来源：中国防水在线
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。
踏准中塔“刚柔平衡点”
桥梁的整个体系确定了，接下来要攻克的是中间塔的设计与施工难题。在项目课题二“多塔连跨悬索桥中间塔关键技术研究”的支撑下，泰州大桥建设指挥部总工程师吉林带领团队解决了这一难题。
“中间塔既不能太刚，也不能太柔，如何踏准刚与柔的平衡点，是难点所在。”吉林解释说，中间塔必须具有一定的柔度，即当悬索桥的主梁受力不均衡时，中塔能随之进行适当的左右摇摆。当中间塔过于“刚硬”不能摆动时，主梁一边受力过大，主缆可能与中间塔产生相对滑移。
当然，中间塔也不能太柔，否则不利于大桥系统的稳定性、车辆行驶的舒适性。
经过复杂的数学建模和模型试验后，课题组最终找到了“刚柔相济”的平衡点。当车行驶在泰州大桥上时，主梁的上下位移幅度不超过跨径的千分之四。
平衡点找到了，该如何建这个中塔呢？在以往的工程案例中，如果要保证塔的柔度，需要建“1”字形塔，如果要保证塔的刚度，需要建“A”字形塔。为满足泰州大桥的特殊需求，建设者们提出了两者相结合的思路，即“人”字形塔。通过不断变化塔身的分叉点高度和塔底的分叉量，课题组在大量计算和模型试验的基础上，最终确定了中塔的设计参数。据了解，纵向“人”字形塔在国内尚属首创。
“主缆与鞍座的固定主要依靠静摩擦力。”吉林说，中间塔的难题还体现在主缆与中塔鞍座的抗滑设计上。目前，国内外针对主缆与鞍座抗滑的研究基本都基于单索股，或者是多索股但钢丝直径较小的情况。为准确评估中间钢塔鞍座与大直径主缆的抗滑安全，课题组在大量试验的基础上，提出了多索股主缆与鞍座间名义摩擦系数的计算方法。
“我们提出的新计算方法，除了考虑竖向压力与束股拉力外，还兼顾索力对鞍座侧向挤压的影响，这一创新已不局限于桥梁，而是对整个土木工程学科抗滑设计的贡献。”吉林说。
钢桥面上铺“可伸缩”沥青层
桥梁的结构体系确定了，在钢桥面板上如何铺装沥青层呢？
较为常见的是在道路上铺设沥青，不仅有路基层的支撑，而且路面本身不容易发生弯曲。但对泰州大桥进行沥青铺装时，情况发生了很大变化：一是泰州大桥主梁上是钢板支撑，不是路基层支撑；二是三塔两跨悬索桥更具有柔度，当桥梁受非均匀分布的荷载时，主梁本身会发生位移与弯曲，铺筑在其上的沥青层必须具备一定的伸缩性能；三是钢桥面更容易受温度影响，室外温度达到40摄氏度时，钢箱梁的温度将达到70摄氏度，钢桥面上沥青的耐热性要求远远大于路面。
在项目课题三“超大跨连续大柔度桥道系结构行为特性及其铺装关键技术研究”的支撑下，这一难题也被克服。
目前国内钢桥面铺装的两大主流材料：一是以欧洲为代表的“浇筑式沥青混凝土”，其优势是密水性强，能阻止雨水渗透到钢板；追从性能好，随钢板发生更从变形能力强。二是以美国为代表的“环氧沥青混凝土”，其优势是强度高、抗疲劳性能好。
由于泰州大桥是千米级的三塔两跨悬索桥，柔度大大超过一般的桥梁，加上中国的交通荷载量大于国外。泰州大桥简单采用上述两种材料，均不是理想的选择。能否将两种材料进行组合，各取优势？
经过大量改良和比选后，课题组研发了“下层浇注+上层环氧”的铺装结构。这一创新，对我国长大跨越钢箱梁桥设计颇具参考价值。“前前后后，我们总共进行了近十种组合方案的复合结构试验，持续了两年时间。”钱振东说。
“这一工艺在国内尚属首次应用。”钱振东补充道。由于这个铺装结构是首次采用，有了设计方案，还必须拥有混合料生产工艺和铺装工艺。东南大学桥面铺装科研团队联合施工方中交二公局三公司对混合料的制备方法、大批量生产工序进行了优化，提高了沥青混合料生产质量。
