張立奎，徐一超

（1.安徽省高速公路控股集團有限公司，安徽 合肥 230051；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 概述

懸索橋以其受力性能好、跨越能力大、輕型美觀、抗震性能好而成為千米級主跨橋梁的首選橋型。在寬闊深水的江河和海域，多塔多跨連續(xù)懸索橋從技術上和經(jīng)濟上都是極為合理的選擇。

早在上世紀30年代，建設美國舊金山-奧克蘭海灣大橋時，就曾采用類似的設計方案，采用在2座懸索橋中間共用錨碇的方式滿足剛度的要求。在此之后，國外多個著名海峽跨海工程中都曾出現(xiàn)多塔懸索橋的設計方案，如意大利墨西拿海峽中提出的雙主跨1 750 m方案，直布羅陀海峽中提出的多種多塔多跨度懸索橋方案。與此同時，國內(nèi)的學者和橋梁大師也在對多塔懸索橋進行深入的探索研究，并在馬鞍山長江公路大橋和泰州長江大橋項目建設上得到實施。

與兩塔懸索橋相比，三塔懸索橋的設計難點是中塔的技術處理，需合理選取中塔的結構形式，系統(tǒng)而協(xié)調(diào)解決三塔懸索橋關鍵技術問題以實現(xiàn)總體設計目標。三塔懸索橋在設計階段都對中塔進行了充分的理論論證和有限元計算分析，如鄒科官等［1］分析了中央扣對三塔懸索橋自振特性的影響；王萍等分析了多塔懸索橋的靜力和自振特性；阮靜［2］等研究了三塔懸索橋中塔結構選型問題；梁鵬等［3］研究了三塔懸索橋靜動力特性與中塔選型。隨著國內(nèi)主跨千米級三塔懸索橋泰州大橋和馬鞍山大橋的建成通車，以這2座橋為原型國內(nèi)諸多學者對該類懸索橋進行結構分析或參數(shù)分析，但是對建成后中塔的正常工作狀態(tài)評估和安全性分析還很匱乏。

為了保障大型橋梁的建造和服役安全，馬鞍山長江公路大橋采用了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以較全面地監(jiān)測環(huán)境荷載、結構振動和局部靜動力狀態(tài)，把握橋梁結構建造與服役全過程的受力與損傷演化規(guī)律。本文基于健康監(jiān)測實測數(shù)據(jù)首次對三塔懸索橋正常服役狀態(tài)下中塔的位移狀態(tài)特性展開研究，尋求與傳統(tǒng)兩塔懸索橋的力學行為差異。

2 工程概況

馬鞍山長江公路大橋位于安徽省東部，全線總里程36.14 km，按全封閉、全立交6 車道高速公路標準設計，設計車速為100 km/h，設計荷載為公路—I級。左汊主橋橋型方案為主跨2×1 080 m 三塔兩跨懸索橋，主橋凈寬33 m，立面布置圖見圖1，其中左汊懸索橋中塔采用鋼筋-混凝土疊合塔，塔柱全高178.8 m，見圖2。右汊主橋為主跨2×260 m 三塔斜拉橋，為國內(nèi)首座拱型塔三塔連跨斜拉橋。

圖1 馬鞍山長江公路大橋左汊懸索橋

圖2 馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔立面圖、側面圖

3 關鍵技術問題

在設計過程中，對三塔懸索橋的靜力、動力特性進行深入研究，對各種荷載、各種工況下的結構受力變形特征進行分析，找出控制性的工況和結構之間的約束關系，探索全面解決技術問題的最佳途徑。研究表明三塔懸索橋結構特征與兩塔懸索橋的不同點在于：主纜與主塔間約束關系不同，即主纜對中塔塔頂?shù)募s束較兩塔懸索橋弱；加載工況不同，理論上會出現(xiàn)一個主跨滿載、一個主跨空載的極端工況；習慣用來反映橋跨結構剛度的撓跨比（撓度/跨度）的物理意義不同。這些不同點也形成了三塔懸索橋設計難點，其中關鍵點是中塔的技術處理。橋梁設計過程中合理選取中塔的結構形式是解決三塔懸索橋的關鍵，為此需滿足以下幾方面要求：橋跨豎向剛度合適，加載跨的豎向撓度在一定范圍之內(nèi)；最不利工況作用下，由活載引起的橋面縱坡控制在合理范圍；主纜與鞍座間抗滑移問題得到較好的解決，主纜鍍鋅鋼絲與鞍座鞍槽間的摩擦力足夠保障抗滑移穩(wěn)定，無需大量增加其它附屬措施和采用不成熟或不可靠的技術；中主塔本身的強度安全有充分保障，中主塔在大橋服務期內(nèi)不會發(fā)生疲勞損害；中塔的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，包括縱向與橫向穩(wěn)定；中主鞍座與中塔間的連接不難實現(xiàn)（連接的難易程度與中塔兩側不平衡力以及中塔采用的材料有關）；中塔及中塔基礎工程規(guī)模較小（基礎規(guī)模與中塔底部尺寸、塔底反力相關）。

上述目標相互制約，必須予以統(tǒng)籌考慮、協(xié)調(diào)解決，最終馬鞍山長江公路大橋三塔懸索橋中塔選用鋼筋-混凝土疊合塔。鋼筋-混凝土疊合塔剛柔相濟、剛度適中，上段鋼結構對變形的適應能力較強，且鋼結構強度高，滿足受力需要；下段為混凝土結構，養(yǎng)護不存在問題，且可以很好地防船撞，混凝土中可施加預應力，受力滿足要求。目前結合已經(jīng)建成的馬鞍山大橋，國內(nèi)學者對靜、動力特性進行了詳細地分析研究［4-6］。但是目前的研究還是基于建模分析，與實際工程還有出入。本文首次對建成后的三塔兩跨懸索橋的中塔運營狀態(tài)進行分析。

4 三塔懸索橋中塔狀態(tài)分析

4.1 監(jiān)測測點布置

馬鞍山長江公路大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)通過測量反映大橋關鍵部件的環(huán)境激勵和結構響應狀態(tài)的相關信息，實時監(jiān)測大橋的工作性能和評價大橋的工作條件，以保證大橋的安全運營并為大橋的養(yǎng)護維修提供科學依據(jù)。系統(tǒng)測點在左汊橋和縣一側塔頂、馬鞍山一側塔頂各1個，中塔塔頂2個，左汊橋和縣一側主梁1/2處2個（上下游各1），左汊橋馬鞍山一側主梁1/2處2個（上下游各1），監(jiān)控中心基站1個，共9個（具體測點布置圖見圖3）。實時監(jiān)測大橋的幾何線形及其變化，研究索塔與主梁撓度變化與環(huán)境變化(風、溫度、交通荷載)的關系，為大橋工作狀態(tài)動態(tài)顯示及結構健康評估提供資料。

圖3 馬鞍山大橋左汊懸索橋GPS監(jiān)測測點布置圖

4.2 塔頂位移時程分析

系統(tǒng)實測得到的馬鞍山長江公路大橋左汊懸索橋三塔水平向位移的位移時程曲線見圖4。由圖4可以看出，同一時間段內(nèi)，南北塔順橋向位移變化范圍在-0.05~0.06 m，中塔順橋向變化范圍在-0.2~0.25 m，中塔上下游橫橋向位移變化范圍在-0.06~0.08 m。通過對實橋三塔水平向位移的分析比較說明，對于三塔懸索橋，在運營期內(nèi)需要加強對中塔順橋向結構特性的監(jiān)測分析。同時結合有限元分析，考慮到馬鞍山大橋采用加勁梁與中塔固結的塔梁固結結構體系，固結體系三塔兩跨懸索橋在活載單跨滿布時的整體位移如圖5所示，縱向固定約束減少了加勁梁縱向位移，中間塔縱向彎曲變形遠大于邊塔，加勁梁撓度中間塔處幾乎為零，滿載側下?lián)希蛰d側上撓，最大值都位于跨中附近，偏向于中間塔。

同時通過文獻［6］可知活載最不利影響線加載作用下中塔塔頂縱向最大偏位（位移）為1.367 m，縱向偏位與塔高比值為1/123。而基于GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得的運營期內(nèi)中塔塔頂順橋向最大位移為0.212 m，不到理論最大縱向偏位的15%。本文認為造成這一結果的原因是：（1）實際通行車輛還遠沒達到理論計算中的滿載量；（2）理論最大偏位量是在極端工況（一個主跨滿載、一個主跨空載）下得到的，正常運營期內(nèi)不會出現(xiàn)這種情況；（3）馬鞍山大橋剛建成不久，各塔梁結構穩(wěn)定，塔本身的強度安全有充分保障。因此，只有通過對中塔縱向位移進行長期的監(jiān)測和分析，比較各年度中塔縱向偏位的變化趨勢，推衍出中塔剛度衰退的規(guī)律才能對于馬鞍山大橋右汊懸索橋中塔穩(wěn)定性有較為科學直觀的評定。

圖4 馬鞍山大橋左汊懸索橋三塔水平向位移時程曲線圖

4.3 塔頂累計位移分析

相關研究表明，累計位移可作為判定在橋梁在運營期內(nèi)中塔不因疲勞而損壞的重要依據(jù)之一［7］，中塔順橋向累計位移監(jiān)測可以為中塔的疲勞特性分析、穩(wěn)定性分析和安全評定提供理論基礎。

圖5 活載單跨滿布時固結體系三塔兩跨懸索橋結構整體位移

圖6 為馬鞍山大橋左汊懸索橋三塔順橋向日累計位移值示意圖（各塔位移采樣頻率均為1Hz）。由圖6可以看出，對于三塔懸索橋，中塔順橋向日累計位移遠大于南北塔，說明兩塔懸索橋和三塔懸索橋在中塔縱向剛度控制方面存在差異；相似環(huán)境狀態(tài)下，各塔順橋向變形的均勻性相對較好。

圖7 2014-12-15馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔順橋向變形與溫度對比

圖6 2014-12月中旬三塔塔頂順橋向累計變形

圖7 為2014-12-15馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔順橋向變形與溫度對比。從圖中可以看出，一天內(nèi)中塔順橋向變形“頭尾大、中間小”，溫度變化“先下降后升高”，順橋向變形與溫度變化之間相關性較差。分析其原因可能是由于一個主跨滿載、一個主跨空載導致；而中塔順橋向的位移變化，初步判斷是由于20：00~4:00通行車輛數(shù)目減少，大載重車輛比重較大所導致的，此結論還有待馬鞍山大橋疲勞車輛荷載譜進一步證實。

5 結論

（1）正常運營下，馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔的順橋向變形遠大于南北塔順橋向變形和中塔的橫橋向變形。

（2）三塔懸索橋中塔順橋向變形與溫度變化之間的相關性不明顯，分析認為順橋向變形與通行車輛有一定的相關性。

（3）對馬鞍山長江公路大橋中塔變形進行監(jiān)測，統(tǒng)計其累計變形并進行有效分析，有助于對橋梁主塔狀態(tài)作出科學評價，進而指導橋梁主塔的管養(yǎng)工作。

［1］鄒科官，王浩，梁書亭.中央扣對三塔懸索橋動力特性的影響［J］. 建筑科學與工程學報，2009，26（4）：49-53.

［2］阮靜，吉林，祝金鵬.三塔懸索橋中塔結構選型分析［J］.山東大學學報：工學版，2008，38（2）：106-111.

［3］梁鵬，吳向男，李萬恒，等.三塔懸索橋靜動力特性與中塔選型［J］.交通運輸工程學報，2011，11（4）：29-35.

［4］楊光武，徐宏光，張強.馬鞍山長江大橋三塔懸索橋關鍵技術研究［J］.橋梁建設，2010 （5）：7-11.

［5］唐賀強，張強，楊光武.馬鞍山長江公路大橋三塔懸索橋結構體系選擇［J］.橋梁建設，2011（1）：5-9.

［6］高康平，張強，唐賀強，等.馬鞍山長江公路大橋三塔懸索橋中塔剛度研究［J］.橋梁建設，2011（5）：1-5.

［7］張宇峰，承宇，傅斌,等.基于健康監(jiān)測實測數(shù)據(jù)的江陰長江大橋伸縮縫狀態(tài)分析與評定［C］∥全國既有橋梁加固、改造與評價學術會議論文集，2008：253-258.