中国攻克“中塔效应” 世界步入“多塔连跨”时代（一）

今天，随着国家“十一五”科技支撑计划“多塔连跨悬索结构及工程示范”的顺利验收，我国桥梁的自主创新再次向前迈出了坚实一步。中国桥梁这张“创新名片”也越擦越亮。

多塔连跨悬索桥是公认的实现较长跨越的最佳方式，也是全球桥梁界梦寐以求的桥型。可以预计，在泰州长江公路大桥打响“第一枪”后，“多塔连跨”这种桥型必定会在国内外越来越多地涌现；“多塔连跨悬索结构及工程示范”科技支撑计划所作的贡献必造福国际桥梁界。 “以往主要通过增大跨径的方式来实现桥梁的超长跨越，但现在已越来越多地受到来自结构材料、施工技术、安全风险等方面的严峻挑战，难以满足不断增长的桥梁超长超大跨越能力的需求，必须寻求新的适应桥型。”交通运输部公路科学研究院副院长分析说，“当桥要实现超长跨越时，通常有两种方式可以实现：一是仅采用长桥的方式；二是采用一座大跨度主桥(悬索桥或斜拉桥)和一系列长桥相结合的方式。”

在这两种方式中，由于长桥段每跨的跨度较小，所以其桥墩和基础的数目较多，相应的造价也较高；如果水域较深且又环境恶劣，那么下部结构的施工可能会遇到很大的甚至是不可克服的困难，这时需要的是桥梁连续大跨度布置的形式。

“目前，悬索桥的单一成熟跨度已经达到1500米以上，而斜拉桥的经济跨度一般不超过1000米。”据了解，当跨度超过1200米时，悬索桥是公认的最有竞争力的一种桥型，所以桥梁工程师就采用两三座传统悬索桥并列在一起，通过共用锚碇而前后相连的办法来完成跨越。

全世界已有三座著名的大桥采用了这种方式：一是1936年美国建成的旧金山奥克兰西海湾大桥，由两座孪生悬索桥相连；二是1988年日本建成的南北备赞濑户大桥，由南备赞大桥与北备赞大桥相连；三是1998年日本建成的来岛海峡大桥，由3座不同悬吊形式的悬索桥相连。

但是，这种看似很美的结构形式却有着“致命”缺陷：至少增加了一个中部锚碇，这不仅施工困难和造价高昂，而且对水域航道强制划分和占用，对航运要道造成不利影响。

能否去掉共用锚碇，直接建造三塔甚至多塔的连跨悬索桥呢？自上个世纪以来，全球桥梁界向这个目标发起了冲击。上个世纪上半叶以来，全球对多塔连跨悬索桥进行了小跨度的尝试，国外已有相关工程实例，但仅限于中小跨度，最大跨度仅为210米。

“表面上看，相比于传统的两塔悬索桥，多塔悬索桥只是塔数、跨数增多。事实上，这一变化是桥梁结构形式的彻底‘颠覆’。”交通运输部公路科学研究院副院长介绍说，多塔悬索桥在结构上存在的最大困难是，如何合理设计整体结构的纵向抗弯刚度。不深刻认识这一核心问题，悬索结构应有的跨越能力就无法发挥出来。

揭示多塔连跨悬索桥的“性格”

与传统两塔悬索桥相比，由于多塔连跨悬索桥增加了中间塔，其结构特点与受力情况发生“颠覆式”变化。项目首先需要揭示多塔连跨悬索桥的结构性能。

在项目课题一“多塔连跨悬索桥结构体系与结构性能研究”的支撑下，交通运输部公路科学研究院副院长张劲泉带领团队成功破解了这一难题，并形成了成套理论。

分析多塔连跨悬索桥结构体系，可分为两个层次：一个是最基础的三塔两跨悬索桥，只有分析清楚了“三塔两跨”桥型，才能递增中间塔数量；另一个是四塔及以上的悬索桥结构体系，随着中间塔的增多，由于塔与塔之间的相互作用，中塔效应会呈现减弱趋势，结构体系会越来越趋同。

关键是要确定什么时候中塔效应最强烈。在大量仿真模拟的基础上，课题组发现，四塔悬索桥的“双中塔效应”最强，而设置三个及三个以上中间塔时，与双中塔几乎无异，之后进行的缩尺模型试验也证实了这一结论。

这一发现意义重大。据此，课题组把“多塔连跨”体系研究“化简”为三种体系的研究，即“三塔两跨”、“四塔三跨”和“五塔四跨”。

那么整个桥梁体系与哪些参数有关呢？课题组发现，千米级多塔连跨悬索桥的结构体系与跨度比、垂跨比、塔顶高差、中间塔刚度等参数相关。针对这些参数，课题组分别给出了合理的取值范围。

为保证安全性，泰州大桥必须进行抗风和抗震设计。课题组得出了多塔连跨悬索桥主梁在中间塔位置设置弹性索约束体系更有利于结构抗震的结论；提出了“连续体系(漂浮结构)+弹性索”的抗震适宜体系，并研发了防落梁抗震装置；提出了基于性能的多塔连跨悬索桥抗风设计方法、流程和评价指标。

此外，课题组还编制了《三塔两跨悬索桥设计指南》、《三塔两跨悬索桥设计示例》等，建立了跨径1000米以上的三塔两跨悬索桥设计规范体系，包括材料、作用、总体设计、总体计算、桥塔、缆索系统、抗风设计和抗震设计等内容。

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