新结构体系的探索——藤州浔江大桥总体设计与技术创新

藤州浔江大桥是世界首座独塔空间缆斜拉-悬吊协作体系桥梁，也是平南-岑溪高速关键控制性工程，大桥位于梧州市藤县天平镇大木村和藤县蒙江镇平田村附近跨越西江干流浔江段，全长1604m。主梁采用扁平钢箱梁，跨径布置为2×638m；采用空间主缆，缆跨布置为2×730m，索塔位于浔江中央，过渡墩、锚碇均位于岸上。针对大跨径独塔空间缆斜拉-悬吊协作桥结构体系，提出了合理成桥状态确定方法，攻克了静动力受力协调困难问题；首次研发空间缆高效纺丝成套装备及猫道自适应技术；首次在拉吊区应用纤维复材智能拉吊索技术。藤州浔江大桥的建设在新结构体系、新施工工艺及智能拉吊索应用方面具有重要示范意义。

柳州-平南-岑溪高速公路（平南至岑溪北段）简称平岑高速，是《广西高速公路网规划（2018～2030）》的联5线，项目全程在梧州市藤县和岑溪市境内，项目起点设太平南枢纽接梧柳高速，终点设新塘枢纽接包茂高速。

藤州浔江大桥是平岑高速在梧州市藤县境内跨越浔江的一座特大桥。项目采用双向四车道高速公路设计标准，设计行车速度120km/h，汽车荷载采用公路-Ⅰ级，设计基本风速26.3m/s，桥址区地震基本烈度为VI度，主桥设计洪水频率1/300，桥位现状通航等级为Ⅱ级，规划为Ⅰ级，桥梁设计基准期为100年。项目建成后的效果如图1所示。

图1 藤州浔江大桥效果图

藤州浔江大桥于藤县天平镇大木村和藤县蒙江镇平田村附近跨越西江干流浔江段，桥址距离下游藤县水位站为16.2km，距离下游长洲水利枢纽为51.7km。桥址位于河道微弯段的下游过渡段，工程所在断面常水位时河床宽约1.21km，水流平缓。河段两岸均为自然岸坡，无堤防。

桥址区跨越丘陵斜坡及浔江，桥址区丘陵坡表覆盖层以残坡积粉质黏土为主，厚度较小，局部全风化基岩出露，中风化埋深较深（约50m）；河床表面卵石层较薄（0-0.5m），部分区域中风化基岩裸露，下伏基岩为砂岩，物理力学性质良好，饱和抗压强度标准值45.2MPa，岩石强度高为理想的桩端持力层。

藤州浔江大桥于梧州市藤县江镇泗洲岛下游跨越浔江，上距郁江桂平航运枢纽约105.5km、黔江在建大藤峡水利枢纽约113.0km，下距长洲水利枢纽约为51.5km。桥区河段河床稳定，水流平顺，航道水深充裕，河床稳定，附近无易变的洲滩，桥址上、下游安全距离范围内无碍航滩险、分流口、汇流口，无船台滑道等临河建筑物，本工程主桥通航净宽尺度见表1。

针对本项目的涉水结构物个数，桥墩基础原则如下：若水中设置1个桥墩，则承台应设置于水面以下；若水中设置2个及以上桥墩，则承台应埋置于河床面以下。本项目覆盖层较薄，承台埋置于河床以下将导致水下爆破施工难度大，考虑应尽量减少水中墩数量。

综合考虑地形、路线走向、通航、防洪、施工难度、工期、工程规模等因素，藤州浔江大桥在设计阶段提出三个方案：（1）主跨2×638m三塔斜拉-悬吊协作体系；（2）主跨2×638m三塔斜拉桥；（3）主跨2×638m独塔斜拉-悬吊协作体系。经过综合比较（表2），推荐采用主跨2×638m独塔斜拉-悬吊协作体系。

藤州浔江大桥为主跨2×638m独塔斜拉-悬吊协作体系桥，缆跨布置为2×730m。索塔每侧设置20对斜拉索、22对普通吊索，过渡墩处设限位吊索，斜拉索呈扇形布置，吊索、斜拉索梁上纵向锚固间距为16m，交叉段间距8m交错布置，单跨斜拉索区主梁长度327m，吊索区主梁长度383m。主桥采用纵向限位体系，主梁在索塔处设置横向抗风支座和纵向限位支座，主梁和索塔通过外伸牛腿实现纵向限位，索塔纵向挡块同时作为横向支座垫石，主梁与过渡墩之间设置竖向支座和横向抗风支座。桥型总体布置如图2所示。

图2 桥型布置图（单位：cm）

藤州浔江大桥钢箱梁全宽32.4m，高3.0m，顶板宽26.8m，平底板宽16.5m，单侧斜底板宽5.15m。吊索通过销轴锚固在箱梁两侧的耳板上，主梁吊点横向间距28m；斜拉索锚固在箱梁两侧的锚箱上，主梁锚点横向间距27.36m。吊索区和斜拉索区标准梁段长16.0m，设置五道横隔板，间距3.2m。标准顶板厚度18mm以降低各疲劳细节的活载应力幅，同时采用端部加厚的热轧U肋，进一步加大U肋与桥面板的焊缝熔深和焊喉尺寸，提高钢桥面板疲劳性能。顶板与U肋间采用双面坡口角焊缝连接，要求熔透率100%。主梁标准横断面如图3所示。

图3 主梁标准横断面（单位：mm）

藤州浔江大桥钢箱梁采用新型“紊流制振”风嘴，可大大提高了结构的抗风稳定性。根据抗风专题研究成果，藤州浔江大桥在成桥状态工况下+5°攻角出现扭转振幅峰值为0.024°的扭转涡振现象，同时出现竖弯振幅峰值为152.632mm的竖弯涡振现象，扭转振幅峰值和竖弯振幅峰值均满足其对应的限幅值，其余各个攻角均未出现涡振现象。成桥状态主梁在-5°、-3°、0°、+3°、+5°五个风攻角试验工况下，颤振临界风速均大于颤振检验风速。钢箱梁三维效果如图4所示。

图4 藤州浔江大桥钢箱梁三维图

藤州浔江大桥共设两根空间主缆，索塔处主缆中心距为8m，锚碇处主缆中心距为42m。每根主缆由30根索股组成，其中1～22号索股由224根钢丝组成，23～30号索股由240根钢丝组成，其中主缆用钢丝为直径7.00mm、公称抗拉强度为1770MPa的高强度镀锌铝钢丝。采用直径7mm的钢丝，可使纺丝数量减少约一半，大幅提高了施工工效。主缆横断面如图5所示。

图5 主缆横断面（单位：mm）

主缆在索夹内截面设计空隙率19％，索夹外21％。主缆索夹内直径为644mm，索夹外直径为652mm。主缆采用空中纺线法（AS法）制作及架设，当牵引钢丝达到一股的设计数量时，利用圆形整形器整理成圆形索股，用强力纤维带间隔3m包扎定型。

索塔每侧布置20对斜拉索，全桥共4×20=80根斜拉索，最长斜拉索约362m，根据索力分为LPES7-109、LPES7-127、LPES7-139、LPES7-163、LPES7-199、LPES7-313共6种规格。斜拉索抗拉强度为1770MPa。

吊索分为四类，分别为：位于普通区域的普通吊索、位于短吊索区域的加强吊索Ⅰ、位于交叉区边缘的加强吊索Ⅱ以及位于限位墩处的限位吊索。为适应空间转角，所有吊索均设置关节轴承，吊索索体均采用平行钢丝形式吊索，钢丝直径7mm，钢丝强度1770MPa。普通吊索为1根7-91，加强吊索Ⅰ为2根7-163布设，加强吊索Ⅱ为1根7-163布设，限位吊索为3根7-187布设。吊索与索夹为销接式连接，其中交叉区吊索设置调节套筒构造，提供±25cm调节量。

主索鞍采用常规铸焊结合式，为便于吊装，顺桥向分成两块。为适应空间缆转角，鞍体底部格栅混凝土设有空间角度。索鞍横向转动3.4°以匹配主缆空间线形。由于主缆采用AS法施工，索股钢丝数量大，采用224丝和240丝两种规格，索鞍槽路宽，为提高隔板刚度，隔板厚度为18mm。主索鞍三维构造示意如图6所示。

图6 主索鞍构造示意

散索鞍采用滚轴式散索鞍，由鞍体和底座组成。鞍体采用铸焊结合的混合结构，鞍槽部分是铸钢件，鞍体部分为板焊件并与鞍槽焊接。鞍槽内设竖向隔板，鞍槽顶部设置三道压紧梁，以压紧鞍槽内的主缆，增加主缆与鞍槽间的摩阻力，并方便索股定位。散索鞍下部设置滚轴、底座和底板，以完成主缆竖向分力的传递。散索鞍三维构造示意如图7所示。

图7 散索鞍构造示意

主塔为钢筋混凝土结构，塔身采用C55混凝土。索塔采用无横梁的A型塔，主梁在索塔位置采用全漂浮体系，上、中、下塔柱均采用带凹槽的圆弧矩形截面，索塔总高度238.4m。索塔塔顶截面尺寸为14m×10m（横桥向×顺桥向），分叉点截面尺寸8.478m×10.181m，塔底截面尺寸12m×12m。

索塔基础采用群桩基础方案，塔柱下侧设置带圆弧倒角的矩形承台，承台高4m，横桥向尺寸26.6m，纵桥向尺寸17.8m，单个承台下设10根直径3.5m桩基础，桩间距纵桥向6.06m，横桥向7.0m，桩长为21.7m，均按嵌岩桩设计。承台上设置系梁，系梁长75.2m、高7m、宽13m。索塔及基础构造如图8所示。

图8 索塔及基础一般构造（尺寸单位：cm）

锚体采用框架重力式锚碇结构，根据地形条件限制和结构的受力需要，选择强风化砂岩作为持力层。锚碇总长66m，总宽65m，底面设4.7%纵坡，前部高44.5m。锚体后部与开挖边坡一致，设1∶0.5斜坡。主缆IP点标高87.500m。主缆为空间缆结构，IP点横向间距42m，锚体与主缆方向相同，相对于路线中线旋转1.8°。锚碇构造如图9所示。

图9 锚碇一般构造（单位：cm）

每根主缆在锚碇端由30个锚固单元组成的预应力锚固系统锚固，每个锚固单元由二套拉杆组件、一块连接垫板、一块辅助垫板和四套预应力钢绞线锚具组成。单套预应力锚具采用 3×GJ15EB-5规格预应力钢束锚固。

（1）首次采用独塔、空间缆、斜拉-悬索协作体系桥梁。针对新的结构体系带来的技术难题，开展了专项研究，提出了协作体系桥分离体系设计的合理成桥状态确定方法，即将协作体系拆分为斜拉子体系和悬索子体系，分别确定合理成桥状态后再按一定原则进行组合、微调，并且编制了专用分析程序SPCC，经过藤州浔江桥测试，精度较高。

（2）针对新桥型缺乏刚度控制标准的问题，建立了一整套关于公路斜拉-悬索协作桥刚度指标体系及评估标准，提出了基于体系拆解的刚度评价方法，将独塔斜拉-悬索协作桥拆解为“三塔斜拉桥”+“单跨吊悬索桥”，分别进行刚度评价；并基于元胞自动机理论及阵型叠加法，自编开发了公路桥风-车-桥耦合振动分析程序，评价了各刚度下行车的舒适性与安全性，据此确定合理的刚度取值；并通过商业软件验证了自编程序的可靠性。

（3）针对斜拉-悬索协作体系桥交叉区拉吊索复杂的受力状态，提出了智能拉吊索控制技术，通过在交叉区斜拉索和吊索上布设点式光纤光栅传感器、分布式弱光栅阵列感测光缆、基于纤维复材的准分布式光纤光栅，实现交叉区拉吊索的实时智能监测，随时反馈其运营环境及受力状态，形成结构-监测一体化技术。

（4）国内尚未有采用AS法进行空间主缆实施的同类桥梁案例，尤其针对7mm大直径钢丝，因此本项目首次研发了大直径空间缆高效纺丝成套装备及猫道自适应技术，解决了空间缆塔顶在塔顶较大空间转角的问题，研发了7mm大直径高强钢丝等强连接工艺及设备，研发了480kg恒张力纺丝设备。高精度纺丝工艺及设备和猫道垂度自适应系统均得到了实桥验证，纺丝进度远超预期。

（5）大桥实现了BIM云智慧中心管理平台、空间缆AS法施工智能纺丝牵引系统、猫道垂度自适应调整系统、索塔一体化智能建造技术、索塔智能造雾养生系统、智能缆载吊装系统、全寿命周期桥梁状态智能监测系统、索导管智能定位机器人等“八大智造”，大大提升了大桥的施工精度和建造品质。

藤州浔江大桥采用主跨2×638m的独塔空间缆斜拉-悬索协作体系桥，作为世界首座独塔空间缆斜拉-悬索协作体系桥，在建造过程中面临新的结构体系及施工工法带来的挑战。针对上述问题，藤州浔江大桥开展了建设关键技术研究：针对大跨径独塔空间缆斜拉-悬吊协作桥结构体系，提出了合理成桥状态确定方法，攻克了静动力受力协调困难问题，建立了一整套关于公路斜拉-悬索协作桥刚度评价体系；针对过渡区拉吊索复杂的受力状态研发了拉吊索智能控制技术，形成基于纤维复材智能拉吊索的结构-监测一体化技术；创新的采用大直径钢丝智能化AS法架设主缆，首次研发了空间缆高效纺丝成套装备及猫道自适应技术。藤州浔江大桥在新结构体系、新施工工艺及智能拉吊索应用方面取得的成果保障了浔江大桥的安全建设，对后续大跨径斜拉-悬吊协作体系桥梁的建设具有参考和借鉴意义。