一座大跨徑斜拉-懸索協作體系橋梁的結構特色與關鍵技術

王二強，劉 釗

（東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

1 工程概況

土耳其博斯普魯斯海峽三橋（簡稱博三橋），亦稱亞武茲·蘇坦·斯萊姆橋（Yavuz Sultan Selim Bridge），橋位近鄰黑海出口，如圖1 所示。它是一座主跨1408 m 公鐵兩用的斜拉-懸索協作體系橋梁，總長2260 m，A 字形混凝土塔高322 m，采用沉井基礎。橋面布置包括雙向8 車道及中央2 線鐵路。材料用量為混凝土9.6 萬方、鋼結構5.7 萬噸、纜索2.8萬噸，造價8 億美元，于2016 年8 月竣工通車［1］。

由于跨越博斯普魯斯海峽的前兩座大橋均為懸索橋，博三橋從景觀上要求相協調，且抗震抗風要求高（抗震設防按照三水準設計，使用狀態設計平均風速為46.81 m/s），對該橋的設計和建造提出了嚴峻的挑戰。該橋由瑞士Jean-Fran?ois Klein（項目負責人）和法國Michel Virlogeux 設計。

斜拉-懸索協作體系的歷史可追溯到十九世紀，羅布林在美國建造的早期懸索橋中，基本上都采用了斜向拉索來增加結構剛度，但由于其時對超靜定結構求解困難，并未計算斜拉和懸索體系的協同受力，故不能算作真正意義上的斜拉-懸索協作體系；1930s 德國學者迪辛格明確提出該體系的構想［2］，但是迄今實踐尚少。博三橋是首座建成的現代大跨徑斜拉-懸索協作體系，因其新穎高效的結構設計，獲2018 年度IABSE 杰出結構大獎。

2 總體設計

橋梁主跨1408 m，在其斜拉-懸索協作體系中，斜拉部分采用了自錨與地錨的組合方式，主纜吊索僅吊掛主跨的中央區段，并與斜拉索部分重疊。橫橋向看，兩根主纜與斜拉索雙索面布置在4 個縱斷面上，懸索吊索分布于橋面板縱軸線兩側，間距13.5 m。博三橋總體布置如圖2 所示。

設計規范主要依據Eurocode 和美國AASHTO橋規，荷載標準也考慮了土耳其的特殊荷載要求。主要結構幾何參數：主纜立面矢跨比為1/6.5，不同于一般懸索橋的范圍（1/9～1/11）［3］；主梁高度（中心高度5.5 m）與主跨（1408 m）之比為1/256；吊桿段主梁長度792 m，占主跨1/2；主纜的邊跨/中跨比為1/3.8；斜拉索在邊跨與中跨主梁上的布置長度比為0.625。

全橋支座約束主要布置在邊跨混凝土箱梁部分，圖3 為其立面和平面布置。支座有三類：1）摩擦擺減隔震支座（平面圖三角形位置）；2）自由滑動盆式支座（平面圖圓圈位置）；3）橫向限位支座（平面圖方框位置）。

本橋的錨碇與邊跨布置非常有特色，由于橋位條件限制了邊跨長度，為平衡中跨荷載，將邊跨結構分為混凝土連續箱梁、地梁和錨碇三部分?；炷吝B續箱梁由于貼近地面，設了1 個橋墩，另有4 個支點直接支承在擴大基礎上；地梁下方設置3 個齒塊，并與錨碇現澆成整體。連體的地梁與錨碇，錨固了5 對斜拉索和主纜，既形成了部分地錨式斜拉結構，巧妙地擴大了重力式錨碇的范圍，減少了分體錨碇的配重和體積。

3 構造設計

3.1 主纜與吊索

跨中兩根主纜的橫向間距13.5 m，直徑723 mm，每根由113 根索股組成，每根索股包含127絲Ф5.4 mm 平行鋼絲，標準強度為1860 MPa［1］。吊索共34 對，分布在跨中792 m 范圍內，其中11 對吊索位于兩側250 m 斜拉懸索過渡區。每根由109～367 絲數量不等的Ф7 mm 鋼絲組成，標準強度為1770 MPa。

3.2 加勁梁

中跨加勁梁選用流線型鋼箱梁，正交異性板橋面，中心高度5.5 m，寬度58.5 m，橫斷面布置如圖4所示。由于邊跨較短，采用預應力混凝土箱梁，增加配重，每隔15m 設置一道橫隔板，截面如圖5 所示。鋼混結合段位于主塔中跨側24 m 處。

3.3 斜拉索

每個塔柱上布置44 對斜拉索，每束由65～151根數量不等的1960 MPa 鋼絞線組成，斜拉索最長為597 m。索體采用法國弗萊西奈公司生產H2000 型鋼絞線斜拉索，其錨固系統如圖6 所示。

3.4 主 塔

A 字形塔頂設置兩條主纜的索鞍，斜拉索錨固在上塔柱特制鋼錨箱上。塔肢底部距離70 m，頂部距離8 m［4］。主梁穿過下橫梁上方，橋塔布置如圖7所示。

為了提高A 字形塔柱的穩定性，其截面形式為帶倒角的三角形空心截面，橋塔橫斷面如圖8所示。

橋塔壁厚t隨高度升高而減小，塔底處為1.5 m，塔頂處為0.75 m。兩支腿的傾斜角度為橋面板側為84°，外側為96.75°，如圖9 所示。

為了增強兩個內傾塔肢的整體性，在+60 m 高度處設置預應力混凝土下橫梁；在塔柱上部+266 m和301 m 高度處，設有兩個X 形連接鋼支撐（如圖10所示），最后用蝴蝶形鋼結構包裹（如圖11 所示）。

為增強塔肢的自身剛度，在其三角形空心截面內不同位置處設置了多道橫隔板。同時，也可為施工過程兩塔柱間臨時支撐提供支撐點。斜拉索通過預埋在塔柱中的鋼錨箱，錨固在橋塔上。

3.5 邊跨構造

邊跨構造包括混凝土主梁、地錨梁、錨碇三部分，其中混凝土箱梁長度為284 m，錨碇為51 m，地錨梁為94 m，地錨梁與錨碇連為整體，剖面如圖12 所示。地錨梁底部設置齒塊，以平衡主纜和斜拉索的部分水平分力，從而減小錨碇尺寸和邊跨墩柱數量，降低工程造價。斜拉索錨管沿地錨梁間隔14.4 m。

3.6 支 座

本橋位于歐亞地震帶，屬于地震高發地段，故抗震要求高，設計選用摩擦擺減隔震支座，其工作原理如圖13所示。傳統摩擦擺支座的滑動面為球形曲面，會產生較大位移。而作為公鐵兩用橋梁，縱橫向位移限定嚴格，在既定的荷載及位移條件下，通過調節滑動面曲率半徑很難滿足要求，故研發了一種圓柱面的摩擦擺支座［5］，圓柱面摩擦擺支座組件示意如圖14所示。

通過設計分析，支座所需最大豎向承載力為125MN（12500 t），縱向最大位移764 mm（如圖15所示）。

當摩擦擺支座曲率半徑一定時，通過調節圓柱面長度即可滿足豎向承載力要求，以此減小支座重量。同時，圓柱形下座板能夠限制橫向位移，避免支座出現傾斜、橫向偏心受壓等問題。部件化支座簡化了生產、運輸、安裝和更換工作。

當主梁產生縱向位移時，摩擦擺支座會引起主梁上升，在兩側橋臺布置雙向滑動盆式支座，用于提供豎向拉力。由風荷載、地震等產生的橫橋向力，由布置在橋塔和橋臺處的橫向限位支座承擔。

3.7 斜拉索固定轉向器

為使加勁梁上錨固套筒能夠適應斜拉索端部的角度變化，在其上部設置固定轉向器。該轉向器需既能滿足斜拉索彎曲條件，又能抵御斜拉索產生的橫向力（約100 t）。拉索采用弗萊西奈H2000 型內置固定轉向器，由6 個重型楔塊組成，通過特制材料和曲率導向，可適應50 mrad 的轉角，并為斜拉索提供縱橫向自鎖功能。斜拉索固定轉向器及導向原理如圖16 所示。

3.8 斜拉索阻尼裝置

根據抑振要求，邊跨和主跨1#～8#斜拉索垂直方向附加阻尼約為4%，對9#～22#斜拉索為6%，橫向為垂向的70%。這些要求轉化為Scruton參數介于10～17 之間［1］。根據斜拉索長度，要求在出現第2～4 階振動模態時，阻尼振幅不超過10 mm。據此，設計制作了一種外置式液壓阻尼器，其外觀如圖17所示。

為適應斜拉索的較大轉動和位移，阻尼器的液壓活塞行程為±920 mm，且無觸發效應。由于預留給外置阻尼器的空間狹小，故將阻尼器底座與水平向液壓活載中部進行連接。

4 施工方法

4.1 總體施工方案

總體施工順序為：塔墩基礎、錨碇、地錨梁→主塔、橋墩、邊跨混凝土箱梁→懸拼主跨斜拉部分鋼箱梁，同步安裝斜拉索→采用預制平行鋼絲索股法（PPWS）架設主纜［6］→吊裝懸吊部分鋼箱梁→橋面系。鑒于主塔和主梁施工技術的復雜性，下面詳述之。

4.2 主塔施工

A 字形橋塔施工中，塔肢間先后設置5 道臨時支撐。208 m 高度以下采用滑模系統施工，在此高程以上包括拉索區和主纜錨固區，采用自動爬模系統施工［4］。

滑模系統由三個工作平臺組成，由上到下分別為鋼筋綁扎平臺、混凝土澆筑平臺、檢查維修平臺。整個平臺由多個液壓千斤頂，頂升提升架進行上移?；Ｏ到y如圖18 所示。

為了保證橋塔施工的精度，防止模板繞軸線扭轉，在塔柱空腔內安裝一個18 m 高的導向架，其軌道系統固定在塔柱混凝土表面，與滑模系統鉸接，導向架位置如圖19 所示。塔柱壁厚變化通過滑模系統的模板對拉螺栓進行調節。這種滑升模板可連續作業，無模板接縫，混凝土表面平整光滑，每天混凝土澆筑高度約為2 m，在配合比設計時，需盡量減小混凝土自身黏性和模板與混凝土間的摩擦力。

自動爬升系統分為6 層，上面兩層用于鋼筋綁扎，中間兩層用于混凝土澆筑，下面兩層用于混凝土的檢查維修。施工過程中，爬模系統通過預埋的爬錐進行爬升。在爬升中，整個系統分成5 個模塊，可通過各自獨立的液壓千斤頂提升。爬模系統模塊分割如圖20 所示。因混凝土強度及齡期要求，1 個循環周期約為5 天。

4.3 主梁施工

4.3.1 邊跨混凝土梁及錨碇施工

邊跨預應力混凝土箱梁分6 個節段，采用滿堂支架現澆。錨碇混凝土分25 個節段間隔澆筑，邊跨地錨梁分3 個節段施工。

4.3.2 斜拉段鋼梁施工

在橋塔兩側500 m 范圍采用節段懸臂施工，駁船運送每個節段（長24 m，約825 t），起重機吊裝就位，再安裝相應的斜拉索。最大懸臂階段（考慮10年重現期風速）和正常使用極限狀態下的主梁彎矩包絡如圖21 所示。由圖可知，主梁的施工階段彎矩均小于運營階段。

4.3.3 懸吊段鋼梁施工

不同施工方法與架設順序，將對結構內力、線形及工期產生很大影響。下面對主梁懸吊節段的三種施工方案進行比選［7］。

（1） 方案1

方案1 為主梁節段由跨中向兩側逐段吊裝。隨著吊裝節段的增多，主纜中央高程逐漸下降，最終接近設計線形，施工步驟如圖22 所示。

該方案能使懸臂施工和主纜懸吊施工同時進行，大幅度縮短工期。但由于主纜雙吊桿在橫橋向的間距較小，導致轉動慣量小，風荷載會引起主梁產生較大扭轉。各施工階段的主梁一階頻率及35 m/s風速下主梁扭轉斜率如表1 所示，這將造成鋼箱梁安裝連接非常困難，故該方案施工性較差。

表1 各施工階段的一階頻率及風速35 m/s 時主梁扭轉斜率

（2） 方案2

方案2 為主梁節段由兩側向跨中懸臂吊裝，吊裝過程中，21#節段與懸臂端鉸接，待所有節段吊裝完畢后，21#節段再與懸臂端焊接。21#節段與懸臂端的鉸接方式如圖23 所示，采用鉸接方式能夠有效降低施工過程中主梁彎矩。斜拉索、吊桿及主梁編號如圖24 所示。

在安裝最后節段時，自重作用下鉸位置的張開角為1.4%，風荷載作用下張開角變化為±1.7%，這樣，會引起鉸縫兩側鋼箱梁的撞擊。同時，采用該施工方案，21#節段吊桿的軸力大于自身允許值，需設置臨時吊桿。

（3） 方案3

方案3 為主梁節段由兩側向跨中懸臂吊裝，在主梁21#，22#節段設置臨時可調節吊桿，在吊裝其他節段時，可通過調整臨時吊桿的軸力來改善主梁和永久吊桿受力，待所有斜拉索、吊桿和主梁安裝完畢后，將21#，22#節段的臨時吊桿更換為永久吊桿。主跨懸吊段主要施工步驟如表2 所示。

表2 方案3 的主跨懸吊段主要施工步驟

綜合考慮結構受力、操作步驟、臨時設施費用和工期后，選擇了方案3。

5 專題試驗研究

5.1 抗風性能

為評估裸塔、主梁最大懸臂、正常使用等狀態的抗風穩定性及位移，米蘭理工大學開展了1/180 縮尺模型風洞試驗，如圖25 所示。試驗結果表明，在60 m/s 風速下仍具有良好的氣動穩定性［8-9］。

5.2 斜拉索力學性能

5.2.1 拉伸試驗

斜拉索樣件由127 根1960MPa 級鋼絞線和弗萊西奈H2000 型錨固系統組成，拉伸試驗由美國芝加哥建筑技術實驗室承擔，最終破壞荷載約為36 MN。

5.2.2 單根鋼絞線疲勞試驗

針對斜拉索在轉向器位置可能存在的疲勞問題，開展了單根鋼絞線彎曲疲勞試驗。對鋼絞線施加125 MPa 的軸向應力幅和12 mrad 的轉角振幅，并使二者峰值同步，驗證了轉向器構造的可行性。

5.2.3 斜拉索足尺模型試驗

制作109 根鋼絞線成品拉索，包括索體、H2000錨固系統、轉向器、護套等，由德國不倫瑞克MPA 實驗室進行疲勞測試。施加設計軸向力并伴隨125 MPa 的應力幅和-3～+9 mrad 的轉角振幅。經200萬次循環荷載，成品試樣未出現裂紋和損壞。

5.3 液壓阻尼器的長期有效性

開展了大位移量液壓阻尼器的長效性試驗，模擬其真實位移、速度、阻尼力等參數條件，阻尼器液壓活塞累計行程400 km 時，其阻尼系數仍保持穩定，且能夠適應-20～60 ℃的溫度變化。

6 結 語

博斯普魯斯海峽三橋為世界上第一座跨徑超千米的斜拉-懸索協作體系橋梁，融合了多項創新技術，其設計特色與關鍵技術主要有：

（1）為適應斜拉-懸索協作體系的受力需要，在主跨和邊跨采用了外形一致的鋼箱梁和混凝土箱梁截面，在縱立面設置了250 m 的斜拉索與吊桿重疊過渡段，在邊跨因地制宜地采用了自錨和地錨相結合的形式。提高了全橋結構剛度，并實現了主梁剛度沿縱橋向的平順過渡。

（2）A 字形塔柱便于主纜和斜拉索分成4 個索面布置，倒角的三角形截面造型美觀，空心塔肢可以通過滑模和爬模兩種方法分別進行下塔柱和上塔柱的施工，經濟合理且穩定性好。

（3）在抑制位移及減隔震方面，為減小重載下主梁的縱向位移并兼顧橋梁減隔震作用，采用了改進型圓柱面摩擦擺支座。另外，采用大行程外置阻尼器抑制拉索振動。

（4）為減輕主梁在施工中的不利受力狀態，在斜拉與懸索過渡區設置了臨時吊桿，在中央懸吊段的吊裝過程中，通過調節臨時吊桿內力改善吊桿和主梁內力。