灵感的彰显——桥梁创新漫谈

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大连理工大学桥隧学科成立35周年来，始终坚持教学、科研与工程实践相结合的人才培养思路，注重实验室的建设和工程实践的创新，并将“创新、受力合理、安全、经济、美观”的设计理念贯穿于工程实践中，在新桥建设、旧桥加固及特殊复杂桥梁处理方面做了有益的探索和一定的贡献。桥型创新成果主要有：T形刚构与独塔斜拉桥协作体系、混凝土自锚式悬索桥、钢管混凝土单片桁架拱、系杆拱梁体系、缆索承重体系桥的创新等；技术创新主要涉及以下方面：海上地锚式悬索桥、混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法、斜牛腿、无缝伸缩缝、弯梁桥约束体系、梁板桥面系拱桥振动加固技术、斜拉桥顶推施工关键技术等。
T形刚构与独塔斜拉桥协作体系
体系构思的灵感
金马大桥的地理位置在广东省三水市金本镇与高要市金利镇间，位于马口峡下游附近广（州）—肇（庆）高速公路跨越西江段。西江该河段水深流急，常水位水深约28m，设计洪水位水深36m；常水位时河宽700m，河滩地外两岸大堤间约宽900m，设计流量53900m3/s。河道为通航黄金水道，要求通航5000t海轮，通航净高22m，净宽2×90m （主航道），2×80m（副航道）。桥面宽度26.5m，车速120km/h，纵坡限3%以内；船撞力，中墩12000kN（横桥向），6000kN（顺桥向）；边墩1100kN（横桥向），800kN （顺桥向）。
根据金马大桥的地理环境及通航要求，设计需要解决两大难题，一是深水基础问题，二是桥墩防撞问题。从降低施工难度和工程造价的角度考虑，应尽量减少深水基础的数量。因此技术相对成熟的连续梁和连续刚构方案首先被排除，因为这两类桥梁均需在江中修建多个深水基础，且为了抵抗船撞力还须对每个桥墩基础额外做防撞保护措施，施工难度和造价都大大提高。另外，桥墩施工对通航影响也较大。显然，此处更适合大跨径的桥型方案，进一步考虑，只有一个深水基础的独塔斜拉桥较双塔斜拉桥在施工和设计上更为简单经济，且独塔主墩按竖向承载力要求设计，正好可以满足船撞力要求，不需额外再加固桥墩，大大降低了造价，可谓一举两得。经过分析， 我们将方案初步锁定为独塔斜拉桥方案，一个深水墩设在航道中分线处，边墩设在两侧的浅水区，这样桥梁跨径为290～300m。如此大跨的斜拉桥，施工难度和风险相应增大，同时超长索的制作和施工也使造价有所提高，这仍然不是最优的满意方案。
经过反复的思考和斟酌，有了一个大胆的创新灵感：何不利用T构悬臂来协助斜拉桥的受力，这样，既能增加跨径，又能降低造价。1995年元月，利用T形刚构对传统独塔斜拉桥进行改进的T形刚构与独塔斜拉桥协作体系方案，以其新颖美观的造型和较大的造价优势，在其他竞标方案中脱颖而出，一举中标。
T形刚构与独塔斜拉桥协作体系方案初步形成后，应施工单位要求，为方便施工，将最初设计的斜拉桥箱形截面改为了边主梁截面，悬臂浇筑施工；又根据专家组的建议，将原T构与斜拉桥连接处的剪力铰改为了连续截面。与此同时，为了适应温度变形，将原T构的箱形截面墩改为了双薄壁柔性墩以减小温度力。最终，修改后的金马大桥主桥T形刚构与独塔斜拉桥协作体系方案如图1所示，桥梁跨径布置为60+283+283+60m，桥宽29m。

图1 T形刚构与独塔斜拉桥的协作体系（单位：m)
金马大桥于1995年5月开工，1999年5月完工，成为当时跨径最大的混凝土独塔斜拉桥。桥梁全长1912.6m，其中引桥长1226.6m，采用先简支后连续的预应力混凝土T梁桥。该项目计划投资3.2亿元，实际投资仅为1.89亿元。

图2 建成后的金马大桥
关键创新技术
金马大桥的成功，不仅因为采用了新型的结构形式， 更重要的是在具体设计中对一些难点问题的深入研究，提出了一些新的技术和新的设计思路，下面简要介绍金马大桥的关键创新技术。
（1）施工时无纵向预应力筋的设计方法
国内大跨径斜拉桥采用悬臂挂篮施工期间都要张拉主梁的纵向预应力筋，金马大桥首次提出并采用一种施工期间不张拉纵向预应力筋的方法，这种方法要求施工计算和施工控制要精确。
（2）斜拉桥与T构连接处边主梁与箱梁的顺接
金马大桥斜拉桥部分主梁采用边主梁式的梁板结构，T 构部分采用传统的变截面箱梁结构，T构与斜拉桥的连接是一个构造难点。经过方案比选，金马大桥最终确定采用在接头处斜拉桥侧8m范围内设置底板，通过延长T构的腹板在该范围内也形成箱形结构。同时加强斜拉桥的横隔梁，并使用三向预应力筋加固的方案。经过计算分析与光弹试验验证，此种方案力的过渡平顺可靠，各部分应力均满足规范要求，结构安全合理，且施工方便，不影响其他块件的施工进度，只需在合龙段8m范围内增加模板。斜拉桥侧加设底板的连接方法与采用实体连接段方法相比，节省了大量的混凝土，与渐变段方案相比大大方便了施工。