关键词：斜张桥 悬索桥 钢管砼 复合钢管砼
一、主航道桥方案
我国海南岛琼州海峡的海水深度较大，单纯采用桥梁和隧道形式的困难都很大。采用设主、付通航孔的<<便航式跨海浮桥>>方案，主、付通航孔采用大跨径桥梁的形式，以解决通航问题，也是很实用的方案。主通航孔桥梁的设置位置，在满足航道要求以后，应该尽量靠近岸边，以便将水中的锚碇设在较浅的水中，可以减小施工难度。主通航孔桥梁的跨径拟采用1500米，只适合采用悬索桥方案，边孔的跨径拟采用400米。为减小锚碇的体积和施工难度，悬索桥采用斜张桥与悬索桥相结合的复合形式，以减小悬索拉力。即在主孔两边400米采用与边孔相平衡的斜张桥，跨中700米为悬索承载的悬索桥。悬索桥在斜张桥段采用空载索段的形式，笔者在西藏达孜大桥上已采用过，经验证明是可行的。由于斜张桥承担了800米桥长的重量，悬索桥只承担700米桥长的重量，悬索内力和锚碇的重量都将成倍的减小。使1500米特大跨径的施工能实现，尤其是减小海中锚碇的重量和施工难度。但是内力作功的路程长，悬索的材料并不能节省，斜张桥需要另用材料。
二、构造
1、加劲梁
加劲梁采用钢桁架，桁架梁的高度大，抗弯刚度大，有利于抗活载变形和抗台风稳定。斜张桥的斜拉索和悬索桥的吊杆可采用较大的间距，以减少斜拉索和吊杆的数量，便于适应斜张桥与悬索桥相互衔接段变形协调的需要。钢桁架的通风效果较好，抗风稳定性好。现代的栓焊钢桁架梁形体简洁美观，养护比较方便，使用经验成熟。采用管式钢桁架也很适合，
杆件的园形截面受力稳定性好，对风有失阻效应的稳定作用，节点采用复合钢管砼，加工简便，可外包钢丝网水泥砂浆实现长效防护。钢丝网水泥砂浆的防裂性能好，水泥船的成功应用即先例，是钢铁锈蚀防护的简便和实用措施。悬索桥区段采用空钢管桁架结构，斜张桥区段采用钢管砼和复合钢管砼桁架结构，而腹杆和水平风构采用空钢管。钢管桁架的刚度加强方便，可以采用钢管砼、双管下弦杆和管内加设预应力筋的方法。
2、横梁桁架
宽桥的横梁支承间距大，适合采用高度大的钢桁架，桁架刚度大，自重较轻，能够满足承受重大活载的需要，施工简便。横梁桁架的上弦杆和桥面厚度范围采用复合钢管砼，即现浇钢筋砼作正交异性钢桥面板的湿接头，加强桥面板与横梁上弦杆的结合和整体性，有利于加强上弦杆的受压，横梁上弦杆可避免桥面板的剪力滞后，桥面板整体受力性能好。横梁桁架变形小，能够提高正交异性钢桥面板的刚度，有利于桥面钢板与沥青砼的结合，保证沥青砼桥面的使用寿命。而下弦杆和腹杆采用空钢管结构，便于下弦杆内布设无粘结预应力筋，并采用外包钢丝网水泥砂浆作长效防护。
3、桥面板
钢桥面钢板厚度采用δ=14mm,以加大正交异性钢桥面板的刚度，保证沥青砼桥面的结合，提高沥青砼桥面的使用寿命。正交异性钢桥面板采用倒梯形空腹肋加劲，肋板厚度采用δ=8mm，采用锯齿形切割下料和加工，可减小桥面用钢量。倒梯形空腹肋底板之间，再采用厚度δ=6mm钢板作焊接封闭，形成闭合箱形，以解决箱内的防护问题，底板外方便采用钢丝网水泥砂浆作长效防护。封闭箱形的正交异性钢桥面板，刚度已大为加强，透风效果好。桥面板应与加劲桁架上弦杆结合为整体，形成板桁结构，提高加劲桁架的刚度，以平衡斜拉索对加劲桁架的巨大水平压力。斜张桥的桥面板外侧8米宽度内按需要充填砼，空腹肋灌注砼方便，形成钢骨砼结构，以增加抗压能力，便于与加劲梁桁架上弦杆结合为整体。桥面板分节段加工和安装，在横梁上弦杆上作现浇钢筋砼接头，焊联桥面钢板，施工简便。
4、风构
桥面板与加劲桁架相结合，起到上部水平风构的作用，横向刚度很大。下部水平风构采用X形空钢管结构，可采用钢丝网水泥砂浆作长效防护，施工简便。
5、节点：
节点都按复合钢管砼结构处理，即钢管作相贯焊接，相互间焊加劲肋板加强，按节点板的大小和形式加强钢筋配置，再浇灌节点内（钢管接头）、外（节点板）砼。桁架节点为复合钢管砼结构，节点刚度大，韧性很好，同样能起到钢节点板的作用。
6、吊点牛腿：
在加劲桁架外侧设牛腿作吊点，横梁桁架上弦杆钢管在加劲桁架上弦杆钢管之下，可利用外伸横梁桁架上弦杆钢管作牛腿，再在加劲桁架上弦杆钢管上加焊钢管加强牛腿，两钢管焊加劲肋板和钢筋加强，钢管内、外形成复合钢管砼牛腿。具有足够大的抗弯、剪刚度，构造简单，联结可靠，施工简便，对斜张桥和悬索桥的锚联都方便。
7、塔架
主航道桥的跨径很大，又为斜张桥和悬索桥的结合形式，塔架要受斜张桥弯矩的影响。塔架高达300米，施工的难度很大。采用复合钢管砼塔架，钢管和钢管砼作为劲性骨架使用，对高塔架的施工较方便。复合钢管砼具有钢和砼两种材料的特点，强度较高，韧性很好，
抗震性好，安全可靠。将钢管砼的钢管紧箍力作用作分离计算以后，复合钢管砼的计算已能采用组合叠加方法解决，实际是一种特殊形式的钢骨砼。塔架顺桥方向的立面形式为复式“A”字形刚架，下部为双柱形式，顶部为箱形塔柱。塔架各部分别采用矩形、箱形和异形截面的形式，高塔利用劲性骨架作爬升平台施工很方便。采用在水平的复合钢管砼杆件内加
预应力，以平衡两边斜拉索的水平分力。刚架的复合钢管砼水平横撑仅设中部，以便斜拉索张拉锚固，两侧空间留作升、降通道，同样起到箱形塔柱的作用。塔架的稳定和抗弯、扭刚度都大，也能提高面梁的抗弯刚度。斜拉索和悬索索面布置呈外张形式，对桥面横向稳定有利。塔架横桥方向的立面形式为“门”字形刚架或钢管桁架，横向联接都设在塔柱上，空间抗扭刚度较大。塔柱的横向宽度和刚度很大，抗风稳定性好，采用复合钢管砼和钢管砼骨架施工都较方便。斜张桥对塔架具有平衡稳定的作用，塔架虽然很高，但是稳定性能很好。
8、塔架和锚碇基础
由于主航道桥的跨径很大，塔架和锚碇基础的内力巨大。深水中的塔架和锚碇基础体积很大，适合采用大型的钢沉箱基础开挖下沉和堆石灌浆技术施工，方法安全可靠。陆地上锚碇的施工条件好，采用明挖施工很方便。塔架也可采用桩基础，只是桩基的数量较多，可作经济比较来选择。基础的具体设计，需要由实际的地质情况而定。
9、主缆防护
悬索桥的主缆防护很重要，是保证大桥安全的关键。现在传统采用的主缆防护方法还不够完善，主缆仍然需要经常维护。采用不锈钢板组合导管复合防护，施工方法简便，价格比较合理，能够实现长效的防护。斜拉索和吊杆也可以采用不锈钢板组合导管复合防护，使缆索系统经久耐用。
10、桩基施工
在浅海中采用大直径桩基础也很适合，需要由实际的地质情况而定。
三、计算
1、 基本资料：
计算跨径L=1500m 垂跨比F/L=1/6 和1/8 桥面单幅净宽16m 悬索线形：二次抛物线
汽车-超20级 挂车-120 升温Δt=30ºC
2、 计算方法和模式：
采用单片桁架和单索面作建模，考虑活载的偏心影响作用，利用平面杆系程序作计算。对悬索、吊杆和斜拉索单元，作应力刚化处理。
斜张桥和悬索桥相结合的结构形式，采取结构措施是可行的。但是，两种桥型的刚度特性相差较大，加上桥梁的跨径很大，结构单元很多，整体统一计算有一定难度。斜张桥和悬索桥都能独立成桥，只是相互联结以后的配合问题不清晰，需要分析清楚，并采取适当的结构措施，以保证桥梁的安全。斜张桥为稳定的三角形，桥面变形挠度很小，但不能过多的超载。悬索桥为柔索承载，是结构可变形体系，柔索的变形挠度较大，桥面变形由加劲桁架承受、传递和改善。当悬索的安全度满足要求时，它可以承受更大的荷载。斜张桥和悬索桥相结合时，加劲桁架将传递其相互影响。斜张桥的变形挠度很小，它可以帮助悬索桥端部减小变形。但是，大跨径斜张桥拉索的非线性变形明显，它的变形挠度也较大，桥面刚度是比较柔性的。悬索桥的承载能力大，它可以帮助斜张桥承受部分荷载。大跨径悬索桥的主索拉力很大，张力的抗重力刚度也大，可以减小变形挠度。根据两种桥型的互助性能，它们的刚度变化，变形挠度不协调和可能协调的两面性，能够加以协调利用，可以保证桥梁的安全。采取的具体作法有两条，一是采用刚度较大的加劲桁架，二是将悬索桥的吊杆插入到斜张桥内一定的长度，使用悬索帮助斜张桥承载，即加大悬索的承载能力，保证二者都安全。两种桥型的结合使用，不必要绝对的明确，采用增加结构的安全度也是实用的方法。著名的布鲁克宁大桥至今已使用100多年，它加的许多斜拉索，在当时是无法计算清楚的，但是对大桥的稳定和安全都起到了保证作用。
对斜张桥和悬索桥分别单独计算，并将塔架也分别纳入一并计算，可以看出两种桥型对塔架的影响程度。采用有限单元建模时，斜张桥按其实际桥长考虑，悬索桥按插入斜张桥内的吊杆位置作桥长计算。悬索桥设计采用的计算内力，实际比采用吊杆不插入斜张桥时的计算内力大，以此来保证两种桥型协同承载的绝对安全。
3、 桥型建模：
⑴斜张桥：
①加劲桁架简化为单一的梁单元，单元刚度按轴压力大小划分为钢管、钢管砼和复合钢管砼三种类型，为桁架和桥面板组成的板桁结构，砼按其与钢的弹性模量比值换算为统一的钢材计算。
②塔架简化为单一的柱单元计算，将横撑简化为集中力加载。
③桥面和横梁简化为集中力加载。
④斜拉索间距为12m，按扇形布置。
⑤桥面梁的外部边界条件, 端部起点为简支活动支座, 另一端为连续梁状态。
⑥斜拉索单元按铰接节点处理，梁单元按刚接节点处理。
⑦已经考虑钢丝网水泥砂浆作长效防护和桥面沥青砼的重量。
⑧可以在起点边跨加设锚墩, 以增加斜张桥的稳定性和方便施工。
⑵悬索桥：
①加劲桁架简化为单一的梁单元，为钢管桁架和钢桥面板组成的板桁结构。
②塔架按刚架杆件单元计算，将横撑简化为集中力加载。
③桥面和横梁简化为集中力加载。
④吊杆间距为12m，插入斜张桥部分间距为24m。
⑤已经考虑钢丝网水泥砂浆作长效防护和桥面沥青砼的重量。
⑥桥面的外部边界条件,端部为实际的连续梁状态。
⑦加劲桁架考虑了插入斜张桥部分的长度。
⑧索单元按铰接节点处理，梁单元按刚接节点处理。
⑨加劲桁架的长度，作了计入斜张桥部分长度和不计入斜张桥部分长度的比较计算。
⑩对插入斜张桥部分长度的吊杆, 集中力加载可以按分级渐增的变化方式处理, 达到既实现悬索空载索段的限位目的, 又减少对斜张桥内力的过多影响。
四、计算结果：
1、 斜张桥：尚未调整索力。
⑴塔柱：塔底N=-816197KN.m M=-413677 KN.m
⑵加劲梁：塔架根部Nmax=-146435KN Q=8746KN M>-968511KN.m
中部N=-91126KN.m Q=-674KN M=-607882KN.m
端部Nmin=-5253KN Q=3640KN M=795666KN.m
⑶斜拉索：Fmin=6003KN F=10015KN Fmax=20549KN
⑷挠度：δ=3.5cm
2、 悬索桥：按垂跨比1/6和1/8作对比计算, 刮弧内为垂跨比1/8计算结果。
⑴塔柱：塔顶N=-171743KN (204433KN)
⑵悬索：Tmax=202312KN(287240KN) H=184784KN(273557KN)
⑶加劲梁：Mmin=-35912KN.m(35912N.m) Mmax=-940340KN.m(888006 KN.m)
⑷吊杆：Fmin=2084KN(2138KN) Fmax=8609KN(22230KN)
⑸挠度：δ=54.6cm
五、截面强度：
1、斜张桥：
⑴塔柱：塔底N=--816197KN.m M=-413677 KN.m 未计入风力影响。
塔柱底承载强度：按复合钢管砼计算, 即按各自的材料强度和安全系数, 并作强度叠加组合。 采用16Mn钢管6Ø1000x12 As=372.5cm² Ac=7481.5cm² Asc=7854 cm² fs=315mpa fc=23.5mpa Ra=28.5mpa 双肢柱距离h=37m
N1=N/2+M/h=816197/2+413677/37=419279KN
N2=N/2-M/h=816197/2-413677/37=396918KN
钢管砼短柱强度：No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(1.2/48.8)=(315*372.5+23.5*7481.5+ 7481.5*315*
0.0246)/10=35113 KN
单肢复合钢管砼强度：未计配筋强度。
N= 6No+(1/rc)*(Agc-6Asc)*Ra/10=6*35113+(1/1.25)*(300*600-6*7854)*28.5/10=513635 KN>
N1=419279KN
⑵加劲梁：索力未调整, 弯矩值偏大, 仅考查其抗压承载能力。
①塔架根部Nmax=-146435KN Q=8746KN M>-968511KN.m
桥面梁平均抗压强度：按复合钢管砼计算, 即按各自的材料强度和安全系数, 并作强度叠加组合。采用16Mn钢管2Ø600x12 As=222cm² Ac=2606cm² Asc=2827 cm² fs=315mpa
fc=23.5mpa Ra=28.5mpa Rg=345mpa Agc=26400cm² Ag=1920cm²
单根钢管砼短柱强度：No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(1.2/28.8)=(315*222+23.5*2606+2606*315* 0.0417)/10=16540KN
复合钢管砼强度：N=2 No+(1/rc)RaAgc+(1/rs)RgAg =2*16540+[(1/1.25)*26400*28.5+(1/1.25)*
1920*345]/10=146264 KN ≈Nj=-146435KN 考虑8m桥面板宽度浇灌砼。
②中部N=-91126KN.m Q=-674KN M=-607882KN.m
桥面梁平均抗压强度：Agc=16500cm² Ag=1200cm²
复合钢管砼强度：N=2 No+(1/rc)RaAgc+(1/rs)RgAg =2*16540+[(1/1.25)*16500*28.5+(1/1.25)*
1200*345]/10=103820KN>Nj=-91126KN 考虑5m桥面板宽度浇灌砼。
③端部Nmin=-5253KN Q=3640KN M=795666KN.m
桥面梁平均抗压强度：按钢结构计算, 桥面板取5m宽度。
As=444cm² Ag=1200cm² σ=210mpa
N=σ(As+ Ag)=210*(444+1200)/10=34524KN>Nj=-5253KN
⑶斜拉索：Fmin=6003KN F=10015KN Fmax=20549KN 按调整索力情况而定。
2、悬索桥：按垂跨比1/6和1/8作对比计算, 刮弧内为垂跨比1/8计算结果。
⑴塔柱：塔顶N=-179521KN(-204433KN)
按复合钢管砼计算, 即各自的材料强度和安全系数, 并作强度叠加组合。采用16Mn钢管2Ø400x8 As=98.5cm² Ac=1158cm² Asc=1257cm² fs=315mpa fc=23.5mpa Ra=28.5mpa Agc=95544cm² 配筋未计。
单根钢管砼短柱强度：No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(0.8/19.2)=(315*98.5+23.5*1158+1158*315*
0.0417) /10=7345KN
复合钢管砼强度：N=8 No+(1/rc)RaAgc=8*7345+(1/1.25)*95544*28.5/10=276600KN> Nj
=(-204433KN)
⑵悬索：采用1/6和1/8两种垂跨比分别计算作对比, 显然前者的水平拉力小88516KN, 采用复合钢管砼增加塔高好解决,对于锚碇施工条件困难的意义重大。
Tmax=202312KN(287240KN) Hmax=184784KN(273300KN)
⑶加劲梁：采用分节段饺接安装, 桥面调整定型以后再作焊接处理, 以便与斜张桥协调和衔接, 消除梁安装引起的恒载内力, 使吊杆内力均匀。加劲梁可以采用钢管砼、双管下弦杆和管内加设预应力筋的方法,对桁架的刚度进行加强较方便。
Mmin=-35912KN.m(35912N.m) Mmax=-940340KN.m(888006 KN.m)
⑷吊杆：因为加劲桁架的刚度大,其变形导致吊杆受力不均匀, 也有吊杆退出工作的现象发生。Fmin=2386KN(22230 KN) Fmax=8609KN(2331 KN)
⑸挠度：δ=54cm
六、结束语：
1、斜张桥和悬索桥相结合的结构形式，采取结构措施是可以实现的，充分发挥出其特点和大跨径的优势，施工难度减小，也安全可靠，较为经济实用。
2、悬索拉力的大小由垂度决定，1/6垂跨比的拉力较小，可以减小锚碇体积和施工困难，更适合于跨海悬索桥。具有空载索段的悬索拉力，为桥面长度与跨径所佔比值的大小。
3、采用封闭箱形的正交异性钢桥面板，刚度加大，透风效果好，用材合理，加工简便，便于作长效防护。可按需要添充砼，并与加劲桁架和横梁桁架的上弦杆相组合形成板桁结构。
4、采用钢管加劲桁架与复合钢管砼技术相结合，便于钢管、钢管砼和复合钢管砼结构的形成变化，加工简便，便于作长效防护，并与桥面板相组合形成板桁结构。
5、采用复合钢管砼作塔架，结构强度较高，材料韧性好，抗震和抗风性能好，施工较方便，比单纯的钢和钢筋砼塔架更经济合理。
6、采用在桥面中央分隔带设透风气隙，有利于桥面上下的气压平衡。加劲桁架刚大，透风性能较好，都有利于抗风稳定。平板形式的桥面，对气流的扰动小，也有利于抗风稳定。斜张桥为稳定的三角形结构，抗风稳定性能也好，可起到明显的作用。将悬索在跨中加设较强的斜倾吊杆与加劲桁架连接，有利于消除桥面的反对称振动。
7、采用复合钢管砼和钢丝网水泥砂浆实现长效防护，解决了节点的加强和钢铁防锈蚀难题，增加的重量很有限，仍是经济合理的。
8、作为解决通航问题，能采用大跨径桥梁更好，因为桥梁的管理和行车条件好于隧道，不需要通风、照明、监控和防火设施。本方案的设计和施工新思路，有助于<<便航式跨海浮桥>>方案的顺利解决
