试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探讨.pdf

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试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探讨华有恒*摘要对香港汀九斜拉桥中标方案（G标）设计构思的特色进行了评论和探讨。

关键词香港汀九斜拉桥设计构思特色构造细节评论和探讨分类号U448.272.5*教授级高工,430050,武汉汉阳区铁道部大桥局1前言香港汀九斜拉桥,由德国BINNIE工程顾问有限公司设计。

该设计方案（G标）在1994年有七家工程公司参加的国际投标中,以其设计构思的特色和最低标价（17.38亿港元）中标1。

其造价比七家公司的平均造价低16%,比最高价（23.88亿港元）低37%。

本桥构思的最大特色,是桥塔的构造。

它采用了长圆形等截面的混凝土独柱桥塔,而在其横向则用钢结构予以加宽,以形成承托主梁所必须的宽度。

作为三塔四跨连续斜拉桥的中央主塔,设计者摒弃了造价昂贵的刚性塔柱的方案,而采用增设塔顶稳定索的办法来满足中央塔柱的刚性要求。

同时,对斜拉索在塔柱上的锚固采用在塔柱上设置钢锚箱的办法,以避免在塔身上预留孔道和浇筑锚块。

这样,便大大节省了桥塔的施工费用,从而大幅度地降低了全桥的工程造价。

本桥除桥塔设计这一主要特点以外,还有其它的构造特色和构造细节值得我们借鉴。

当然,也还有可以商榷和探讨的地方。

2概况香港汀九青衣斜拉桥为三塔四跨连续公路预应力混凝土斜拉桥。

其跨度组成为:

（127+448+475+127）m,总长1177m。

桥梁两主跨跨越的水域为宽924m的RAMBLER海峡。

中央的主桥塔座落在人工构筑的保护岛上;两边桥塔位于岸坡上。

因此,本桥无水下基础工程。

如图1（a）所示。

本桥锚跨很短,锚跨与主跨之比为13.53.71。

三桥塔的中央主桥塔,设计为用纵向稳定索加劲的柔性桥塔。

稳定拉索,斜拉至两边桥塔塔位处,锚固在主梁上。

本桥的斜拉索,为四索面体系。

每两个索面预拉一个四车道的主梁。

两个四车道的主梁,各自独立工作。

只是在每隔13.5m处（即斜拉索在主梁上的锚固点处）用连接横梁将两组主梁联结,以传递斜拉索的横向水平分力。

两组主梁间的净距为5.8m。

每组主梁的桥面宽度为18.5m。

斜拉桥横向宽度为（18.5+5.8+18.5）m,总宽42.8m。

如图1（b）所示。

本桥塔柱从塔墩顶面算起,中央主塔高157.35m,两边塔各高129.35m（汀九岸）和120.35m（青衣岸）。

塔柱均为等截面的长圆形截面的钢筋混凝土柱,中央主塔柱为10m（纵向）5m（横向）,两边塔柱均为8m（纵向）5m（横向）。

塔柱横向在主梁底面以下,用钢结构予以加宽至总宽度50m。

两组主梁在桥塔处分别支承在横向加宽的钢结构支架的钢横梁上。

用以加宽塔柱的钢结构支架,由塔柱钢横梁、横向拉索和塔柱斜撑组成。

如图1（b）至图1（d）所示。

本桥主梁为由钢板焊接组成的槽形开口型截面的钢梁。

钢槽梁高1500mm,上翼缘顶面铺设着250mm厚的预制钢筋混凝土桥面板。

钢槽梁与桥面板之间用19mm的高强度栓钉（STUD）结合。

结合梁的钢主梁全高1750mm。

如图2、图3所示。

斜拉索的常规索距为13.5m。

在塔柱两侧,首根斜拉索距柱中心21.5m,跨中合拢节段长度亦为13.5m。

斜拉索的最小水平倾角为25.5。

斜拉索底端,通过套筒式锚固结构用锚板锚固于主梁的腹板上。

斜拉索顶端,通过联结在塔柱顶部的钢锚箱锚固于塔柱上。

斜拉索底端为固定端,顶端为张拉端。

如图4、图5所示。

稳定索在主梁上的锚固,如图6所示。

横向拉索的锚固,如图7所示。

拉索均采用平行钢丝束和HiAm型锚。

四跨连续梁的主梁在三主塔处为辊支承,在两岸桥台处均为能承受拉、压力的摇摆式杆支座。

如图8所示。

主梁的桥面系由主梁和横梁组成。

横梁间距4.5m。

在横梁上铺设着规格为4.5m（长）4.3m（宽）0.25m（高）的预制桥面板。

横梁上翼缘顶面以及主梁上翼缘顶面均预先焊接着19mm高强度栓钉（STUD）。

桥面板纵横两向的接缝,用混凝土现场浇灌。

联结成整体的桥面板,与其结合在一起的主梁共同承受车辆荷载。

如图9所示。

27试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探讨华有恒图1汀九斜拉桥总布置图图2主梁总布置图3设计构思和构造细节3.1桥塔塔身采用钢结构和横向拉索加宽如图7所示,塔身在横向采用钢横梁、钢斜撑和横向拉索加宽,以承担主梁。

钢横梁的固定端,以DYWIDAG锚锚固于塔身;悬臂端,则用上、下贯通的横向拉索予以固定。

每一悬臂端的拉索,共有四组8根,顶端（张拉端）固定在塔身上的钢锚箱中（图5）,底端（张拉端）固定在塔墩上。

钢斜撑,用以承担钢横梁固定端反力,及拉索底端在塔墩处的上拔力。

28桥梁建设1997年第3期图3主梁和横梁图图4斜拉索在主梁上的锚固（固定端）图8端锚索和端支点这是富有创新精神的处理手法。

在结构上显得明快、清晰,结构受力明确,其构思也极具特色。

3.2中央主塔的塔顶稳定索中央主塔的塔顶稳定索如图1（a）所示,其最大水平投影长度为475m,割线索长507m。

索长是较大的。

当然,索的自重垂度也较大,从而较多地降低了索的非线性弹性模量。

但是,对稳定索而言,要求它的是索力的水平分力。

现稳定索的水平倾角最小为20.6,尚在斜拉索的常规倾角范围之内。

因此,在本桥以设置塔顶稳定索的办法来代替刚性桥塔,也是可行的。

当然,对较长的斜拉索还存在着风振问题,但这并非稳定索所独有,主梁斜拉索也同样存在。

至于如何处理这一问题,在方案设计中未提及,拟在本文第4节“探讨”中抒述已见。

稳定索每侧共4根,位于两组主梁间的空档5.8m范围内（见图6）。

稳定索的顶端（张拉端）,锚固在塔顶的钢锚箱中（见图5）;底端锚固于设置在两组主梁之间的锚梁上,如图6所示。

3.3四索面斜拉索桥塔是独柱结构,嵌在两组主梁之间。

因此,斜拉索便可布置成4个索面了,如图1（b）所示。

由于有4个索面,主梁和主梁桥面系的受力状态大为改善。

因此,它们的构造都是较为轻型的钢结构,这对主梁的安装,提供了极为有利的施工条件。

在4个索面的斜拉索中,主梁内侧的两个索面为垂直的、外侧的,内倾角81,如图3和图4所示。

另外倾斜的索面要注意两个问题:

（1）要注意符合要求的净空高度规定;

（2）在斜拉索锚固点处的两组主梁之间设置抗横向水平分力的连接横梁（见图3）。

值得注意的是,普通横梁和连接横梁之间用以传递轴力的连接细节。

设计者在主梁腹板上开了孔,以便水平拼接板通过,如图3（d）所示。

这个细节可以在考虑钢桁梁桥中,当桥面系纵梁与主桁共同作用时作为参考。

3.4混凝土结构与钢结构的完美结合29试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探讨华有恒图5缆索在塔顶上的锚固30桥梁建设1997年第3期图6稳定索在主梁上的锚固31试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探讨华有恒图7横向拉索的锚固混凝土材质的桥塔,只能在现场就地浇筑,因此需要在现场架立模板。

桥塔的线型越简单,模板的运用就越方便,施工机械化的程度就越高,工程造价就越低。

因此,设计者采用了独柱、长圆形等截面的塔身（见图5）,图9结合梁桥面板而在承托主梁处用钢结构予以横向加宽见图2（b）。

钢结构是可以在工厂制造、现场安装的。

这两者完美的结合,各自发挥了其材质的优点（见图7）,这是本桥设计构思中最具特色的部分。

斜拉索在塔身上的锚固,设计者采用了在塔身上设置钢结构钢箱的办法予以解决。

钢锚箱用预应力筋锚固在塔身上,斜拉索锚头（张拉端）则支承在钢锚箱中（见图5）。

这个办法一方面可以省去了在塔身上预留孔道和浇筑锚块（这两个构造细节使模板的运用大大复杂化,既增加了工程费用,又延长了施工时间）;另一方面,塔身上的钢锚箱又可为斜拉索的安装、张拉等施工作业提供了充分的、方便可靠的工作平台,可谓一举两得。

4探讨的问题对于多塔多跨式斜拉桥的争论焦点,在于桥塔的构造是采用刚性的桥塔,还是采用稳定索?

这也是本文探讨的问题。

典型的多塔多跨式斜拉桥,是于1992年竣工的加拿大诺森伯兰海峡大桥。

其为跨度250m连续公路斜拉32桥梁建设1997年第3期桥。

该桥的桥塔均为刚性桥塔如图10（a）。

本桥投标方案中的A标方案,其中央主塔也是一个刚性桥塔如图10（b）。

本桥的中央主塔为采用稳定索加劲的柔性桥塔,这是新的尝试。

其中稳定索的主要问题是风振问题1。

本桥稳定索的总体布置:

在竖直面上是两排索,高差为0.8m;在平面上为两组并列索,并列索间距为0.8m,两组并列索中距为4m（见图6）。

每侧稳定索的数量共计2根。

稳定索的受力在恒载工况下,两侧稳定索的索力可以调整至使主塔塔顶无偏移,塔身不受恒载挠矩影响,而只受公路活载的不平衡索力的挠矩影响。

因此,对本桥最大跨长为475m的公路斜拉桥,稳定索的水平分力对主塔的加劲作用可以认为是有效的。

至于风振问题,对稳定索的面内、面外均用索夹分割。

实践证明:

采用索夹以消除风的尾流涡振是行之有效的,如图10（c）。

这是1994年竣工的日本秩父公园桥2和1995年竣工的中国武汉长江二桥采用的斜拉索抗风振措施。

图10但是,针对本桥的具体设计,也可以从另外一个角度将中央主塔加劲为刚性桥塔,以取代现在的稳定索方案。

笔者认为,对于顺桥向宽度为10m的中央主塔,如在主梁标高附近的塔身上采用类似塔身横向加宽的措施,也是可以改造成刚性桥塔的,如图10（d）。

参考文献1多塔多跨式斜拉桥的主要问题,兼论香港汀九桥的国际投标方案,铁道部大桥局设计院技术室1994-112日本.桥梁.1994.1（收稿日期:

1997-03-05）DiscussionabouttheFeaturesofDesignConceptionofTingjiuCable-StayedBridgeinHongKongHuaYouhengAbstractThedesignconceptionoftheacceptedtender（Gtender）forTingJiucable-stayedbridgeinHongKongarecommentedanddiscussed.KeyWordsTingjiucable-stayedbridgeinHongKong,designconception,feature,constructiondetail,commentanddiscuss33试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探讨华有恒