁合攏，工期為49個(gè)月，顯然無(wú)法滿足本項(xiàng)目的工期要求。（3）經(jīng)初步測(cè)算，雙塔懸索橋方案比三塔斜拉橋方案建安費(fèi)高6.13億元。綜合以上，雙塔懸索橋方案施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工工期長(zhǎng)，工程造價(jià)高。因此不選擇雙塔懸索橋方案做為主通航孔橋初步設(shè)計(jì)階段的備選方案。三塔斜拉橋方案：主通航孔若采用雙孔單向通航，主通航孔跨徑在550m左右，可選擇的主要有斜拉橋、拱橋、懸索橋方案。（1）拱橋：考慮拱肋對(duì)通航凈空的侵占，拱橋方案需加大到600m左右；主跨600m 對(duì)拱橋來(lái)說(shuō)規(guī)模偏大，只能采用中承式拱橋，對(duì)建設(shè)條件適應(yīng)性差，施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)大，鋼材用量較多，經(jīng)濟(jì)性較差，運(yùn)營(yíng)期間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，拱腳易受船撞，因此，不考慮采用拱橋方案。（2）懸索橋：如采用三塔地錨式懸索橋，存在與雙塔懸索橋相同的缺點(diǎn)，不考慮采用；如采用自錨式懸索橋，不僅施工難度大、工程造價(jià)高、工期長(zhǎng)，而且大臨設(shè)施投入大，施工期間需要長(zhǎng)期封航，不能滿足通航要求，因此不考慮采用。（3）斜拉橋：采用三塔斜拉橋方案對(duì)建設(shè)條件適應(yīng)性好，設(shè)計(jì)、建造技術(shù)成熟，工期可控，塔高能夠滿足航空限高要求。綜上所述：三塔斜拉橋方案為主通航孔橋唯一合理、可行的橋型方案。四、主通航孔橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題主通航孔橋采用了（78+187+2×550+187+78）=1630m三塔斜拉橋方案，邊中跨比0.48。由于索納塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系和橋位環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)面臨著如下關(guān)鍵問(wèn)題：（1）結(jié)構(gòu)整體剛度由于三塔斜拉橋中塔缺少錨跨支撐，而其加載影響線收到相鄰橋跨的影響，因此其中跨剛度明顯降低，活載作用下主梁的豎向位移和中塔的水平位移明顯加大。如何提升結(jié)構(gòu)整體剛度，是關(guān)系到中塔受力、行車舒適性、以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的關(guān)鍵問(wèn)題。（2）施工期中塔最大雙懸臂抗風(fēng)性能根據(jù)抗風(fēng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)懸索橋處于最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)，懸臂長(zhǎng)度大于200m時(shí)，主梁的顫振和抖振性能顯著下降。本橋中塔最大雙懸臂長(zhǎng)度達(dá)到了250m以上，因此中塔最大雙懸臂的施工期抗臺(tái)是項(xiàng)目順利實(shí)施的關(guān)鍵問(wèn)題。（3）結(jié)構(gòu)防船撞設(shè)計(jì)主通航孔通航船舶噸位大，遠(yuǎn)期可通航10萬(wàn)噸級(jí)油輪。特別是在魚山石化投產(chǎn)后，船舶通行密度增大。為保證橋梁安全，必須對(duì)橋梁的船撞設(shè)防力進(jìn)行研究，并相應(yīng)的設(shè)置可靠的防船撞措施。（4）結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)大橋位于舟山外海，為典型的海洋環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性要求高。此外，主梁長(zhǎng)度超過(guò)1.6km，需要采用可靠的措施保證主梁內(nèi)部可達(dá)、可檢、可修，做到檢查和維護(hù)的“人性化”設(shè)計(jì)。五、提升結(jié)構(gòu)整體剛度關(guān)鍵技術(shù)為了提高結(jié)構(gòu)剛度，筆者收集了國(guó)內(nèi)外部分在建和已建的三塔/多塔斜拉橋采取的措施，詳見下表：序號(hào)橋名建成年主跨(m)主梁型式采取主要措施1武漢二七長(zhǎng)江大橋2014616+616組合梁提高索塔自身剛度2香港汀九大橋1998448+475組合梁索塔間張拉輔助索3浙江嘉紹大橋2013400鋼箱梁設(shè)置縱向雙排支座，提高索塔自身剛度；跨中采用剛性鉸4希臘Rion-Antirion橋20043×560組合梁索塔縱向打開以提高剛度，即剛塔漂浮體系5蘇格蘭福斯新橋20182×650組合梁柔性中塔+跨中交叉索6湖北夷陵長(zhǎng)江大橋20012×348混凝土梁提高索塔自身剛度，提高主梁剛度（采用混凝土梁）7湖南赤石大橋20163x380混凝土梁提高索塔剛度及主梁剛度（采用混凝土梁）8南京長(zhǎng)江五橋在建2×600輕型組合梁（UHPC橋面板）采用縱向鉆石型鋼-砼組合斷面索塔；剛性塔+邊塔支座方案9委內(nèi)瑞拉拉馬拉開波湖大橋19625×235混合梁（跨中鋼掛孔）采用混合梁，跨中鋼箱梁，索塔設(shè)置V型斜撐5.1多塔斜拉橋提升結(jié)構(gòu)整體剛度的措施：以下對(duì)大于三塔的多塔斜拉橋體系進(jìn)行分析。從表格中可以看到，目前世界上現(xiàn)有的多塔斜拉橋提升結(jié)構(gòu)整體剛度的主要措施為“抗”的思路，通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)提升其整體剛度。具體措施可歸類如下：（1）增大中塔剛度：增大中塔剛度，提升其對(duì)主梁的豎向約束。增大中塔剛度是最直接的提升結(jié)構(gòu)剛度的方式，但其效率不高（詳見下文），且索塔剛度提升過(guò)大會(huì)帶來(lái)整體溫度效應(yīng)顯著提升等不利后果。增大中塔剛度的措施有：直接加大索塔尺寸、采用縱向A型塔、采用組合結(jié)構(gòu)索塔。（2）加強(qiáng)主梁中塔約束：約束主梁在中塔處的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移，從而減少相鄰孔加載對(duì)于橋跨豎向撓度的影響。在浙江嘉紹大橋、希臘里翁橋等多塔斜拉橋中，均采用了此措施。本方案效率高，可以說(shuō)是立竿見影，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度有著極大的影響。（3）增加主梁剛度：可以通過(guò)采用混凝土梁、組合梁或者加大梁高的方式提升主梁的剛度。主梁剛度增加后，活載豎向位移隨之減少，主梁應(yīng)力降低。由于斜拉橋體系的整體結(jié)構(gòu)剛度在更大程度上取決于索-塔-梁形成的超靜定體系，主梁剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)整體剛度影響較為有限（詳見下文），在跨徑不大時(shí)效果較為顯著。混凝土梁的適宜跨徑在300m及以下，組合梁的采用增大了基礎(chǔ)的規(guī)模，對(duì)于地質(zhì)條件一般的區(qū)域不具備經(jīng)濟(jì)性。若采用鋼箱梁，主梁高度的增加同時(shí)引起的材料的增加和造價(jià)的提升，因此主梁的高度須結(jié)合全橋的經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行設(shè)置。（4）附加支撐體系在斜拉橋發(fā)展的早期，極富創(chuàng)新精神的橋梁結(jié)構(gòu)大師莫蘭迪，在委內(nèi)瑞拉馬拉開波湖大橋和意大利的波爾切維拉高架橋發(fā)展了一套復(fù)雜的斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。莫蘭迪采用了A型塔以提升索塔剛度，在索塔處設(shè)置了V型支撐，以減少主梁的跨徑（V型支撐也可以看做放大版的索塔支座體系，本質(zhì)上也可看做是中塔處約束體系的增強(qiáng)）。主梁采用混凝土梁加大結(jié)構(gòu)剛度，中央設(shè)置鋼掛孔減少結(jié)構(gòu)荷載，從而增大結(jié)構(gòu)跨徑。莫蘭迪從結(jié)構(gòu)受力出發(fā)，大膽采用了各種提升結(jié)構(gòu)剛度的措施。但是受制于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)和橋梁技術(shù)的發(fā)展水平，莫蘭迪體系本質(zhì)上是個(gè)懸臂梁體系，靜定的結(jié)構(gòu)體系雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但是對(duì)于損傷的容忍度差。意大利波爾切維拉高架橋因?yàn)槟昃檬?，即造成了惡劣的后果。但是莫蘭迪體系的創(chuàng)造力在世界橋梁史上熠熠生輝。5.2三塔斜拉橋提升結(jié)構(gòu)整體剛度措施的定性分析通過(guò)上述分析可以看到，多塔斜拉橋由于中塔無(wú)所依靠，只能通過(guò)增強(qiáng)自身，采用“抗”的方式來(lái)滿足結(jié)構(gòu)的整體剛度需求。但三塔斜拉橋與多塔斜拉橋體系存在根本的不同，三塔斜拉橋的邊塔存在錨跨，可以充分利用輔助墩、過(guò)渡墩的錨固作用，因此邊塔-主梁-拉索體系的剛度有著充分的保證，因此在三塔斜拉橋的設(shè)計(jì)中，可以充分利用邊塔-主梁-拉索體系的剛度優(yōu)勢(shì)，從而提升結(jié)構(gòu)的整體剛度。因此三塔斜拉橋的設(shè)計(jì)可以更加的豐富多彩，除了增大中塔/邊塔剛度、加強(qiáng)主梁中塔約束、增大主梁剛度等措施外，通過(guò)“揚(yáng)己之長(zhǎng)，避己之短”的策略，可以得到如下多種結(jié)構(gòu)措施：（1）優(yōu)化邊中塔拉索數(shù)量分配：通過(guò)中塔“小傘”、邊塔“大傘”的設(shè)計(jì)方式，充分利用邊塔錨跨的錨固效果，弱化中塔對(duì)荷載的承擔(dān)，強(qiáng)化邊塔-主梁-拉索結(jié)構(gòu)體系的受力。榮獲2019年IABSE杰出結(jié)構(gòu)獎(jiǎng)的英國(guó)Mersey Gateway Bridge充分利用了此項(xiàng)技術(shù)。（注：Mersey Gateway Bridge采用了小中塔，與汀九橋的思路完全不同，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)整體剛度孰優(yōu)孰劣，下文即將揭曉。）（2）設(shè)置跨中交叉索：通過(guò)設(shè)置跨中交叉索，使得中塔-主梁-拉索體系與邊塔-主梁-拉索體系交織，在中塔承受荷載時(shí)，增大了邊塔-主梁-拉索體系的參與度，從而有效提升中塔-主梁-拉索體系的剛度。在福斯海灣新橋中，采用了此項(xiàng)技術(shù)。（3）設(shè)置穩(wěn)定索：在中塔設(shè)置穩(wěn)定索，錨固于邊塔頂/底上，將中塔的變形與邊塔變形綁定。汀九橋即采用了此方案。（注：汀九橋采用了中央大傘，邊塔小傘的方案。）（4）調(diào)整索塔高度：大量的三塔斜拉橋從美學(xué)和施工角度出發(fā)，往往采用相同的塔高，但是Mersey Gateway Bridge橋和汀九橋采用了不同的思路。定性分析，索塔高度的提高相當(dāng)于增大了索塔-主梁-拉索體系的跨徑，減小了拉索角度，提升了斜拉索的豎向支撐剛度。但是需要注意，不能忽略索塔線剛度的降低造成的影響。（5）優(yōu)化邊中跨比：調(diào)整邊中跨比，找到錨跨的最優(yōu)跨度。本方案本質(zhì)上是對(duì)邊塔-主梁-拉索體系剛度的優(yōu)化。從而帶來(lái)對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化。（6）輔助墩的設(shè)置優(yōu)化：同上。（7）增大斜拉索截面積：本措施與提升主梁剛度類似，通過(guò)增大斜拉索型號(hào)，減少拉索的變形，從而增加結(jié)構(gòu)整體剛度。5.3三塔斜拉橋提升結(jié)構(gòu)整體剛度措施的定量分析在梳理好上述十八般兵器后，我們通過(guò)實(shí)際建模，對(duì)上述措施進(jìn)行了定量分析，分析結(jié)果詳見下表：序號(hào)措施主梁最大活載撓度變化率（撓度減少為正）對(duì)應(yīng)的其他影響對(duì)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響設(shè)計(jì)措施1中塔剛度1.5%(中塔剛度每提高10%)中塔活載應(yīng)力下降7%結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性影響較小中塔底部截面：9.5×13.5（橫×縱）2邊塔剛度1.5%(邊塔剛度每提高10%)邊中塔的活載應(yīng)力差異不大提升主梁一階反對(duì)稱豎彎（約10%），其他模態(tài)基本不變邊塔底部截面：9.5×11.5（橫×縱）3中塔處主梁縱向平動(dòng)位移20%-約束縱向平動(dòng)位移中塔內(nèi)力增加26%中塔和邊塔溫度應(yīng)力顯著增大拉索應(yīng)力幅降低25%結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性改善明顯，豎彎頻率提升約45%中塔設(shè)置固定支座4中塔處主梁轉(zhuǎn)動(dòng)7%-設(shè)置縱向雙排支座活載索塔角點(diǎn)應(yīng)力增大20%以上僅約束轉(zhuǎn)動(dòng)（設(shè)置雙排支座）對(duì)豎彎頻率影響有限，塔梁固結(jié)后豎彎頻率提升約45%考慮到限制轉(zhuǎn)動(dòng)效率低，且對(duì)索塔受力影響大，因此不約束主梁轉(zhuǎn)動(dòng)5增大鋼箱梁高度4%-主梁高度增加0.5m主梁應(yīng)力降低結(jié)構(gòu)豎彎頻率略有增加主梁高度3.5m，高跨比：1/1576主梁采用組合梁30%-組合梁主梁拉索應(yīng)力幅降低樁基反力加大結(jié)構(gòu)豎彎頻率降低約18%采用組合梁增加了主梁剛度和拉索的重力剛度6邊中塔拉索比6%-每根拉索調(diào)整邊中塔內(nèi)力分配變化不超2%拉索應(yīng)力幅變化小于1%結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性變化不大邊中塔索：17：157跨中交叉索13%-每設(shè)置一對(duì)交叉索邊中塔最大活載應(yīng)力降低結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)頻率降低，縱飄頻率增大由于構(gòu)造、施工復(fù)雜性，本橋不設(shè)置交叉索8穩(wěn)定索5.5%-設(shè)置穩(wěn)定索后中塔應(yīng)力降低25%，邊塔應(yīng)力提升5%動(dòng)力特性變化不大，一階反對(duì)稱橫彎模態(tài)頻率提升5%由于構(gòu)造復(fù)雜與景觀不佳，未采用9索塔高度5%-邊中塔同時(shí)提高10m-0.43%-中塔提高10m1.75%-中塔提高20m6.5%-邊塔提高10m當(dāng)同時(shí)提高邊中塔時(shí)，活載下邊塔水平位移增加2%，中塔增加4%拉索應(yīng)力幅小幅下降風(fēng)致效應(yīng)增加顯著，結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性變差只提高邊塔效率更高，只提升中塔可能會(huì)有副作用塔頂標(biāo)高均為+188，主梁以上塔高/跨徑：1：4.2310邊中跨比0.73%-邊中跨比從0.509變?yōu)?.416縱風(fēng)位移降低7.9%，橫風(fēng)位移基本不變邊塔活載位移下降2.5%結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力性能提升0.48211輔助墩設(shè)置15.8%-設(shè)置一個(gè)輔助墩輔助墩個(gè)數(shù)和位置影響有限改善邊跨受力整體動(dòng)力特性影響有限設(shè)置一個(gè)輔助墩12增大拉索面積26%-全部拉索面積增加一倍5%-外側(cè)三對(duì)拉索面積增加一倍拉索應(yīng)力幅降低結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性影響有限增加斜拉索面積造價(jià)增加較多從上述定量分析中可以看到：首先，中塔約束主梁平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移、設(shè)置輔助墩、設(shè)置跨中交叉索都會(huì)起到立竿見影的效果，但是跨中交叉索設(shè)置構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，限制主梁轉(zhuǎn)動(dòng)位移需要設(shè)置大間距的縱向支撐；其次，邊中塔拉索數(shù)量的調(diào)整擁有非常良好的效果，且簡(jiǎn)便易行；再者，設(shè)置穩(wěn)定索和提升邊塔高度/同時(shí)提升邊中塔高度都擁有良好的剛度提升效果，但是穩(wěn)定索的設(shè)置繁瑣，對(duì)景觀效果影響較大。僅提升中塔可能會(huì)有副作用；還有，增加主梁剛度和斜拉索面積效果較為顯著，增大索塔剛度有一定的效果，但是效果并不十分顯著；最后，改變邊中跨比雖然對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度影響不大，但是可以提升結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性。對(duì)于組合梁方案，實(shí)際是綜合利用了提升主梁剛度和增加斜拉索面積，結(jié)構(gòu)整體剛度提升顯著，但是基礎(chǔ)規(guī)模也相應(yīng)的增大。采用中央索面的福斯海灣新橋采用了組合梁方案。針對(duì)主通航孔橋，筆者針對(duì)組合梁和鋼箱梁方案進(jìn)行了同等深度的比較，比較結(jié)論如下：橋型方案方案一  三塔鋼箱梁斜拉橋方案二  三塔組合梁斜拉橋橋跨布置78+187+550+550+187+78=1630m78+187+550+550+187+78=1630m結(jié)構(gòu)體系半漂浮體系半漂浮體系主梁型式受力特點(diǎn)結(jié)構(gòu)整體剛度、受力滿足規(guī)范要求結(jié)構(gòu)整體剛度、受力滿足規(guī)范要求施工組織現(xiàn)場(chǎng)施工工序及施工工作量少，施工質(zhì)量及施工工期容易保證現(xiàn)場(chǎng)施工工序及施工工作相對(duì)較多，施工質(zhì)量及施工工期控制難度相對(duì)較大施工工期及施工風(fēng)險(xiǎn)主梁架設(shè)施工工期約6個(gè)月，容易規(guī)避臺(tái)風(fēng)多發(fā)期，施工風(fēng)險(xiǎn)小主梁架設(shè)施工工期約11個(gè)月，難以規(guī)避臺(tái)風(fēng)多發(fā)期，施工風(fēng)險(xiǎn)大結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)場(chǎng)施工工序少，施工質(zhì)量容易保證，結(jié)構(gòu)耐久性容易保證現(xiàn)場(chǎng)施工工序相對(duì)較多，鋼混結(jié)合部位及主梁現(xiàn)澆接縫耐久性不易保證后期維護(hù)主梁、鋼錨梁及抽濕設(shè)備需單獨(dú)維護(hù)，鋼梁外表面涂裝需定期維護(hù)主梁、鋼錨梁及抽濕設(shè)備需單獨(dú)維護(hù)，鋼梁外表面涂裝需定期維護(hù)施工工期33個(gè)月38個(gè)月主橋建安費(fèi)16.2364億15.7043億每平米建安費(fèi)34348元/平米33225元/平米比較結(jié)論推薦不推薦組合梁方案雖然結(jié)構(gòu)剛度更佳，但是組合梁施工工序復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，整體工期長(zhǎng)，且經(jīng)濟(jì)性與鋼箱梁方案相差不大。考慮到本項(xiàng)目橋址區(qū)作業(yè)條件限制，從保證結(jié)構(gòu)受力，確保施工安全角度出發(fā)，采用剛度雖然相對(duì)較小，但仍滿足要求的鋼箱梁方案。5.4主通航孔橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)相關(guān)措施的受力性能和經(jīng)濟(jì)性定量分析和比較，根據(jù)“揚(yáng)長(zhǎng)避短，均衡受力”的設(shè)計(jì)理念，主通航孔橋采用了如下措施：主梁采用鋼箱梁，高度采用3.5m，高跨比為1/157；在中塔設(shè)置固定支座；中塔高度與邊塔高度相同，主梁以上塔高/跨徑=1/4.23；中塔剛度較邊塔剛度略有提升，中塔底部截面為9.5×13.5（橫×縱），邊塔底部截面為9.5×11.5（橫×縱）；采用邊中塔“大小傘”體系，邊中塔拉索數(shù)量比為17：15；結(jié)構(gòu)邊中跨比為0.482，設(shè)置一個(gè)輔助墩。為保證大橋在地震作用下的受力性能（主要是中塔的受力），本橋通過(guò)反應(yīng)譜和時(shí)程分析，采用了以下約束方式：中塔固定支座的縱向水平承載力為13000KN，在E2地震下，中塔處固定支座縱向水平力達(dá)到15000KN時(shí)剪斷，疊層橡膠支座開始發(fā)揮作用，使得主梁與中塔間成為彈性約束，從而保證了結(jié)構(gòu)安全。六、施工期中塔最大雙懸臂抗風(fēng)性能針對(duì)本橋最大雙懸臂工況，采用全橋氣彈模型對(duì)中塔最大雙懸臂狀態(tài)的顫振和抖振性能進(jìn)行了研究和分析。全橋氣彈模型分別在同濟(jì)大學(xué)和西南交通大學(xué)展開，其中同濟(jì)大學(xué)在TJ-3邊界層風(fēng)洞開展試驗(yàn)，模型比例為1：120，西南交大在XNJD-3邊界層風(fēng)洞進(jìn)行試驗(yàn)，模型比例為1：100。成橋狀態(tài)氣彈模型中塔最大雙懸臂氣彈模型試驗(yàn)中，采用了尖塔+粗糙元的方式模擬了現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)。紊流場(chǎng)模擬根據(jù)試驗(yàn)，最大雙懸臂狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速大于110m/s，滿足73.4m/s的檢驗(yàn)風(fēng)速要求。工況編號(hào)結(jié)構(gòu)狀態(tài)流場(chǎng)類型風(fēng)偏角β風(fēng)攻角α顫振風(fēng)速(m/s)實(shí)橋檢驗(yàn)風(fēng)速(m/s)模型實(shí)橋SS-1最大雙懸臂狀態(tài)均勻流0°+3°>10>11073.4SS-20°0°>10>110SS-30°-3°>10>110考慮1/100風(fēng)速，在最大雙懸臂狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)位移達(dá)到了2m以上（紊流場(chǎng)中），具體結(jié)果如下：結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)攻角懸臂中點(diǎn)位移懸臂端位移中塔塔頂位移豎向側(cè)向扭轉(zhuǎn)豎向側(cè)向扭轉(zhuǎn)順向橫向扭轉(zhuǎn)成橋狀態(tài)+3°106.8025.860.43205.8560.040.6889.6920.150.210°102.4430.960.27204.3065.560.5896.4824.051.80-3°14.6511.590.0936.3719.310.0825.6718.480.16為控制雙懸臂狀態(tài)下的抖振效應(yīng)，可采用以下措施：（1）  避開臺(tái)風(fēng)期進(jìn)行施工，同時(shí)加強(qiáng)中塔與主梁間的臨時(shí)約束；（2）  在懸臂200m處設(shè)置輔助墩；（3）  設(shè)置TMD。措施(2)造價(jià)高昂，且對(duì)來(lái)往船舶會(huì)造成極大影響，因此不做考慮；經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，TMD的質(zhì)量塊重量需要達(dá)到梁段重量的10%以上方可有有效效果。從結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，在實(shí)際施工中，以方案一為主，方案三作為預(yù)備措施。七、結(jié)構(gòu)防船撞設(shè)計(jì)主通航孔橋的防船撞設(shè)計(jì)的通航代表船型為10萬(wàn)噸級(jí)油輪，總長(zhǎng)246m，型寬43m，滿載吃水14.8m。根據(jù)AASHTO規(guī)范，并采用動(dòng)力分析軟件MSC.Dytran對(duì)船撞力進(jìn)行了分析，其中有限元碰撞時(shí)程分析結(jié)果如下圖所示：根據(jù)AASHTO推薦的船撞概率模型（即IABSE模型），在要求的倒塌概率的條件下，主通航孔橋的設(shè)計(jì)船撞力如下表：方案橋墩設(shè)計(jì)防撞力（MN）撞擊范圍主通航孔橋主墩（ZT3、ZT4、ZT5）136.3-16.8～+22.23m輔助墩（ZT2、ZT6）62.3-16.8～+22.23m過(guò)渡墩（ZT1、ZT7）46.5-16.8～+22.23m為保證結(jié)構(gòu)安全，大橋采用了簡(jiǎn)單可靠的固定式釋能附體防撞措施，采用防撞措施后，防撞力為：方案橋墩設(shè)計(jì)防撞力（MN）主通航孔橋主墩（ZT3、ZT4、ZT5）93.8輔助墩（ZT2、ZT6）42.5過(guò)渡墩（ZT1、ZT7）24.8索塔的固定式釋能附體在國(guó)內(nèi)首次采用了雙層鋼套箱結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)層鋼套箱可兼做施工套箱使用。內(nèi)層套箱外層套箱下列照片展示了內(nèi)層鋼套箱的施工場(chǎng)景：八、結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)耐久性要求高，為保證結(jié)構(gòu)耐久性，在使用海工砼、增大鋼筋保護(hù)層厚度、對(duì)混凝土材料提出專項(xiàng)要求、配備主梁除濕機(jī)、設(shè)置索塔檢修通道等之外，還采用了以下特色措施：（1）環(huán)氧鋼筋的使用承臺(tái)和索塔浪濺區(qū)采用性能環(huán)氧涂層鋼筋，提升鋼筋耐久性。環(huán)氧鋼筋的連接采用環(huán)氧鋼筋專用套筒。（2）耐候鋼的使用為減少甚至免除運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)工作，鋼錨梁、鋼牛腿及鋼錨梁斜拉索套筒用無(wú)縫鋼管等設(shè)計(jì)采用耐候鋼。鋼錨梁及鋼牛腿不進(jìn)行涂裝。要求經(jīng)銹蝕穩(wěn)定化輔助處理的耐候鋼，在100年使用期內(nèi)，鋼板表面總腐蝕厚度不超過(guò)2mm。（3）主梁檢查車的設(shè)置除常規(guī)的梁外檢查車外，在主梁內(nèi)部設(shè)置了梁內(nèi)檢查車，并在主梁端部設(shè)置了由橋面至箱梁內(nèi)部的檢修平臺(tái)，以便于主梁內(nèi)部的運(yùn)營(yíng)檢查和維護(hù)。上述措施大大提升了主梁內(nèi)部的檢查條件，真正的做到了可達(dá)、可檢、可修。梁端部檢修平臺(tái)梁內(nèi)檢查車九、總結(jié)寧波舟山港主通道主通航孔橋由浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司和中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合體設(shè)計(jì)，浙江舟山北向大通道有限公司投資建設(shè)，中交路建施工。本項(xiàng)目于2017年9月30日開工建設(shè)，2020年6月29日主通航孔橋勝利合龍。本項(xiàng)目將于2021年全線通車。