中央扣构造的首次引入——主跨428米三塔自锚式悬索桥设计创新

三塔悬索桥可提高结构跨越能力，是实现宽广水域连续跨越的理想桥型。三塔悬索桥与两塔悬索桥在结构受力性能上有较大区别，往往存在中塔效应问题，即当其中一中跨加载、另外一中跨空载时，主缆抗滑移、整体竖向刚度以及主塔本身的强度等问题需要特别关注。已建三塔地锚式悬索桥实例较多，主要通过中塔型式选取、塔梁连接方式、缆梁连接方式来满足结构受力性能要求。中央扣对三塔四跨地锚式悬索桥结构竖向刚度及主缆抗滑系数的影响非常明显，设置中央扣后，这两项指标显著改善。

自锚式悬索桥可以省去两侧锚碇，在软土地基条件下往往具有良好的经济性能。目前，世界上最大跨径的三塔自锚式悬索桥为银川滨河黄河大桥，主跨跨径为218m，该工程跨径范围内，结构整体刚度及中边塔处主缆抗滑移指标对结构体系不敏感，即不存在前述中塔效应问题。济南黄河凤凰大桥主桥主跨跨径428m、桥宽61.7m，具有大跨、超宽、公轨合建等特点。本文以该工程为背景，介绍三塔自锚式悬索桥的设计创新技术。

桥梁概况

济南黄河凤凰大桥主桥采用三塔自锚式悬索桥，跨径布置为70m+168m+428m+428m+168m+70m，见图1。道路等级为一级公路兼城市主干路，双向8车道，单幅机动车道宽15.5m，中间设10.2m轨道交通预留空间，两侧各设3m非机动车道和1.75m人行道，桥面总宽61.7m，见图2。本桥为公轨合建桥梁，两个70m锚跨的设置起到主缆锚固压重作用，并使梁端转角大幅减小，以满足轨道交通列车走行性要求。主梁为箱形断面，梁高4m，车行道范围为组合桥面。主缆中跨矢跨比约为1/6，吊索标准间距9m。A型索塔两个塔柱从车行道与轨道交通之间穿过，为钢与钢混组合形成的混合桥塔结构。采用钻孔灌注桩基础。

图1 主桥总体布置图（尺寸单位：m）

图2 主桥标准断面图（尺寸单位：m）

结构体系创新

对于三塔自锚式悬索桥，中边塔塔底最大纵向弯矩、主缆鞍内抗滑移系数及主梁活载最大竖向位移是考察其力学性能的重要参数，也是结构设计的重要指标。下面通过有限元计算，研究四个方案对力学性能指标的影响。方案一为常规竖直吊杆、塔梁分离方案，方案二在方案一基础上中塔刚度增加1倍，方案三在方案一基础上增设中塔塔梁纵向固定约束，方案四在方案一基础上两个中跨跨中设置中央扣代替竖直吊杆。四个方案计算结果详见表1。

由表1可见，方案二相比于方案一中塔刚度增大1倍后，边、中塔塔底弯矩分别增大12%、17%，边、中塔主缆抗滑移系数分别降低5%、13%，结构竖向刚度增大14%。中塔刚度的增大能提高结构竖向刚度，但在主塔受力及主缆抗滑安全性方面均有不利影响。

表1 结构体系对力学性能的影响比较

由表1可见，方案三相比于方案一设置中塔塔梁纵向固定约束后，边、中塔塔底弯矩分别降低40%、5%，边塔主缆抗滑移系数增大13%，中塔主缆抗滑移系数降低13%，结构竖向刚度增大13%。中塔处设置塔梁纵向固定约束后，主梁主缆锚固点处的纵向移动有了一定限制，边跨主缆对边塔的约束增大，大幅降低了边塔塔底的纵向弯矩，而加劲梁对中塔的约束增大了中塔刚度，从而降低了中塔主缆鞍内抗滑移系数。

由表1可见，方案四相比于方案一设置中央扣后，边、中塔塔底弯矩分别降低24%、43%，边、中塔主缆鞍内抗滑移系数分别提高3%、31%，结构竖向刚度增大36%。自锚式悬索桥主缆锚固于主梁，设置中央扣后缆、梁、塔整体性更好，可显著提高结构整体刚度，有效改善主塔特别是中塔的受力性能及该处主缆的抗滑移性能。

综上所述，方案四设置中央扣的缆梁约束结构体系对于边中塔受力性能、边中塔主缆抗滑移系数及结构刚度而言最优，为工程最终采用方案。国内悬索桥首先采用刚性中央扣构造的为润扬长江大桥，旨在减少活荷载引起桥面的纵向位移和风振等引起跨中短吊索的疲劳问题。本工程把中央扣构造首次引入三塔自锚式悬索桥，明显改善了结构的受力性能。

中央扣创新

为提高三塔悬索桥受力性能，设计采用刚性中央扣将主缆和中跨跨中梁段刚性连接。两个中跨跨中分别设置3对刚性中央扣，由索夹及连接加劲梁与索夹的三角钢桁架组成，详见图3。索夹采用铸焊结构，三段独立索夹曲线长度分别为4.49m、4.16m、4.49m。为使3对串联中央扣能相对均匀地传递纵向不平衡力，设计采取以下优化措施：(1）主缆至钢桥面竖向垂直距离为3.7m，桁架杆件与主梁的夹角约为60°；(2）桁架杆件工字型截面在中央扣面内为弱轴，面外为强轴；(3）适当增大第2对中央扣两个桁架杆件截面刚度。中央扣将承受运营期较大的疲劳荷载，疲劳设计非常重要。为避免焊接引起的疲劳，中央扣杆身上、下端分别用高强螺栓与索夹及主梁连接。设计中央扣主要承受运营期缆梁间的纵向不平衡力，为优化中央扣索夹抗滑受力及钢桁架受力，施工时在中央扣位置首先张拉临时吊杆，待全桥索力调整完成后，再逐步安装钢桁架杆件。图3列出了桁架杆件恒、活载下轴力及索夹两个方向的滑移力。其中：活1工况为中央扣所在跨空载，另一中跨满载；活2工况为中央扣所在跨满载，另一中跨空载；杆件内力“+”为拉、“-”为压。

图3 中央扣构造及受力图

（尺寸单位：mm，单位：t）

组合梁创新

自锚式悬索桥采用组合梁作为加劲梁可以使混凝土参与承担主缆引起的主梁轴向压力，并改善桥面受力性能。主跨218m的银川滨河黄河大桥以及主跨370m的舟山市小干二桥等自锚式悬索桥采用组合梁作为加劲梁，且均为传统纵横梁+预制混凝土桥面板形式。本工程自锚式悬索桥主跨跨径达428m，为适当减轻桥面重量，在车行道部分采用正交异性组合桥面板型式，详见图4。其中横隔板纵桥向间距4.5m，钢顶板厚12mm，U肋厚8mm，U肋高300mm，U肋中心距720mm。C60低收缩混杂纤维混凝土层厚120mm，抗折强度要求不小于12MPa，经配合比试验，确定水胶比为0.18，钢纤维含量为80kg/m3，合成纤维含量为0.5kg/m3。桥面板纵向采用Ø22mm钢筋，双层布置，横向采用Ø16mm钢筋，单层布置，间距均为120mm。混凝土与钢顶板间采用直径Ø16mm、高度90mm剪力钉连接，标准间距纵横向均为360mm。

图4 组合桥面结构图

自锚式悬索桥通常采用先梁后缆法施工。本工程在河中设置临时墩，钢主梁顶推到位后分批浇筑混凝土桥面，再进行吊杆张拉完成体系转换。自锚式悬索桥加劲梁采用组合梁比钢梁时复杂，设计计算需考虑钢混两个分部的分步施工过程，应尽量避免将不利内力锁定到组合梁截面。临时墩间距越小对组合梁受力越为有利，本工程综合考虑河道部门要求及施工措施费用后确定临时墩间距为60m。

混合塔创新

经前期研究，本工程大跨超宽三塔自锚式悬索桥如采用混凝土塔难以满足受力要求。国内外部分大跨桥梁中塔采用钢塔，边塔采用混凝土塔；部分桥梁钢塔钢混接头设置于主梁高度处，部分钢塔直接锚固于承台；南京五桥则采用组合塔设计。与三塔地锚式悬索桥不同，本桥边塔受力与中塔相当，结合结构受力、耐久性及防撞要求，最终三座主塔均采用钢-钢混混合型桥塔，即边中塔均采用上段钢塔、下端组合塔的混合塔型式，详见图5。边塔总高116.1m，其中组合塔段高11.1m；中塔总高126m，组合塔段高17m；钢结构均伸入承台2.5m。

图5 主塔结构（括号内数据适用于边塔）

钢塔段塔柱为五边形单箱三室截面，三座主塔下横梁以上部分构造相同。下端组合塔设计主要考虑结构受力及耐久性及防撞要求。考虑桥位处Ⅳ级航道和洪水时防撞需求，300年一遇水位以下塔段采用组合桥塔。常水位至300年一遇水位间塔段仅塔壁内侧与混凝土结合，常水位以下考虑钢结构耐久性塔壁外侧亦与混凝土结合，钢与混凝土间通过开孔板及剪力钉连接。

济南黄河凤凰大桥三塔自锚式悬索桥具有大跨、超宽、公轨合建等特点，存在中塔效应问题。根据工程建设条件及特点，创新设计应用了中央扣结构体系，以及刚性中央扣、组合桥面、钢-钢混混合型桥塔结构构造。目前，工程已建成通车。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2025年 第3期 总第125期

作者 / 陈亮 邵长宇 常付平

作者单位 / 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司

编辑 / 陈晨

审稿专家 / 周良

美编 / 杨敬倩

审校 / 李天颖 陈颖 廖玲

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