關(guān)鍵詞：斜張橋 懸索橋 鋼管砼 復(fù)合鋼管砼
一、主航道橋方案
我國海南島瓊州海峽的海水深度較大，單純采用橋梁和隧道形式的困難都很大。采用設(shè)主、付通航孔的<<便航式跨海浮橋>>方案，主、付通航孔采用大跨徑橋梁的形式，以解決通航問題，也是很實(shí)用的方案。主通航孔橋梁的設(shè)置位置，在滿足航道要求以后，應(yīng)該盡量靠近岸邊，以便將水中的錨碇設(shè)在較淺的水中，可以減小施工難度。主通航孔橋梁的跨徑擬采用1500米，只適合采用懸索橋方案，邊孔的跨徑擬采用400米。為減小錨碇的體積和施工難度，懸索橋采用斜張橋與懸索橋相結(jié)合的復(fù)合形式，以減小懸索拉力。即在主孔兩邊400米采用與邊孔相平衡的斜張橋，跨中700米為懸索承載的懸索橋。懸索橋在斜張橋段采用空載索段的形式，筆者在西藏達(dá)孜大橋上已采用過，經(jīng)驗(yàn)證明是可行的。由于斜張橋承擔(dān)了800米橋長的重量，懸索橋只承擔(dān)700米橋長的重量，懸索內(nèi)力和錨碇的重量都將成倍的減小。使1500米特大跨徑的施工能實(shí)現(xiàn)，尤其是減小海中錨碇的重量和施工難度。但是內(nèi)力作功的路程長，懸索的材料并不能節(jié)省，斜張橋需要另用材料。
二、構(gòu)造
1、加勁梁
加勁梁采用鋼桁架，桁架梁的高度大，抗彎剛度大，有利于抗活載變形和抗臺風(fēng)穩(wěn)定。斜張橋的斜拉索和懸索橋的吊桿可采用較大的間距，以減少斜拉索和吊桿的數(shù)量，便于適應(yīng)斜張橋與懸索橋相互銜接段變形協(xié)調(diào)的需要。鋼桁架的通風(fēng)效果較好，抗風(fēng)穩(wěn)定性好。現(xiàn)代的栓焊鋼桁架梁形體簡潔美觀，養(yǎng)護(hù)比較方便，使用經(jīng)驗(yàn)成熟。采用管式鋼桁架也很適合，
桿件的園形截面受力穩(wěn)定性好，對風(fēng)有失阻效應(yīng)的穩(wěn)定作用，節(jié)點(diǎn)采用復(fù)合鋼管砼，加工簡便，可外包鋼絲網(wǎng)水泥砂漿實(shí)現(xiàn)長效防護(hù)。鋼絲網(wǎng)水泥砂漿的防裂性能好，水泥船的成功應(yīng)用即先例，是鋼鐵銹蝕防護(hù)的簡便和實(shí)用措施。懸索橋區(qū)段采用空鋼管桁架結(jié)構(gòu)，斜張橋區(qū)段采用鋼管砼和復(fù)合鋼管砼桁架結(jié)構(gòu)，而腹桿和水平風(fēng)構(gòu)采用空鋼管。鋼管桁架的剛度加強(qiáng)方便，可以采用鋼管砼、雙管下弦桿和管內(nèi)加設(shè)預(yù)應(yīng)力筋的方法。
2、橫梁桁架
寬橋的橫梁支承間距大，適合采用高度大的鋼桁架，桁架剛度大，自重較輕，能夠滿足承受重大活載的需要，施工簡便。橫梁桁架的上弦桿和橋面厚度范圍采用復(fù)合鋼管砼，即現(xiàn)澆鋼筋砼作正交異性鋼橋面板的濕接頭，加強(qiáng)橋面板與橫梁上弦桿的結(jié)合和整體性，有利于加強(qiáng)上弦桿的受壓，橫梁上弦桿可避免橋面板的剪力滯后，橋面板整體受力性能好。橫梁桁架變形小，能夠提高正交異性鋼橋面板的剛度，有利于橋面鋼板與瀝青砼的結(jié)合，保證瀝青砼橋面的使用壽命。而下弦桿和腹桿采用空鋼管結(jié)構(gòu)，便于下弦桿內(nèi)布設(shè)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，并采用外包鋼絲網(wǎng)水泥砂漿作長效防護(hù)。
3、橋面板
鋼橋面鋼板厚度采用δ=
4、風(fēng)構(gòu)
橋面板與加勁桁架相結(jié)合，起到上部水平風(fēng)構(gòu)的作用，橫向剛度很大。下部水平風(fēng)構(gòu)采用X形空鋼管結(jié)構(gòu)，可采用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿作長效防護(hù)，施工簡便。
5、節(jié)點(diǎn)：
節(jié)點(diǎn)都按復(fù)合鋼管砼結(jié)構(gòu)處理，即鋼管作相貫焊接，相互間焊加勁肋板加強(qiáng)，按節(jié)點(diǎn)板的大小和形式加強(qiáng)鋼筋配置，再澆灌節(jié)點(diǎn)內(nèi)（鋼管接頭）、外（節(jié)點(diǎn)板）砼。桁架節(jié)點(diǎn)為復(fù)合鋼管砼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)剛度大，韌性很好，同樣能起到鋼節(jié)點(diǎn)板的作用。
6、吊點(diǎn)牛腿：
在加勁桁架外側(cè)設(shè)牛腿作吊點(diǎn)，橫梁桁架上弦桿鋼管在加勁桁架上弦桿鋼管之下，可利用外伸橫梁桁架上弦桿鋼管作牛腿，再在加勁桁架上弦桿鋼管上加焊鋼管加強(qiáng)牛腿，兩鋼管焊加勁肋板和鋼筋加強(qiáng)，鋼管內(nèi)、外形成復(fù)合鋼管砼牛腿。具有足夠大的抗彎、剪剛度，構(gòu)造簡單，聯(lián)結(jié)可靠，施工簡便，對斜張橋和懸索橋的錨聯(lián)都方便。
7、塔架
主航道橋的跨徑很大，又為斜張橋和懸索橋的結(jié)合形式，塔架要受斜張橋彎矩的影響。塔架高達(dá)
預(yù)應(yīng)力，以平衡兩邊斜拉索的水平分力。剛架的復(fù)合鋼管砼水平橫撐僅設(shè)中部，以便斜拉索張拉錨固，兩側(cè)空間留作升、降通道，同樣起到箱形塔柱的作用。塔架的穩(wěn)定和抗彎、扭剛度都大，也能提高面梁的抗彎剛度。斜拉索和懸索索面布置呈外張形式，對橋面橫向穩(wěn)定有利。塔架橫橋方向的立面形式為“門”字形剛架或鋼管桁架，橫向聯(lián)接都設(shè)在塔柱上，空間抗扭剛度較大。塔柱的橫向?qū)挾群蛣偠群艽螅癸L(fēng)穩(wěn)定性好，采用復(fù)合鋼管砼和鋼管砼骨架施工都較方便。斜張橋?qū)λ芫哂衅胶夥€(wěn)定的作用，塔架雖然很高，但是穩(wěn)定性能很好。
8、塔架和錨碇基礎(chǔ)
由于主航道橋的跨徑很大，塔架和錨碇基礎(chǔ)的內(nèi)力巨大。深水中的塔架和錨碇基礎(chǔ)體積很大，適合采用大型的鋼沉箱基礎(chǔ)開挖下沉和堆石灌漿365JT技術(shù)施工，方法安全可靠。陸地上錨碇的施工條件好，采用明挖施工很方便。塔架也可采用樁基礎(chǔ)，只是樁基的數(shù)量較多，可作經(jīng)濟(jì)比較來選擇。基礎(chǔ)的具體365JT設(shè)計(jì)，需要由實(shí)際的地質(zhì)情況而定。
9、主纜防護(hù)
懸索橋的主纜防護(hù)很重要，是保證大橋安全的關(guān)鍵。現(xiàn)在傳統(tǒng)采用的主纜防護(hù)方法還不夠完善，主纜仍然需要經(jīng)常維護(hù)。采用不銹鋼板組合導(dǎo)管復(fù)合防護(hù)，施工方法簡便，價(jià)格比較合理，能夠?qū)崿F(xiàn)長效的防護(hù)。斜拉索和吊桿也可以采用不銹鋼板組合導(dǎo)管復(fù)合防護(hù)，使纜索系統(tǒng)經(jīng)久耐用。
10、樁基施工
在淺海中采用大直徑樁基礎(chǔ)也很適合，需要由實(shí)際的地質(zhì)情況而定。
三、計(jì)算
1、 基本資料：
計(jì)算跨徑L=
汽車-超20級 掛車-120 升溫Δt=30ºC
2、 計(jì)算方法和模式：
采用單片桁架和單索面作建模，考慮活載的偏心影響作用，利用平面桿系程序作計(jì)算。對懸索、吊桿和斜拉索單元，作應(yīng)力剛化處理。
斜張橋和懸索橋相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，采取結(jié)構(gòu)措施是可行的。但是，兩種橋型的剛度特性相差較大，加上橋梁的跨徑很大，結(jié)構(gòu)單元很多，整體統(tǒng)一計(jì)算有一定難度。斜張橋和懸索橋都能獨(dú)立成橋，只是相互聯(lián)結(jié)以后的配合問題不清晰，需要分析清楚，并采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)措施，以保證橋梁的安全。斜張橋?yàn)榉€(wěn)定的三角形，橋面變形撓度很小，但不能過多的超載。懸索橋?yàn)槿崴鞒休d，是結(jié)構(gòu)可變形體系，柔索的變形撓度較大，橋面變形由加勁桁架承受、傳遞和改善。當(dāng)懸索的安全度滿足要求時(shí)，它可以承受更大的荷載。斜張橋和懸索橋相結(jié)合時(shí)，加勁桁架將傳遞其相互影響。斜張橋的變形撓度很小，它可以幫助懸索橋端部減小變形。但是，大跨徑斜張橋拉索的非線性變形明顯，它的變形撓度也較大，橋面剛度是比較柔性的。懸索橋的承載能力大，它可以幫助斜張橋承受部分荷載。大跨徑懸索橋的主索拉力很大，張力的抗重力剛度也大，可以減小變形撓度。根據(jù)兩種橋型的互助性能，它們的剛度變化，變形撓度不協(xié)調(diào)和可能協(xié)調(diào)的兩面性，能夠加以協(xié)調(diào)利用，可以保證橋梁的安全。采取的具體作法有兩條，一是采用剛度較大的加勁桁架，二是將懸索橋的吊桿插入到斜張橋內(nèi)一定的長度，使用懸索幫助斜張橋承載，即加大懸索的承載能力，保證二者都安全。兩種橋型的結(jié)合使用，不必要絕對的明確，采用增加結(jié)構(gòu)的安全度也是實(shí)用的方法。著名的布魯克寧大橋至今已使用100多年，它加的許多斜拉索，在當(dāng)時(shí)是無法計(jì)算清楚的，但是對大橋的穩(wěn)定和安全都起到了保證作用。
對斜張橋和懸索橋分別單獨(dú)計(jì)算，并將塔架也分別納入一并計(jì)算，可以看出兩種橋型對塔架的影響程度。采用有限單元建模時(shí)，斜張橋按其實(shí)際橋長考慮，懸索橋按插入斜張橋內(nèi)的吊桿位置作橋長計(jì)算。懸索橋設(shè)計(jì)采用的計(jì)算內(nèi)力，實(shí)際比采用吊桿不插入斜張橋時(shí)的計(jì)算內(nèi)力大，以此來保證兩種橋型協(xié)同承載的絕對安全。
3、 橋型建模：
⑴斜張橋：
①加勁桁架簡化為單一的梁單元，單元?jiǎng)偠劝?/span>軸壓力大小劃分為鋼管、鋼管砼和復(fù)合鋼管砼三種類型，為桁架和橋面板組成的板桁結(jié)構(gòu)，砼按其與鋼的彈性模量比值換算為統(tǒng)一的鋼材計(jì)算。
②塔架簡化為單一的柱單元計(jì)算，將橫撐簡化為集中力加載。
③橋面和橫梁簡化為集中力加載。
④斜拉索間距為
⑤橋面梁的外部邊界條件, 端部起點(diǎn)為簡支活動(dòng)支座, 另一端為連續(xù)梁狀態(tài)。
⑥斜拉索單元按鉸接節(jié)點(diǎn)處理，梁單元按剛接節(jié)點(diǎn)處理。
⑦已經(jīng)考慮鋼絲網(wǎng)水泥砂漿作長效防護(hù)和橋面瀝青砼的重量。
⑵懸索橋：
①加勁桁架簡化為單一的梁單元，為鋼管桁架和鋼橋面板組成的板桁結(jié)構(gòu)。
②塔架按剛架桿件單元計(jì)算，將橫撐簡化為集中力加載。
③橋面和橫梁簡化為集中力加載。
④吊桿間距為
⑤已經(jīng)考慮鋼絲網(wǎng)水泥砂漿作長效防護(hù)和橋面瀝青砼的重量。
⑥橋面的外部邊界條件,端部為實(shí)際的連續(xù)梁狀態(tài)。
⑦加勁桁架考慮了插入斜張橋部分的長度。
⑧索單元按鉸接節(jié)點(diǎn)處理，梁單元按剛接節(jié)點(diǎn)處理。
⑨加勁桁架的長度，作了計(jì)入斜張橋部分長度和不計(jì)入斜張橋部分長度的比較計(jì)算。
⑩對插入斜張橋部分長度的吊桿, 集中力加載可以按分級漸增的變化方式處理, 達(dá)到既實(shí)現(xiàn)懸索空載索段的限位目的, 又減少對斜張橋內(nèi)力的過多影響。
四、計(jì)算結(jié)果：
1、 斜張橋：尚未調(diào)整索力。
⑴塔柱：塔底N=-816197KN.m M=-413677 KN.m
⑵加勁梁：塔架根部Nmax=-146435KN Q=8746KN M>-968511KN.m
中部N=-91126KN.m Q=-674KN M=-607882KN.m
端部Nmin=-5253KN Q=3640KN M=795666KN.m
⑶斜拉索：Fmin=6003KN F=10015KN Fmax=20549KN
⑷撓度：δ=
2、 懸索橋：按垂跨比1/6和1/8作對比計(jì)算, 刮弧內(nèi)為垂跨比1/8計(jì)算結(jié)果。
⑴塔柱：塔頂N=-171743KN (204433KN)
⑵懸索：Tmax=202312KN(287240KN) H=184784KN(273557KN)
⑶加勁梁：Mmin=-35912KN.m(35912N.m) Mmax=-940340KN.m(888006 KN.m)
⑷吊桿：Fmin=2084KN(2138KN) Fmax=8609KN(22230KN)
⑸撓度：δ=
五、截面強(qiáng)度：
1、斜張橋：
⑴塔柱：塔底N=--816197KN.m M=-413677 KN.m 未計(jì)入風(fēng)力影響。
塔柱底承載強(qiáng)度：按復(fù)合鋼管砼計(jì)算, 即按各自的材料強(qiáng)度和安全系數(shù), 并作強(qiáng)度疊加組合。 采用16Mn鋼管6Ø1000x12 As=
N1=N/2+M/h=816197/2+413677/37=419279KN
N2=N/2-M/h=816197/2-413677/37=396918KN
鋼管砼短柱強(qiáng)度：No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(1.2/48.8)=(315*372.5+23.5*7481.5+ 7481.5*315*
0.0246)/10=35113 KN
單肢復(fù)合鋼管砼強(qiáng)度：未計(jì)配筋強(qiáng)度。
N= 6No+(1/rc)*(Agc-6Asc)*Ra/10=6*35113+(1/1.25)*(300*600-6*7854)*28.5/10=513635 KN>
N1=419279KN
⑵加勁梁：索力未調(diào)整, 彎矩值偏大, 僅考查其抗壓承載能力。
①塔架根部Nmax=-146435KN Q=8746KN M>-968511KN.m
橋面梁平均抗壓強(qiáng)度：按復(fù)合鋼管砼計(jì)算, 即按各自的材料強(qiáng)度和安全系數(shù), 并作強(qiáng)度疊加組合。采用16Mn鋼管2Ø600x12 As=
fc=23.5mpa Ra=28.5mpa Rg=345mpa Agc=
單根鋼管砼短柱強(qiáng)度：No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(1.2/28.8)=(315*222+23.5*2606+2606*315* 0.0417)/10=16540KN
復(fù)合鋼管砼強(qiáng)度：N=2 No+(1/rc)RaAgc+(1/rs)RgAg =2*16540+[(1/1.25)*26400*28.5+(1/1.25)*
1920*345]/10=146264 KN ≈Nj=-146435KN 考慮
②中部N=-91126KN.m Q=-674KN M=-607882KN.m
橋面梁平均抗壓強(qiáng)度：Agc=
復(fù)合鋼管砼強(qiáng)度：N=2 No+(1/rc)RaAgc+(1/rs)RgAg =2*16540+[(1/1.25)*16500*28.5+(1/1.25)*
1200*345]/10=103820KN>Nj=-91126KN 考慮
③端部Nmin=-5253KN Q=3640KN M=795666KN.m
橋面梁平均抗壓強(qiáng)度：按鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算, 橋面板取
As=
N=σ(As+ Ag)=210*(444+1200)/10=34524KN>Nj=-5253KN
⑶斜拉索：Fmin=6003KN F=10015KN Fmax=20549KN 按調(diào)整索力情況而定。
2、懸索橋：按垂跨比1/6和1/8作對比計(jì)算, 刮弧內(nèi)為垂跨比1/8計(jì)算結(jié)果。
⑴塔柱：塔頂N=-179521KN(-204433KN)
按復(fù)合鋼管砼計(jì)算, 即各自的材料強(qiáng)度和安全系數(shù), 并作強(qiáng)度疊加組合。采用16Mn鋼管2Ø400x8 As=
單根鋼管砼短柱強(qiáng)度：No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(0.8/19.2)=(315*98.5+23.5*1158+1158*315*
0.0417) /10=7345KN
復(fù)合鋼管砼強(qiáng)度：N=8 No+(1/rc)RaAgc=8*7345+(1/1.25)*95544*28.5/10=276600KN> Nj
=(-204433KN)
⑵懸索：采用1/6和1/8兩種垂跨比分別計(jì)算作對比, 顯然前者的水平拉力小88516KN, 采用復(fù)合鋼管砼增加塔高好解決,對于錨碇施工條件困難的意義重大。
Tmax=202312KN(287240KN) Hmax=184784KN(273300KN)
⑶加勁梁：采用分節(jié)段餃接安裝, 橋面調(diào)整定型以后再作焊接處理, 以便與斜張橋協(xié)調(diào)和銜接, 消除梁安裝引起的恒載內(nèi)力, 使吊桿內(nèi)力均勻。加勁梁可以采用鋼管砼、雙管下弦桿和管內(nèi)加設(shè)預(yù)應(yīng)力筋的方法,對桁架的剛度進(jìn)行加強(qiáng)較方便。
Mmin=-35912KN.m(35912N.m) Mmax=-940340KN.m(888006 KN.m)
⑷吊桿：因?yàn)榧觿盆旒艿膭偠却?/span>,其變形導(dǎo)致吊桿受力不均勻, 也有吊桿退出工作的現(xiàn)象發(fā)生。Fmin=2386KN(22230 KN) Fmax=8609KN(2331 KN)
⑸撓度：δ=
六、結(jié)束語：
1、斜張橋和懸索橋相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，采取結(jié)構(gòu)措施是可以實(shí)現(xiàn)的，充分發(fā)揮出其特點(diǎn)和大跨徑的優(yōu)勢，施工難度減小，也安全可靠，較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2、懸索拉力的大小由垂度決定，1/6垂跨比的拉力較小，可以減小錨碇體積和施工困難，更適合于跨海懸索橋。具有空載索段的懸索拉力，為橋面長度與跨徑所佔(zhàn)比值的大小。
3、采用封閉箱形的正交異性鋼橋面板，剛度加大，透風(fēng)效果好，用材合理，加工簡便，便于作長效防護(hù)。可按需要添充砼，并與加勁桁架和橫梁桁架的上弦桿相組合形成板桁結(jié)構(gòu)。
4、采用鋼管加勁桁架與復(fù)合鋼管砼技術(shù)相結(jié)合，便于鋼管、鋼管砼和復(fù)合鋼管砼結(jié)構(gòu)的形成變化，加工簡便，便于作長效防護(hù)，并與橋面板相組合形成板桁結(jié)構(gòu)。
5、采用復(fù)合鋼管砼作塔架，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，材料韌性好，抗震和抗風(fēng)性能好，施工較方便，比單純的鋼和鋼筋砼塔架更經(jīng)濟(jì)合理。
6、采用在橋面中央分隔帶設(shè)透風(fēng)氣隙，有利于橋面上下的氣壓平衡。加勁桁架剛大，透風(fēng)性能較好，都有利于抗風(fēng)穩(wěn)定。平板形式的橋面，對氣流的擾動(dòng)小，也有利于抗風(fēng)穩(wěn)定。斜張橋?yàn)榉€(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)穩(wěn)定性能也好，可起到明顯的作用。將懸索在跨中加設(shè)較強(qiáng)的斜傾吊桿與加勁桁架連接，有利于消除橋面的反對稱振動(dòng)。
7、采用復(fù)合鋼管砼和鋼絲網(wǎng)水泥砂漿實(shí)現(xiàn)長效防護(hù)，解決了節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)和鋼鐵防銹蝕難題，增加的重量很有限，仍是經(jīng)濟(jì)合理的。
8、作為解決通航問題，能采用大跨徑橋梁更好，因?yàn)闃蛄旱墓芾砗托熊嚄l件好于隧道，不需要通風(fēng)、照明、監(jiān)控和防火設(shè)施。本方案的設(shè)計(jì)和施工新思路，有助于<<便航式跨海浮橋>>方案的順利解決。
