2013-09-09 中国交通报
当悬索桥设置中间塔时，结构整体纵向刚度大大降低。中塔两边一旦存在巨大不平衡力，将不利于整体结构的稳定性。 江苏省长江公路大桥建设指挥部 供图
为踏准中塔的“刚柔平衡点”，建设者们首创了纵向“人”字形塔。江苏省长江公路大桥建设指挥部供图
□本报记者 钱民峰
作为架起来的路，泰州长江公路大桥跨越天堑，将长江北岸的江苏省泰州市与苏南的镇江市、常州市连成一体，不仅为出行提供便利条件，更为经济腾飞铺就跑道。
今天，当公众驾车行驶于泰州大桥、享受交通便利之时，却不一定知晓：大桥成功修建的背后，是桥梁界世界难题的成功攻克。
这个难题便是如何克服“中塔效应”。
据介绍，所谓“中塔效应”是指当悬索桥设置中间塔时，结构整体纵向刚度大大降低。也就是说，一旦中间塔的一边受力过大，主梁下沉，主缆就有可能发生相对位移，不利于桥梁整体结构保持稳定。
随之引发了中间塔如何设计施工、主缆与中间塔主鞍座如何抗滑、大柔度桥面如何铺装等一系列难题。
揭示多塔连跨悬索桥的“性格”
在国内外尚无先例可循的条件下，项目揭示了多塔连跨悬索桥的结构性能，并找到设计参数，编制了相关标准，填补了这一领域的国际空白。
与传统两塔悬索桥相比，由于多塔连跨悬索桥增加了中间塔，其结构特点与受力情况发生“颠覆式”变化。项目首先需要揭示多塔连跨悬索桥的结构性能。
在项目课题一“多塔连跨悬索桥结构体系与结构性能研究”的支撑下，交通运输部公路科学研究院副院长张劲泉带领团队成功破解了这一难题，并形成了成套理论。
张劲泉说，分析多塔连跨悬索桥结构体系，可分为两个层次：一个是最基础的三塔两跨悬索桥，只有分析清楚了“三塔两跨”桥型，才能递增中间塔数量；另一个是四塔及以上的悬索桥结构体系，随着中间塔的增多，由于塔与塔之间的相互作用，中塔效应会呈现减弱趋势，结构体系会越来越趋同。
“关键是要确定什么时候中塔效应最强烈。”张劲泉解释道。在大量仿真模拟的基础上，课题组发现，四塔悬索桥的“双中塔效应”最强，而设置三个及三个以上中间塔时，与双中塔几乎无异，之后进行的缩尺模型试验也证实了这一结论。
这一发现意义重大。据此，课题组把“多塔连跨”体系研究“化简”为三种体系的研究，即“三塔两跨”、“四塔三跨”和“五塔四跨”。
那么整个桥梁体系与哪些参数有关呢？课题组发现，千米级多塔连跨悬索桥的结构体系与跨度比、垂跨比、塔顶高差、中间塔刚度等参数相关。针对这些参数，课题组分别给出了合理的取值范围。
为保证安全性，泰州大桥必须进行抗风和抗震设计。课题组得出了多塔连跨悬索桥主梁在中间塔位置设置弹性索约束体系更有利于结构抗震的结论；提出了“连续体系（漂浮结构）+弹性索”的抗震适宜体系，并研发了防落梁抗震装置；提出了基于性能的多塔连跨悬索桥抗风设计方法、流程和评价指标。
此外，课题组还编制了《三塔两跨悬索桥设计指南》、《三塔两跨悬索桥设计示例》等，建立了跨径1000米以上的三塔两跨悬索桥设计规范体系，包括材料、作用、总体设计、总体计算、桥塔、缆索系统、抗风设计和抗震设计等内容。
“《三塔两跨悬索桥设计指南》已获批为江苏省地方标准，主要以泰州大桥三塔两跨悬索桥为原型，总结、凝练三塔两跨悬索桥的结构设计与计算。”张劲泉说。
踏准中塔“刚柔平衡点”
中间塔既不能太刚，也不能太柔。通过计算和模型试验，项目找到了平衡点，建造了国内首个纵向“人”字形塔。
桥梁的整个体系确定了，接下来要攻克的是中间塔的设计与施工难题。在项目课题二“多塔连跨悬索桥中间塔关键技术研究”的支撑下，泰州大桥建设指挥部总工程师吉林带领团队解决了这一难题。
“中间塔既不能太刚，也不能太柔，如何踏准刚与柔的平衡点，是难点所在。”吉林解释说，中间塔必须具有一定的柔度，即当悬索桥的主梁受力不均衡时，中塔能随之进行适当的左右摇摆。当中间塔过于“刚硬”不能摆动时，主梁一边受力过大，主缆可能与中间塔产生相对滑移。
当然，中间塔也不能太柔，否则不利于大桥系统的稳定性、车辆行驶的舒适性。
经过复杂的数学建模和模型试验后，课题组最终找到了“刚柔相济”的平衡点。当车行驶在泰州大桥上时，主梁的上下位移幅度不超过跨径的千分之四。
平衡点找到了，该如何建这个中塔呢？在以往的工程案例中，如果要保证塔的柔度，需要建“1”字形塔，如果要保证塔的刚度，需要建“A”字形塔。为满足泰州大桥的特殊需求，建设者们提出了两者相结合的思路，即“人”字形塔。通过不断变化塔身的分叉点高度和塔底的分叉量，课题组在大量计算和模型试验的基础上，最终确定了中塔的设计参数。据了解，纵向“人”字形塔在国内尚属首创。
“主缆与鞍座的固定主要依靠静摩擦力。”吉林说，中间塔的难题还体现在主缆与中塔鞍座的抗滑设计上。目前，国内外针对主缆与鞍座抗滑的研究基本都基于单索股，或者是多索股但钢丝直径较小的情况。为准确评估中间钢塔鞍座与大直径主缆的抗滑安全，课题组在大量试验的基础上，提出了多索股主缆与鞍座间名义摩擦系数的计算方法。
“我们提出的新计算方法，除了考虑竖向压力与束股拉力外，还兼顾索力对鞍座侧向挤压的影响，这一创新已不局限于桥梁，而是对整个土木工程学科抗滑设计的贡献。”吉林说。
钢桥面上铺“可伸缩”沥青层
由于三塔两跨悬索桥整体刚度较传统悬索桥更低，在钢桥面板上铺装的沥青层，要能随着钢桥面的变形具备一定的伸缩性能。
桥梁的结构体系确定了，在钢桥面板上如何铺装沥青层呢？
较为常见的是在道路上铺设沥青，不仅有路基层的支撑，而且路面本身不容易发生弯曲。但对泰州大桥进行沥青铺装时，情况发生了很大变化：一是泰州大桥主梁上是钢板支撑，不是路基层支撑；二是三塔两跨悬索桥更具有柔度，当桥梁受非均匀分布的荷载时，主梁本身会发生位移与弯曲，铺筑在其上的沥青层必须具备一定的伸缩性能；三是钢桥面更容易受温度影响，室外温度达到40摄氏度时，钢箱梁的温度将达到70摄氏度，钢桥面上沥青的耐热性要求远远大于路面。
在项目课题三“超大跨连续大柔度桥道系结构行为特性及其铺装关键技术研究”的支撑下，这一难题被东南大学院士黄卫、教授钱振东领衔的团队克服。
钱振东说，目前国内钢桥面铺装的两大主流材料：一是以欧洲为代表的“浇筑式沥青混凝土”，其优势是密水性强，能阻止雨水渗透到钢板；追从性能好，随钢板发生更从变形能力强。二是以美国为代表的“环氧沥青混凝土”，其优势是强度高、抗疲劳性能好。
由于泰州大桥是千米级的三塔两跨悬索桥，柔度大大超过一般的桥梁，加上中国的交通荷载量大于国外。泰州大桥简单采用上述两种材料，均不是理想的选择。能否将两种材料进行组合，各取优势？
经过大量改良和比选后，课题组研发了“下层浇注+上层环氧”的铺装结构。这一创新，对我国长大跨越钢箱梁桥设计颇具参考价值。“前前后后，我们总共进行了近十种组合方案的复合结构试验，持续了两年时间。”钱振东说。
“这一工艺在国内尚属首次应用。”钱振东补充道。由于这个铺装结构是首次采用，有了设计方案，还必须拥有混合料生产工艺和铺装工艺。东南大学桥面铺装科研团队联合施工方中交二公局三公司对混合料的制备方法、大批量生产工序进行了优化，提高了沥青混合料生产质量。
为提升铺装的机械化和规模化水平，课题组发明了钢桥面环氧沥青混合料“双机连铺工艺”，不仅提高了铺装效率，而且减少了纵向施工缝的设置，降低了铺装裂缝沿着施工缝产生并发展的风险。
□链接
产学研的牵手合作
项目研究涉及3个课题、13个子课题，研究范围广、涉及学科多、攻坚难度大。为有效开展科研，项目集合产学研各个方面的力量，包括了11家单位：
●江苏省长江公路大桥建设指挥部
●交通运输部公路科学研究院
●江苏省交通规划设计院股份有限公司
●同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司
●中交第二航务工程局有限公司
●中交公路规划设计院有限公司
●中铁宝桥集团有限公司
●江苏省交通科学研究院有限公司
●东南大学
●同济大学
●河海大学
□短评
迈向“原始创新”
根据模式的不同，创新可分为“原始创新”、“集成创新”和“引进消化吸收再创新”，分别以美国、日本和韩国为代表。后发国家往往会采取“集成创新”和“引进消化吸收再创新”的方式，追赶世界先进技术的潮流。
回顾我国的桥梁发展，上世纪80年代走的是“学习和追赶”之路，90年代走的是“提高与紧跟”之路。依靠“集成创新”和“引进消化吸收再创新”，我国桥梁跨度逐渐突破了400米（南浦大桥）、600米（杨浦大桥）、800米（虎门大桥）、1000米（江阴长江公路大桥）等“关口”。短短二三十年，我国桥梁发展追赶上了世界步伐，冲进了世界桥梁大国的“第一阵营”。
21世纪，中国桥梁逐渐步入“创新与超越”之路。今天，在世界尚未有先例可循的情况下，我国率先掌握了“多塔连跨”悬索桥的成套技术，实现了桥梁结构体系的“原始创新”。可以说，面对新困难、新挑战，中国的桥梁技术迈向了“原始创新”阶段，已从当年的“技术输入国”变成了名副其实的“技术输出国”。钱民峰