大连理工大学桥隧学科成立35周年来，始终坚持教学、科研与工程实践相结合的人才培养思路，注重实验室的建设和工程实践的创新，并将“创新、受力合理、安全、经济、美观”的设计理念贯穿于工程实践中，在新桥建设、旧桥加固及特殊复杂桥梁处理方面做了有益的探索和一定的贡献。桥型创新成果主要有：T形刚构与独塔斜拉桥协作体系、混凝土自锚式悬索桥、钢管混凝土单片桁架拱、系杆拱梁体系、缆索承重体系桥的创新等；技术创新主要涉及以下方面：海上地锚式悬索桥、混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法、斜牛腿、无缝伸缩缝、弯梁桥约束体系、梁板桥面系拱桥振动加固技术、斜拉桥顶推施工关键技术等。
T形刚构与独塔斜拉桥协作体系
体系构思的灵感
金马大桥的地理位置在广东省三水市金本镇与高要市金利镇间，位于马口峡下游附近广（州）—肇（庆）高速公路跨越西江段。西江该河段水深流急，常水位水深约28m，设计洪水位水深36m；常水位时河宽m，河滩地外两岸大堤间约宽m，设计流量53m3/s。河道为通航黄金水道，要求通航t海轮，通航净高22m，净宽2×90m（主航道），2×80m（副航道）。桥面宽度26.5m，车速km/h，纵坡限3%以内；船撞力，中墩00kN（横桥向），kN（顺桥向）；边墩kN（横桥向），kN（顺桥向）。
根据金马大桥的地理环境及通航要求，设计需要解决两大难题，一是深水基础问题，二是桥墩防撞问题。从降低施工难度和工程造价的角度考虑，应尽量减少深水基础的数量。因此技术相对成熟的连续梁和连续刚构方案首先被排除，因为这两类桥梁均需在江中修建多个深水基础，且为了抵抗船撞力还须对每个桥墩基础额外做防撞保护措施，施工难度和造价都大大提高。另外，桥墩施工对通航影响也较大。显然，此处更适合大跨径的桥型方案，进一步考虑，只有一个深水基础的独塔斜拉桥较双塔斜拉桥在施工和设计上更为简单经济，且独塔主墩按竖向承载力要求设计，正好可以满足船撞力要求，不需额外再加固桥墩，大大降低了造价，可谓一举两得。经过分析，我们将方案初步锁定为独塔斜拉桥方案，一个深水墩设在航道中分线处，边墩设在两侧的浅水区，这样桥梁跨径为～m。如此大跨的斜拉桥，施工难度和风险相应增大，同时超长索的制作和施工也使造价有所提高，这仍然不是最优的满意方案。
经过反复的思考和斟酌，有了一个大胆的创新灵感：何不利用T构悬臂来协助斜拉桥的受力，这样，既能增加跨径，又能降低造价。年元月，利用T形刚构对传统独塔斜拉桥进行改进的T形刚构与独塔斜拉桥协作体系方案，以其新颖美观的造型和较大的造价优势，在其他竞标方案中脱颖而出，一举中标。
T形刚构与独塔斜拉桥协作体系方案初步形成后，应施工单位要求，为方便施工，将最初设计的斜拉桥箱形截面改为了边主梁截面，悬臂浇筑施工；又根据专家组的建议，将原T构与斜拉桥连接处的剪力铰改为了连续截面。与此同时，为了适应温度变形，将原T构的箱形截面墩改为了双薄壁柔性墩以减小温度力。最终，修改后的金马大桥主桥T形刚构与独塔斜拉桥协作体系方案如图1所示，桥梁跨径布置为60+++60m，桥宽29m。
图1T形刚构与独塔斜拉桥的协作体系（单位：m)
金马大桥于年5月开工，年5月完工，成为当时跨径最大的混凝土独塔斜拉桥。桥梁全长.6m，其中引桥长.6m，采用先简支后连续的预应力混凝土T梁桥。该项目计划投资3.2亿元，实际投资仅为1.89亿元。
图2建成后的金马大桥
关键创新技术
金马大桥的成功，不仅因为采用了新型的结构形式，更重要的是在具体设计中对一些难点问题的深入研究，提出了一些新的技术和新的设计思路，下面简要介绍金马大桥的关键创新技术。
（1）施工时无纵向预应力筋的设计方法
国内大跨径斜拉桥采用悬臂挂篮施工期间都要张拉主梁的纵向预应力筋，金马大桥首次提出并采用一种施工期间不张拉纵向预应力筋的方法，这种方法要求施工计算和施工控制要精确。
（2）斜拉桥与T构连接处边主梁与箱梁的顺接
金马大桥斜拉桥部分主梁采用边主梁式的梁板结构，T构部分采用传统的变截面箱梁结构，T构与斜拉桥的连接是一个构造难点。经过方案比选，金马大桥最终确定采用在接头处斜拉桥侧8m范围内设置底板，通过延长T构的腹板在该范围内也形成箱形结构。同时加强斜拉桥的横隔梁，并使用三向预应力筋加固的方案。经过计算分析与光弹试验验证，此种方案力的过渡平顺可靠，各部分应力均满足规范要求，结构安全合理，且施工方便，不影响其他块件的施工进度，只需在合龙段8m范围内增加模板。斜拉桥侧加设底板的连接方法与采用实体连接段方法相比，节省了大量的混凝土，与渐变段方案相比大大方便了施工。
图3斜拉桥与T构接头处构造（单位：cm)
（3）桥塔布置直束预应力筋
国内斜拉桥塔柱锚固区预应力束多采用U形（环形）布置，有顺桥向和横桥向布设两种。这种布束方式的缺点是预应力筋不易定位，施工难度较大，且环形束90°的弯折角导致预应力损失较大。充分考虑这些问题，金马大桥采用了精轧螺纹钢筋直束加固塔柱拉索锚固区的技术，并通过有限元计算和节段塔柱光弹试验优化了布束方式，这在国内大跨径斜拉桥中是首次。
图4上塔柱直束预应力筋布置示意图
（4）引桥T梁后穿长束先简支后连续技术
在大型桥梁工程中，引桥的占比一般较大，引桥的经济性不容忽视。金马大桥引桥采用了一种后穿长二次束的设计方法，施工简单方便，且预应力钢筋节省了21%，锚具节省了50%。该方法如图5所示。
（a）T梁先简支后连续普通方法
（b）金马大桥引桥T梁后穿长束先简支后连续技术
图5T梁先简支后连续方法
混凝土自锚式悬索桥
桥型创新的萌生
年，某市欲在市区黄河故道上用较少的投资（约万元）修建一座约m长的悬索桥。从最大程度节约成本的角度进行构思，考虑到地锚式悬索桥庞大的锚碇成本较高，同时锚碇对桥位地质条件要求也较高，因此初步选择了自锚式悬索桥的方案。彼时，国内外建成的悬索桥主梁均为钢梁，在对自锚式悬索桥的受力进行分析和思考后，张哲教授首次提出了采用混凝土主梁的自锚式悬索桥方案，并对方案的可行性进行了论证。随后，我们又进一步做了理论分析、初步设计和技术设计。自锚式悬索桥主缆强大的水平分力由主梁受压来承担，对混凝土主梁来说相当于施加了免费的预应力，且混凝土主梁造价远低于钢梁，该方案既满足了造价低的要求，又满足了工程需求。
虽然这一次的混凝土自锚式悬索桥方案没有被采纳，但是事实证明，这种优秀的桥型有着广阔的应用前景。年，在大连市金湾桥的设计中，当我们再次提出混凝土自锚式悬索桥的方案时，得到了专家的一致认同，自此，混凝土自锚式悬索桥开始在中国大地上遍地开花。
大连金石滩金湾桥
金湾桥位于大连市金石滩国际旅游度假区滨海路上，跨越游艇港出海航道，是我国第一座钢筋混凝土主梁自锚式悬索桥。金湾桥全长m，其中主桥长m，引桥长90m。主桥跨径布置为24+60+24m，桥宽12.5m，纵坡8%，主梁采用钢筋混凝土边主梁形式，横梁间距3m，桥型布置如图6所示。
图6金湾桥主桥布置图（单位：cm）
金湾桥建成于年，总造价万元，建成后的金湾桥如图7所示。随后我们又相继设计了辽宁抚顺天湖大桥、吉林兰旗松花江大桥、庄河建设大街东桥等混凝土自锚式悬索桥。其中，年建成庄河建设大街东桥，主跨m，为目前跨度最大的混凝土自锚式悬索桥。
图7建成后的金湾桥
京杭运河大桥
京杭运河大桥位于江苏省淮安市北京路上,主桥为钢混结合自锚式悬索桥,跨径布置为20.75+26.25+.5+26.25+20.75=.5m，桥宽35.4m。主跨主梁采用钢箱梁，边跨主梁采用混凝土箱梁，梁高2.53m。钢箱梁与混凝土箱梁的连接采用钢混结合段的连接构造方式，钢混结合段位于主跨近塔处6.25m。桥梁总布置如图8所示。
图8京杭运河大桥总布置图（单位：cm）
京杭运河大桥混凝土箱梁部分采用支架现浇施工，主跨钢箱梁部分采用工厂预制箱梁节段，现场设临时地锚利用主缆吊装组拼钢梁节段，临时地锚如图9所示。施工时由临时地锚与边墩共同承担主缆吊装钢梁时的水平力，体系转换后成为自锚，从而可实现主跨先缆后梁的施工方法。
图9临时地锚布置图
经过长期的研究和实践，我们在混凝土自锚式悬索桥的设计和施工方面已经积累了丰富的经验和成果。
混凝土自锚式悬索桥关键技术问题
混凝土自锚式悬索桥避免了钢主梁自锚式悬索桥，在主缆较大轴向水平分力下容易压屈的缺点，且混凝土的建造和维护费用都较低，具有良好的经济和社会效益。混凝土自锚式悬索桥的主要技术难点，在于施工控制过程中主缆非线性特征明显，结构受力较为复杂，施工控制参数较多且互相影响，主缆线形不易控制。那么如何通过较少的吊杆张拉次数达到理想的成桥目标，并使得施工过程中各参数相互协调，是施工控制的关键所在。
通过对混凝土自锚式悬索桥施工控制中的力学特性进行研究，发现该类桥梁施工中，当所有吊杆直接锚固或通过接长杆锚固在加劲梁上后，一次张拉吊杆过程中张拉点的主缆位移，对非张拉点的主缆位移影响很小，该规律称为主缆位移的弱相干性原理。利用该原理，可人为控制张拉点的主缆位移，而基本不影响其他点的主缆位移，也就是说，在前期张拉吊杆时，可以用位移来控制。另外，我们还发现，在吊杆张拉过程中，张拉吊杆对相邻吊杆力的影响较大，而对除相邻吊杆外的其他吊杆力影响很小，该规律可称为吊杆力的相邻影响原理。据此原理，在进行索力调整时，主要考虑张拉吊杆对相邻吊杆的影响，可以忽略其对较远处吊杆的影响。
对混凝土自锚式悬索桥的施工，我们还提出了交替前进的张拉方法，该方法将张拉过程中的千斤顶分为两组，一组为主张拉千斤顶，另一组为次张拉千斤顶。在一轮张拉中，主张拉千斤顶需要控制吊杆索力和主缆位移严格达到监控的指标，张拉到位后即拆除，移至下一个位置；次张拉千斤顶则用于配合主张拉千斤顶，使张拉过程中吊杆力比较均匀。主张拉千斤顶拆除移位后，次张拉千斤顶成为新的主张拉千斤顶，而移位后的主张拉千斤顶则变成新的次张拉千斤顶。如此反复交替张拉，所有吊杆经过一轮张拉后，索力达均匀状态。交替张拉法可提高张拉的效率并保持吊杆力均匀增长，通过张拉过程中索力的优化，可以达到3次张拉即完成体系转换过程。
根据混凝土自锚式悬索桥的主缆位移弱相干性原理和吊杆力相邻影响原理，采用交替前进的张拉方法，该类桥的调索工作第一轮张拉以位移控制，第二轮以位移和张拉力双控，最后一轮以吊杆力为控制量。此方法张拉次数少，施工控制精度高。
钢管混凝土单片桁架拱
象山铜瓦门大桥设计构思
象山铜瓦门大桥位于浙江省象山县石浦镇东门岛与大陆之间的铜瓦门海峡上，桥位处水深达50余米，水面宽m，两岸坡度较陡（约30°），岩石裸露，岩层稳定。当地台风频繁，风力较大，每年台风季节都有大量台湾渔船经铜瓦门海峡进石浦港避风。根据两岸交通需要及通航要求制定设计标准，荷载为汽车-20，挂车-；桥面全宽10m，通航净空m×24m，通航水位3.8m；纵坡1%，竖曲线半径0m；地震烈度6度（按7度设防），基本风压0kPa。
首先根据桥位地理环境，采用拱桥一跨过海的方案最为合适；其次考虑桥面宽度相对较窄，风压又较大，为增加横向稳定性和抗风稳定性，采用提篮拱较为合理；另外，为了避开台风的影响，从架设方便和缩短工期角度考虑，拱肋采用钢管混凝土结构较好。综合各方面因素，铜瓦门大桥主跨方案最终确定为，单片桁架拱肋钢管混凝土提篮拱，两拱肋加焊横撑后，纵向分段用缆索吊机扣索安装。
铜瓦门大桥全长m，主桥中承式钢管混凝土桁架提篮拱桥跨径m，矢高49.35m，矢跨比1:4.；拱轴线为修正的二次抛物线，拱脚标高11.5m，桥面最大高程30.35m。吊杆及撑杆间距10m，边跨为连续板梁，孔径布置为2×13m+24×10m（吊杆及撑杆支承）+2×13m=m。吊杆采用19丝φ5高强钢丝成品索，抗拉强度为MPa。桥面由横梁及桥面板预制安装而成，为增加桥面板抗扭刚度，提高抗风稳定性，桥面板选择了空心板而非槽形板。桥梁总布置图如图10所示。
图10象山铜瓦门大桥总布置图
（标高单位：m；其余单位：mm）
象山铜瓦门大桥主要技术特点
象山铜瓦门大桥桥宽仅为10m，若采用空间桁架拱肋，虽然拱肋横向刚度较大，侧向稳定性好，但是这种空间桁架拱肋显得结构错乱复杂，特别是在铜瓦门大桥这种窄桥上，空间视觉感不通透。因此，铜瓦门大桥拱肋设计大胆采用了单片桁架拱的形式，拱肋弦杆由12mm厚的16Mnq钢板卷制而成，直径mm，在拱脚20m范围内钢管壁加厚至14mm；腹杆采用直径mm，壁厚10mm的钢管；拱肋架设好后，弦杆内压注C50级微膨胀混凝土，拱肋截面如图11所示。单片桁架拱较空间桁架拱大大减少了用钢量及弦杆和腹杆的焊接工作量。另外，拱肋弦杆在满足施工过程局部稳定的前提下，板厚尽量取得较薄，最大程度上节约了钢材，也方便了施工，成桥后管内填充了混凝土就不存在局部失稳问题了。
图11拱肋截面
对于窄桥，最为突出的问题就是拱肋的横向稳定问题。铜瓦门大桥经过计算优化，采用两片拱肋分别内倾8.5°的提篮拱结构，有效地改善了拱肋的横向稳定问题，使结构在不同工况下的第一类稳定系数达到了5.7～6.3。拱肋内倾后，拱脚处横向间距17.m，拱顶上弦中心处间距2.m，这样加大了拱脚的横向宽度，缩短了拱顶部分横联长度，在提高结构横向稳定性的同时，节省了材料减轻了自重。另外，通过计算分析对横撑的布置进一步优化，提高拱的横向稳定性。优化后桥面以下拱肋间设两处由平面桁架组成的K字形横撑（图12中的10#、11#横撑），桥面以上每隔10m设一道一字形平面桁架横撑；靠近行车道的9#横撑在不影响行车净空的情况下，采用K字形横撑也是必要的，这将大大提高拱的横向稳定系数。此外，吊杆的非保向力对横向稳定也有一定贡献。
图12拱肋示意图（单位：mm）
拱肋在与主梁相交处设一高度2m的工字形钢板横梁，钢板横梁既起到拱肋横向连接的作用，同时可作为支撑桥面的横梁，其余吊杆处均为混凝土横梁。铜瓦门大桥全桥仅在2号钢横梁（位置如图10所示）处设置一道伸缩缝，两端桥台处桥面板与桥台连接，不设伸缩缝。如此设计可使制动力直接传到桥台上，减小拱肋的受力，从而拱肋可以更加轻巧节约。钢横梁受力较小，主要是刚度控制，上翼缘宽度在满足放置预制桥面板的情况下，可以做得相对较宽较薄。钢横梁立面图如图13所示。
图13钢横梁立面图（单位：cm）
象山铜瓦门大桥工程总造价8万元，拱肋钢管用量t，平均造价元/m2，这在同等跨径的钢管混凝土拱桥中是非常经济的。该工程为交通部支持的陆岛连接工程，交通部出资万元，其余费用由地方集资，因此，工程造价的大大节约为当地政府和人民减轻了负担。该工程于年建成，成桥后的铜瓦门大桥如图14所示，铜瓦门大桥的建成为浙江象山地区增添了一道亮丽的风景。
图14建成后的铜瓦门大桥
桥型创新是为适应特定环境条件或满足特殊工程要求，而对基本结构体系进行的改进。由于篇幅限制，本文先介绍三个项目创新成果，后续连载将陆续介绍其他成果和技术。新时代的桥梁人，技术创新就是我们的使命，只有不断创新，才能立于不败之地。
本文刊载/《桥梁》杂志年第1期总第93期
作者/张哲檀永刚许斐
作者单位/大连理工大学建设工程学部
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