摘 要：普者黑南盘江大桥主桥主跨采用930 m钢桁梁斜拉桥，空间双塔双索面体系，索塔采用钻石形混凝土塔，泸西侧塔高385 m,丘北侧塔高325 m,为目前国内山区环境最大跨径、最大塔高的钢桁架斜拉桥。通过综合比选研究，考虑运输安装、安全耐久及疲劳性能，大桥斜拉索采用2 000 MPa级钢绞线斜拉索，全桥共240根斜拉索，最大索长493.3 m。斜拉索在梁端的锚固采用双拉板整体式锚箱锚固方式，塔端的锚固采用钢锚梁方式，张拉端均设置在塔端。斜拉索在塔端斜拉索套筒内设置内置式减振橡胶块，在梁端安装外置式电涡流阻尼器，并采用可有效降低斜拉索HDPE外护套管风阻系数的双螺旋线结构。
关键词：大跨径斜拉桥;钢桁架;斜拉索;空间索面;钢绞线;设计研究;
基金：交通运输行业重点科技项目，项目编号2021-MS1-049;中交第一公路勘察设计研究院有限公司科技创新基金项目，项目编号KCJJ2021-20;
1 工程概述普者黑南盘江大桥为泸西～丘北～广南～富宁高速公路上的一座特大型桥梁，位于云南省红河州和文山州境内，全桥总长1 777 m, 桥面距江底最大高差达460 m。主桥为双塔双索面钢桁梁斜拉桥，桥跨布置为3×84 m 108 m 930 m 108 m 3×84 m=1 650 m, 主跨跨度达到930 m, 大桥建成后将成为世界上跨径最大的公路钢桁梁斜拉桥。受运输条件和施工场地的限制，主跨主梁采用板桁结合钢桁梁。考虑边孔压重，边跨主梁采用钢桁—混凝土桥面板组合梁。索塔采用钻石形混凝土塔，泸西侧塔高385 m, 丘北侧塔高325 m。基础采用大体积矩形承台 群桩基础。斜拉索采用钢绞线拉索，最长拉索的长度近500 m。过渡墩和辅助墩均采用空心薄壁墩，基础采用群桩基础。泸西岸无引桥，丘北岸引桥采用3×40 m预应力混凝土现浇箱梁。大桥桥型布置如图1所示。
桥位处地形起伏较大，山区峡谷风存在地形综合效应，流场复杂，桥面设计风速较大，超长斜拉索在峡谷风下风致振动比较严重。持续的拉索振动会加剧索股的疲劳和腐蚀，严重降低拉索的使用寿命，大大增加桥梁的全寿命成本，严重时甚至使拉索在短时间内产生疲劳断裂而最后影响整座桥梁的安全[1,2,3]。因此，桥梁的斜拉索选型和设计尤为关键。
2 斜拉索比选2.1拉索索性比选根据国内外已建桥梁情况，斜拉桥拉索主要有平行钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索两种[4]。这两种拉索的综合比较见表1。
平行钢丝斜拉索由直径为7 mm的高强度镀锌钢丝组成，钢丝强度可达到2 000 MPa, 拉索锚具采用冷铸锚。拉索在工厂大规模生产，为便于拉索盘圈运输，在工厂制造中需将索扭转2°～4°。平行钢丝斜拉索拉索组成全部在工厂制作完成，在现场整体安装、整体张拉。
钢绞线斜拉索由若干股直径为15.2 mm的高强镀锌钢绞线组成，钢绞线一般采用镀锌钢绞线或者环氧涂层钢绞线，拉索锚具采用夹片式群锚。钢绞线经镀锌或喷涂环氧涂层后，外层再用HDPE热挤压包裹成型。钢绞线斜拉索索体及零部件均在工厂制作，运至现场后逐根安装张拉。
两种拉索的构造示意如图2所示。
通过综合比较，两种斜拉索在技术上均可行。经统计，在满足大桥受力的前提下，就成品平行钢丝拉索而言，大部分的索盘直径都在3 m以上，最大直径达到4.1 m, 对运输车辆及道路要求较高；而钢绞线拉索单根索盘直径为1.7 m, 可大大减小运输条件带来的不利影响。考虑到本项目地处山区，运输条件较差，同时为保证斜拉索具有足够的安全性、耐久性，推荐本桥选择施工经验成熟稳定的钢绞线斜拉索。
图1 普者黑南盘江大桥桥型布置
表1 平行钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索比较
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项目 |
钢绞线斜拉索 |
平行钢丝斜拉索 |
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索体制造 |
钢绞线及锚具均在工厂预制完成，索盘可根据运输条件成盘 |
工厂制作成品索绕盘，运输至现场直接安装 |
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安装工艺 |
运输和安装可化整为零，可逐根安装张拉 |
需整体运输，采用大吨位千斤顶整体张拉 |
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受力性能 |
等张力法控制索力，均匀性劣于钢丝斜拉索 |
整体张拉，受力均匀性较好 |
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振动效应 |
索体外径较大，风效应较大 |
拉索外径较小，风效应较低 |
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抗疲劳性能 |
应力幅可达80 MPa, 疲劳次数为2×106次 |
应力幅可达200 MPa, 疲劳次数为2×106次 |
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索力调整 |
可单股调整，亦可整体张拉调整 |
需使用大吨位千斤顶整体调整 |
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换索 |
可单根钢绞线更换 |
必须整个索体更换 |
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索体防护 |
涂层环氧 油脂 单根PE HDPE护套 |
镀锌 HDPE层，钢丝与HPDE热熔粘结 |
图2 构造示意
2.2拉索强度比选目前，斜拉桥多采用抗拉强度为1 860 MPa的斜拉索。随着钢绞线制造工艺的提升，斜拉桥的跨度也不断增加，对拉索的性能要求也越来越高[5,6],小风阻高承载将是斜拉索的发展趋势。近年来，东洲湘江大桥等项目采用了2 000 MPa级别的钢绞线。2 000 MPa强度钢绞线供货价格比1 860 MPa钢绞线增加不到10%,但提高钢绞线强度级别可以在一定程度上减小拉索直径，从而减少材料用量。根据国内已有研究成果，2 000 MPa钢绞线相比1 860 MPa钢绞线，具有以下几点优势：(1)2 000 MPa钢绞线疲劳性能更加优异，可延长斜拉索的使用寿命；(2)破断力提高7.4%,同规格斜拉索具有更高的安全系数；(3)可以减小斜拉索规格，基本不增加桥梁的整体造价；(4)可以降低斜拉索索径，提高斜拉索抗风雨激振的能力。
因此，推荐本桥采用2 000 MPa强度钢绞线斜拉索。
2.3经济性对比经计算分析，按空间双索面扇形布置，采用2 000 MPa级钢绞线，全桥共有240根斜拉索。根据拉索索力的不同，平行钢丝拉索和钢绞线斜拉索的索型选择及数量对比见表2。
由表2可知，由于钢绞线斜拉索外径较同型号的平行钢丝斜拉索大，拉索风阻效应较大，因此总体用量略高，但相差不大。
3 斜拉索构造设计3.1斜拉索总体设计经前述对比，本桥采用2 000 MPa级钢绞线斜拉索，空间双塔双索面体系，全桥共240根斜拉索，最大索长为493.3 m, 最大规格为280A-61,单根最大重量为37.31 t。根据索力的不同[7,8],需要采用6种型号的斜拉索，即280A-31、280A -37、280A -43、280A-49、280A-55和280A-61。斜拉索总体布置如图3所示(仅示意半跨)。
表2 斜拉索经济性对比
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拉索类型 |
拉索型号 |
拉索根数根根数根 |
拉索外径mm拉索外径mm |
裸索重量t裸索重量t |
费用亿元费用亿元 |
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平行钢丝斜拉索 |
LPES-7-121 |
28 |
ϕ103 |
3 578.2 |
1.186 |
|
LPES-7-139 |
20 |
ϕ111 | |||
|
LPES-7-151 |
84 |
ϕ113 | |||
|
LPES-7-187 |
44 |
ϕ125 | |||
|
LPES-7-199 |
56 |
ϕ130 | |||
|
LPES-7-223 |
8 |
ϕ138 | |||
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钢绞线斜拉索 |
280A-34 |
36 |
ϕ180 |
3 593.1 |
1.251 |
|
280A-37 |
24 |
ϕ180 | |||
|
280A-43 |
60 |
ϕ200 | |||
|
280A-49 |
56 |
ϕ200 | |||
|
280A-55 |
56 |
ϕ200 | |||
|
280A-61 |
8 |
ϕ235 |
图3 斜拉索总体布置
3.2斜拉索构造斜拉索采用公称直径为15.2 mm的单丝涂覆环氧涂层预应力钢绞线，单根钢绞线截面面积为140 mm2,抗拉强度为fpk =1 960 MPa, 弹性模量E=(1.95±0.1)×105 MPa, 可满足在应力幅为280 MPa条件下达到200万次以上抗疲劳性能的要求。
为增加锚具耐久性，拉索锚具内灌注油性蜡防护。拉索外护套管采用具有强抗紫外线(UV)功能的HDPE专用的护套，HDPE外护套管外喷涂2 mm厚聚脲涂层，可提高HDPE外护套管的耐老化及抗冲击等性能，且不破坏HDPE外护套管双螺旋线结构，有效降低HDPE外护套管风阻系数。斜拉索一般构造如图4所示。
3.3斜拉索减振措施为降低风致振动，斜拉索在塔端套筒内设置内置减震橡胶块，在梁端安装外置式电涡流阻尼器，并采用可有效降低斜拉索HDPE外护套管风阻系数的双螺旋线结构，如图5所示。
图4 斜拉索一般构造示意
3.4斜拉索锚固斜拉索在混凝土索塔上的锚固方案大体可分为钢锚箱锚固、钢锚梁锚固和环向预应力锚固3种[9,10]。这3种类型在已建各斜拉桥中均有广泛应用，且各具优缺点，详细对比见表3。
图5 外置式电涡流阻尼器
表3 斜拉索塔上锚固方案比较
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项目 |
钢锚梁 |
钢锚箱 |
环向预应力 |
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受力机理 |
钢锚梁支撑在塔壁牛腿上，索力通过高强螺栓传给塔壁。 |
索力通过钢锚箱传给塔壁。 |
通过锚固区将拉索锚固集中力传至塔壁，在塔壁内施加环向预应力。 |
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施工要求 |
对吊装能力有一定要求，安装较为方便。 |
整体尺寸大，对吊装能力要求较高。 |
需要多次张拉预应力。 |
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运营养护 |
钢结构塔内养护较为方便。 |
钢结构塔内养护较为方便。 |
养护较方便，预应力仅锚头需养护。 |
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费用 |
较高。 |
高。 |
较低。 |
斜拉索锚固区受力复杂，承受着上、下部荷载的转换，对结构受力和安全尤为重要[11]。本桥的斜拉索锚固于主梁上弦杆节点处，对于该形式的钢桁架梁索梁锚固构造主要有承压式锚固、双锚拉板式锚固和单侧锚拉板式锚固3种方式。双锚拉板式锚固方式能够很好地适应钻石形索塔斜拉索的布置要求，传力明确，构造简单，检修维护方便，因此推荐双锚拉板式锚固方式，如图6所示。
图6 索梁锚固构造示意
3.5斜拉索抗风措施当采用钢绞线斜拉索时，其拉索直径较相同级别平行钢丝斜拉索的要大，从而导致拉索受到的静风荷载大幅增加，并引起主梁静风横向位移显著增大、塔底内力显著增加等问题。所以，优化大直径斜拉索风阻系数的气动措施，成为拉索抗风研究中的另一个重要问题。
螺旋线是解决风雨激振的有效措施，但螺旋线高度对风阻系数影响较大，既需满足抗风雨激振的要求，又要能有效降低风阻。本项目采用双螺旋线拉索外护套管，经相关试验验证，在W1设计风速条件下，采用了双螺旋气动措施的拉索外护套管的风阻系数Cd≤0.8,在W2风速下风阻系数Cd≤0.6。同时，为了降低风阻，本项目斜拉索采用紧凑型索体，拉索外径较常规索体缩小5%～10%。这两种措施并举，大幅降低了斜拉索的风致效应。
4 结语斜拉索是斜拉桥的关键构件之一，承载和转换着全桥的上、下部荷载。普者黑南盘江大桥的最长拉索已达500 m量级，拉索风致效应显著，更容易受环境的激励而产生振动。受结构跨径、桥址区环境等因素影响，经综合比选，钢绞线斜拉索在山区复杂环境下有着较大的优势，因此推荐本桥采用便于施工运输、低风阻、强耐久性和高应力幅的2 000 MPa级钢绞线斜拉索。本桥的建设实施成果，将进一步完善和发展我国在山区复杂风环境下超长斜拉索的设计理念和建造技术。
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