文望青，李的平，2，严爱国，2，黄纳新，2

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院，武汉 430063)

1 项目概况

1. 1 建桥条件

珠海市区至珠海机场城际铁路二期金海特大桥跨磨刀门水道入海口，为了节省桥位资源、降低投资，珠机城际铁路与金海高速公路合建跨海大桥。磨刀门是西江的主要出海口门，水道水面宽度2.3 km左右，水道地形较平缓，天然水深8～12 m，线路与水流方向夹角为84°。桥址地处台风多发地区，平均每年1.3次，最多年份4次。场区为海积平原地貌，海滩前缘，第四系海陆交互相堆积层厚度约40 m，场区下伏基岩为燕山期侵入岩—花岗岩，σ0=1 000 kPa。

1.2 主要技术标准

(1)荷载标准：桥上通行双线城际铁路与6车道高速公路，设计行车速度铁路160 km/h，公路100 km/h。

(2)通航标准：规划为Ⅰ级航道，通航5 000 t级海轮。通航净宽度310.2 m，净高32 m，最高通航水位为2.94 m，最低通航水位为-0.54 m。

(3)抗风设计标准：设计基准风速取48.5 m/s。

(4)抗震设防标准：抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g。

1.3 桥型方案

根据通航影响评价结论，确定金海大桥跨磨刀门水道主通航孔跨径为3×340 m，又因受铁路设站、公路陆上接线控制，采用公铁同层布置[1]。

参照已建成的同类跨度桥梁，可行的桥型方案有斜拉桥、连续钢桁柔性拱[2-3]、钢桁拱[4]。结合本桥的建设条件：跨海、设计基准风速大、台风频发、多主跨等因素，考虑经济性、施工难度及施工过程抗风稳定性，确定采用四塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨度布置为(58.5+116+3×340+116+58.5) m，桥式布置如图1所示。

图1 主桥桥式立面布置(单位：m)

该桥是国内首座公铁同层合建多塔斜拉桥，桥塔采用四柱式钢塔，置于桥面中间；主梁采用挑臂式钢箱梁，由单箱三室钢箱梁与两侧挑臂组成，钢塔柱壁板与钢箱梁边箱腹板对应，斜拉桥锚固于边箱内，桥塔处断面布置如图2所示。

图2 主桥断面布置(单位：cm)

2 多塔斜拉桥的受力特点

和常规斜拉桥相比，多塔斜拉桥具有塔多联长的布置形式，其主要构件索、塔、梁受活载效应和温度效应的影响均会有所增大[5-8]。主要表现如下。

(1)随着索塔数量增加，多塔斜拉桥的中间塔两侧既无辅助墩和过渡墩，也没有端锚索，缺少了对主梁和索塔刚度的有效帮助，使已经是柔性结构的斜拉桥柔性更大，并使结构内力响应的活载影响线范围和幅度增大，导致多塔斜拉桥的主梁挠度、斜拉索疲劳应力幅和塔底内力比常规斜拉桥要大得多。

(2)由于主梁长度增大后，温度效应影响增大。对主梁和斜拉索来说，过大的温度变形不仅影响结构的合理性与安全性，也影响结构的适用性；对索塔而言，温度的变化会对边塔形成“拖拽”作用，温度效应处理不当将导致边塔塔底内力过大，增加索塔、基础等主要受力构件的设计难度。

3 多塔斜拉桥的结构体系

截至目前，国内外已建成多座公路多塔斜拉桥(仅统计4塔及以上)，其主要特征见表1。

通过对表1几座典型多塔斜拉桥的分析，改善多塔斜拉桥结构刚度及长联温度效应问题，主要从结构体系入手，有如下几种体系形式[9-10]。

(1)漂浮体系：希腊Rion大桥[11]采用的是全漂浮体系，并采用抗弯刚度大，抗推刚度小的四柱塔；浙江嘉绍大桥[12-13]采用双排支座半漂浮体系。

(2)双排支座梁式支承体系：法国米约高架桥及[14]南昌朝阳大桥[15]采用的是塔梁固结、墩塔分离的梁式支承体系。

(3)刚构-半漂浮体系：湖南赤石大桥[16]，中塔梁墩固结体系，两边塔采用塔墩固结、塔梁半漂浮体系。

其中，通过桥塔处主梁纵向设置双支点，对主梁受活载作用的竖向位移和转角位移加以约束，表现为塔梁“准固结”的受力方式。另外，设置双支点也在一定程度上相当于缩小了桥梁跨度，提高了主梁刚度，同时释放了长联的温度效应。

表1 已建成的公路多塔斜拉桥主要特征

4 金海特大桥体系研究

金海特大桥3×340 m斜拉桥为公铁合建桥梁，活载较大，对结构刚度要求高，采用何种结构体系提高结构刚度、减小温度效应及改善结构受力成为结构设计的关键。为此，在总结既有多塔斜拉桥(4塔及以上)经验的基础上，对以下几种结构体系进行比选。

体系一：半漂浮体系，塔墩固结，梁墩之间设支座，见图3。

体系二：刚构-半漂浮体系，两个中塔采用塔梁墩固结形式，边塔塔墩固结，梁墩之间设支座，见图4。

体系三：梁式支承体系，塔梁固结，墩梁分离，梁底纵向设双排支座，见图5。

体系四：刚构-连续体系，该体系为首次采用，两个中塔采用塔梁墩固结形式，两个边塔采用塔梁固结，墩梁分离，梁底纵向设双排支座，见图6。

图3 体系一：半漂浮体系

图4 体系二：刚构-半漂浮体系

图5 体系三：梁式支承体系

图6 体系四：刚构-连续体系

不同体系分析比较中，4个桥塔全部为钢塔，主梁为挑臂式钢梁，斜拉索规格相同；为减小固结体系下温度力效应，主墩采用双肢薄壁墩[17]，墩高约40 m，厚度3.6 m；双排支座纵向间距10.4 m；主墩基础均为20-φ3.0 m钻孔嵌岩桩。

(1)结构变形及刚度

从表2可以看出，刚构-连续体系与刚构-半漂浮体系结构刚度相当，刚度最大，梁式支承体系稍小，半漂浮体系最小。

表2 不同约束体系结构静活载变形及刚度对比

(2)梁、塔应力

不同约束体系主梁及桥塔应力见表3，边塔受力从大到小：半漂浮体系→刚构-半漂浮体系→梁式支承体系、刚构-连续体系(相当、下同)；边塔受力从大到小：半漂浮体系→梁式支承体系→刚构-半漂浮体系、刚构-连续体系；主梁受力从大到小：半漂浮体系→刚构-半漂浮体系、梁式支承体系、刚构-连续体系。

由此可见，采用刚构-连续体系时，主梁及桥塔综合受力最优。

表3 不同约束体系主梁及桥塔应力对比

(3)斜拉索索力(幅)

斜拉索索力(幅)计算结果见表4，4种约束体系拉索规格一致，均为PES(7)-223～451。

表4 不同约束体系索力(幅)对比

可以看出，不同约束体系下，斜拉索索力(幅)的变化规律与上述结构刚度变化规律一致。

(4)基础受力

从表5可以看出，4种体系中，中塔基底弯矩最大值水平相当；边塔基底弯矩最大值刚构-半漂浮体系最小，其余三者弯矩水平相当，刚构-连续体系及梁式支承体系中，承台底弯矩计入了支座摩阻力效应[18]。

表5 不同约束体系承台底弯矩对比 MN·m

对于本桥而言，4种约束体系中，半漂浮体系中主跨刚度最小、斜拉索应力幅大，劣势较明显，不予采用；刚构-半漂浮体系，结构刚度较大，且不需要大吨位支座，但由于本桥公铁平层布置、桥塔中置，该体系需在钢梁上开孔，使边塔穿过主梁后与桥墩固结，构造处理复杂，考虑桥塔与主梁之间需要预留一定间隙，桥面宽度需要进一步增加，因此也不宜采用；刚构连续体系，刚度条件稍优于梁式支承体系受力，且能减少8个大吨位支座[19]，经济性更好，因此推荐选用刚构连续体系。

综合分析，主桥结构体系推荐采用刚构-连续体系，即两中间塔塔梁墩固结(梁顶与四柱式钢塔固结，梁底与混凝土双壁墩固结，见图7)；两侧边塔塔梁固结、塔墩分离、设双排支座的结构体系，顺桥向双排支座间距10.4 m，每墩设竖向承载力10万kN和12万kN的支座各2个。

图7 中塔塔梁墩固结

通过动力仿真分析[20]，采用刚构-连续体系时，该桥的车桥动力性能如下。

(1)桥梁振动性能：在CRH6车组以速度80～200 km/h运行时，桥梁跨中横向和竖向振动位移最大值分别为0.169，59.263 mm，桥梁跨中横向和竖向振动加速度最大值分别为0.010，0.088 m/s2。桥梁竖向和横向振动加速度均小于规范规定的限值，桥梁的振动性能良好。

(2)列车行车安全性：在CRH6车组以速度80～200 km/h通过桥梁时，动车与拖车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，列车行车安全性满足要求。

(3)列车乘坐舒适性：在CRH6车组以速度80～200 km/h通过桥梁时，竖向舒适性和横向舒适性均达到“优”。

5 结论

多塔斜拉桥因塔、墩、梁构件较多，结构体系类型丰富多样，不同体系对结构的整体刚度、温度力均影响较大。结合金海桥的跨度规模、活载、刚度要求、桥面及塔梁之间布置等，在相同结构参数条件下，研究比选了4种结构体系：半漂浮体系、刚构-半漂浮体系、梁式支承体系以及刚构-连续体系，结论如下。

(1)刚构-连续体系与刚构-半漂浮体系结构刚度相当，挠跨比在1/750左右；梁式支承体系稍小，挠跨比为1/726；半漂浮体系最小，挠跨比为1/579。

(2)采用刚构-连续体系时，主梁及桥塔综合受力最优。半漂浮体系斜拉索疲劳应力幅最大，为189 MPa，刚构-连续等3种体系在150 MPa以内。

(3)4种体系中，中塔基底弯矩最大值水平相当；边塔基底弯矩最大值刚构-半漂浮体系最小，其余三者弯矩水平相当(计入支座摩阻力效应)。

(4)在构造上，刚构-连续体系比刚构-半漂浮体系容易处理；刚构连续体系相比梁式支承体系，能减少8个大吨位支座，经济性更好。

最终首次在多塔斜拉桥上采用刚构连续体系，该体系有效提高了结构整体刚度，主梁、桥塔及斜拉索受力较优，同时降低了温度效应的不利影响，车桥动力仿真分析结果表明，桥梁的振动性能良好，行车舒适性优。

金海大桥已于2018年3月开工建设，总工期4年，目前桩基础施工已基本完成。