查考大桥之概念设计

距离智利圣地亚哥以南约1000km的查考海峡，计划修建一座跨海新桥。本文阐述了设计该桥依据的相关背景研究。...



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距离智利圣地亚哥以南约1000km的查考海峡，计划修建一座跨海新桥。本文阐述了设计该桥依据的相关背景研究。Iquatro-科威合资企业已经开发出桥梁概念设计，并提交给智利公共工程部。但桥梁详细设计由Systra-Aas Jakobsen合资企业负责，该联合体效力于Hyundai牵头的承包商合资企业。

桥梁针对较强地震作用、特殊地质、巨大海潮和强流强风等这些需求进行分别解决，有时会互相矛盾。设计前需对经典悬索桥、连续多跨悬索桥和斜拉桥等方案进行评估。

最终采用的双跨连续悬索桥方案能够支持未来的四车道，是满足上述所有要求的最佳折中方案。这一概念早在中国泰州大桥和马鞍山长江大桥两座大桥设计完成之前就已经提出。

查考海峡将奇洛埃岛与大陆分开，大陆一侧的Pargua与奇洛埃岛上的查考之间有轮渡服务，这成为智利5号公路连接南北的主要交通纽带。

该地区地广人稀，岛上仅有13万居民，但随着5号公路交通量的快速增长，现有的轮渡已无法满足实际所需。查考海峡本身就已超越了桥梁设计师通常遇到的多数挑战，最窄处的海峡宽度也有2.5km，水深达100m（位于海峡中间的Roca Remolinos小浅滩除外），因此需要修建大跨径桥梁。为了能在海峡强风和强潮流的恶劣环境下修桥，需要极其专业的筑桥人员。

1960年发生的世界最强地震——瓦尔迪维亚大地震，距离海峡仅几百公里，因此桥梁应该能够承受强烈的地震。

为了满足上述恶劣的环境要求，应当设计出最优化和成本最低的桥梁方案。比较可行的就是在Roca Remolinos上修筑中心桥塔塔基。

挑战

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1960年发生的里氏8.5级瓦尔迪维亚大地震，造成智利南部海岸长达1000km的断层，震中距离新工程地址仅100～200 km。断裂导致海床垂直移动了16m之多，并引发了有记录以来最强的海啸波，在智利海岸的部分地方，30m 高的海浪淹没了居住区并夺走数百人的生命。

针对新桥假定的地震采用概率方法进行评估，包括1960年的地震事件。由于为隐没型地震且位置很好预测， 因此，新桥应与假定地震保持安全距离。从震源看，属于远距离隐没型地震，因此，地震持续时间为2.5分钟，较长周期的运动也很关键。

图1 查考大桥

7级地震产生的近源冲击作为抗震设计的补充，其特点有别于上述事件。因此，对于桥梁结构的某些部位至关重要。此外，地震方面还涉及河床沿线可能出现的二次断层线和桥梁设计应采用的1m位移量，以及1995年日本神户地震中明石海峡大桥发生的事故。

在新桥位置处设计的海啸波高预计为6～8m，海水最终流入太平洋，海峡深水处可以抵抗巨大的海浪。

查考海峡在大陆与奇洛埃岛之间的Ancud Golf段有一个相当窄的出水口。海峡潮汐变化高达+/-3.1m。潮汐导致海峡潮流交替变化，最大速度可达9节。潮流变向时，只有在极短的间隔里，潮流才稍有平息。河床高低极度不均， 有的地方深100m，有的只有几米深，而且海床高低会发生突变。因此，这样的海床轮廓会导致水流极为湍急。

图2 查考海峡

从极端风速的意义上讲，风候并非十分恶劣。最大设计风速56m/秒（50m海拔高度），相当于基础的风速26m/ 秒（10m海拔高度的10分钟平均风速）。但是，通常都是正常风速，所以风敏施工方法可能会受影响。

钻探

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位于海峡中间的罗卡·雷莫利诺斯（西班牙语：Roca Remolinos，意指漩涡）小浅滩，在1960年地震以前是一个实际存在的小岛，地震中整个区域下陷了好几米，只有在低潮位时才能看到岩石表面。浅滩区由一种被称作“Cancagua”的火山喷发的胶结软岩石构成，这种岩石也是典型的海床表层岩石，沿着海岸即可看到。有的地方是带有软岩层的砂砾石，而有的地方，Cancagua的形态又比较均匀。

图3 罗卡·雷莫利诺思

罗卡·雷莫利诺斯浅滩最高平面约有100m宽，水深小于10-12m。平面周围的海床陡坡足有50-90m深。为勘探小浅滩处桥梁支座下方的地质条件，还进行了岩土钻凿。由于强流条件下很难锚定钻探装置，钻凿工作有所延误。

图4 岩土钻凿

多跨悬索桥

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全球目前只有几座多跨悬索桥。法国在19世纪末修建了一座短跨桥。1936年旧金山-奥克兰海湾大桥西海湾跨线桥通车，是这一概念设计第一次用于大跨径桥梁。西海湾桥通行之前，进行了综合研究，以便在2850m长桥梁缆索支架的两种不同结构概念中做出选择。

第一个多跨选择方案中，桥梁由两座悬索桥连接而成，两座桥均采用传统地锚式解决方案，但固定到同一个锚碇。第二种方案中，主缆仅连接两个锚碇和吊起4个跨。

在第二个方案中，只在一个主跨上施加交通荷载，得出的结论是，对于一座多跨悬索桥而言，最根本的灾难是中心桥塔相对自由地倾向于负荷跨，原因是为防止桥塔上移，另一主跨的缆索只能提供微乎其微的水平阻力，而桥塔上移反过来又会导致两个主跨的桥面发生大幅度垂直位移。因此，需要加固系统和增加中心桥头与桥梁的抗弯刚度。最终选择了第一种也是最传统的方案。由于桥梁允许列车通行，因而避免桥梁出现大幅角度偏移这一点至关重要。另外，还需了解桥的可预测空气弹性变形特性。如果借助当今改进的分析工具以及对风象的深入了解，也许第二种方案更有机会被选中。

多跨悬索桥是在1968年墨西拿跨线桥竞争中被提出的。第一批与西海湾桥同一类型的多跨桥，修建于上世纪80和90年代。第一座是由两座悬索桥连接而成的备赞濑户大桥，随后是由三座悬索桥连接而成的来岛大桥，这两座桥成为了日本本州-四国的交通纽带。常用锚碇需承受恒定的部分或全部平衡水平荷载，除了可以优化这些常用锚碇，考虑地震等极端事件情况下连续坍塌的风险之外，这些结构的性能与传统的悬索桥一样。

图5 多跨悬索桥

图6 备赞濑户大桥

桥梁方案研究

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对于跨水域桥梁，决定跨长的因素通常是下部结构的建筑成本。但是，也可以根据航道净空来设置最小跨长标准。查考海峡深水区的基础不予考虑，最终认为现实的桥梁方案就只有缆索承重桥梁（悬索桥或斜拉桥），其中已经考虑了连接奇洛埃岛北岸与大陆的各种桥梁构造，包括罗卡•雷莫利诺斯浅滩以西15km的Pta. Mutrico与以东5km 的Pta. Tres Cruces之间跨越奇洛埃岛海岸线的带状构造。

由于海峡深水区的水深一般，因此经过再三确认， 最佳桥梁线路为跨越罗卡•雷莫利诺斯浅滩。但是经过推断，极深水域中的基础在技术上不可行，施工中也会产生额外成本。

在初期，即可排除罗卡•雷莫利诺斯浅滩作为桥梁支承基础的可能性。如此一来，唯一技术上可行的方案就只有单跨悬索桥，而且，该方案可以消除有关恶劣海洋条件下海洋基础的任何顾虑。将两个桥塔均设置在靠近海岸线，并且可以保护施工场地不受强流影响的浅水区，跨长就限制在2200m左右。

经过仔细测量和检查发现，此项打破世界纪录的解决方案在技术上是可行的。但是，成本预估又表明该解决方案的不经济性，因此最终遭到摒弃。

此外，还考虑了多跨斜拉桥方案。

罗卡•雷莫利诺斯浅滩所处位置致使跨长不对称，大陆一侧跨长较大，为1100m，这是一项斜拉桥世界纪录，而靠近奇洛埃岛的跨长较短，只有850m。对于大跨径斜拉桥而言，关键障碍是施工期间长悬臂板的抗风稳定性，而双跨桥梁很难满足这一点。相对于悬索桥方案，斜拉桥方案稍显逊色。

此外，还提出了1270m中等跨度的单跨悬索桥方案。

820m长边跨与主跨长之间的极度比例为0.64，这远非一个优良的设计，并且通常会导致桥面大幅垂直变形。而增加中心桥塔的抗弯刚度，并利用液压缓冲器水平阻挡桥面运动，可将桥面垂直变形减小至正常悬索桥的桥面垂直变形量，也就是说，经过推断这一概念在技术上是可行的。

该解决方案有一大好处，即罗卡•雷莫利诺斯浅滩上的支承面积可以减至最小，使桥梁支承远离任何陡坡海床。仔细比较最终采纳的解决方案，采用长边跨和海洋锚碇的概念未能节省任何成本，尤其是结合视觉呈现考虑， 该概念稍显逊色。

Icuatro-Fhecor在1997年的一项前期研究中，提出了由两座悬索桥连接而成的跨线桥。同现有的旧金山西海湾桥等多跨悬索桥相矛盾的是，其主缆未固定到共用的中心锚碇，缆索穿过并固定在塔基上，以此减小罗卡•雷莫利诺斯浅滩区域所需空间。但是，从水深测量详图上可以看出，罗卡·雷莫利诺斯浅滩平原比1997年研究中预计的要小，这也就是该解决方案中缆索过陡的原因。

因此，随后对此概念进行了修改，使主缆锚固在桥塔内，与桥面齐平，缆索倾斜45度。

总之，桥塔需位于罗卡·雷莫利诺斯浅滩沿线的陡坡附近。另外，巨大的作用力会使工字形桥塔的下方刚性构架产生较大的弯矩，因此该概念遭到摒弃。

连续双主跨悬索桥

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此概念为最终设计所采用，由北侧罗卡•雷莫利诺斯浅滩与大陆海岸之间的悬索结构和南侧连接浅滩与奇洛埃岛的较小结构构成。

从北侧锚碇到南侧锚碇，缆索呈连续分布。除连续分布的主缆之外，该概念还延续了传统的悬索桥设计。由于采用了双跨，所以中心桥塔不能采用常规的垂直桥塔，因为垂直桥塔会使桥梁结构变得非常灵活，这样中心桥塔应对穿其而过的主缆产生水平刚度。因而，A形构架的刚性桥塔更加符合逻辑。

与采用两座连续悬索桥的解决方案相比，该方案的一大优势是，浅滩区域的桥塔基础水平间距由110m减小至仅50m。因为浅滩平原狭窄，这意味着基础点处的水深会存在限制，而且基础点将远离陡坡。

图7 连续双主跨悬索桥

图8 倒立Y形桥塔

图9 图文

罗卡·雷莫利诺斯浅滩区域桥塔

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在一个主跨上施加交通荷载会导致中心桥塔负载不对称。这样的桥塔能够承受较大的荷载差，但主缆与承枕之间可能存在的摩擦会限制可以传递的最大荷载差。中心桥塔承枕顶部将设置一个夹具，提高荷载差承受能力。

最终设计中，A形桥塔改为了倒立的Y形桥塔，后者具有一个公认优势即具有更高的灵活性，可大大降低摩擦需求。但笔者认为，A形桥塔更为有效可靠，倒立Y形桥塔的桥腿连接极为美观，其对抗震要求很高这一点很重要。

位于地震设计荷载较大的地震高发区的查考海峡跨海桥，其位置和施工是整个项目的主要关键问题之一。尽管大跨度悬索桥具有超强的抗震能力，但设计在很大程度上还是受抗震要求所影响。

查考大桥采用的高大桥塔由混凝土制成。位于地震高发区的混凝土桥塔缆索承重桥梁实例有：

◆ 加利福尼亚Carquinez悬索桥

◆ 埃尔克大桥（Yelcho Bridge）， 位于查考海峡南部的150m跨度斜拉桥

◆ 墨西哥梅斯卡拉大桥

◆ 葡萄牙里斯本Vasco da Gama大桥（采用150m高混凝土桥塔）

◆ 墨西哥夸察夸尔科斯大桥，采用100m高混凝土桥塔的斜拉桥

◆ 希腊里瓮安提里翁大桥，采用三座560m的斜拉主跨横跨科林斯湾65m 深的水域

◆ 加利福尼亚东海湾桥

众所周知，大跨度悬索桥需要具备足够的位移量来应对地震灾害。震动的基本周期较长，所以桥面的峰值位移响应与峰值地面位移接近。在1995年发生的神户大地震中，悬索桥和斜拉桥都承受了很强的地面运动。这些结构普遍具有良好的灵活性。

由于地面高低不均、潮汐变化和水流等原因，浅滩区域桥塔基础施工困难。桥塔基础都是在为每条塔腿钻凿打入大直径桩之后再进行施工的。

浅滩区域应当设置临时钢平台，以便进行钻凿操作。混凝土桩顶部套上钢板桩，这种情况下，钢板桩应套上坚实的桩帽，并在水中置入连梁。

大陆一侧桥塔

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在研究过程中发现，变化最多的桥梁参数是大陆北侧的主跨长。因海洋条件恶劣，将北侧桥塔置于岸上是一个很大的诱惑。但这会导致主跨长度需达到1400m左右，而且不够经济。同时，在考虑了可以在不同水位安装桥塔的各个位置之后，最终决定将位置定于22m水深左右，这样就能实现1100m左右的中等跨长。

这样的好处有：首先，节省总成本；其次，桥梁不易出现风中不稳定的情况。另外一个作用是，鉴于跨长和桥塔位置，桥梁看起来处于相当不错的视觉平衡状态。

22m水深处的桥塔基础采用与浅滩区域桥塔相同的施工方法进行，即在水面上的大直径桩套上坚固的桩帽。当然，这样的桥塔存在一定的装船风险。根据评估发现，在垂直于桥梁的方向上存在相当大的设计作用力，桥塔和基础都应这样设计。

锚固和桥面

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查考海峡两侧的锚固都是相对简单的基于引力的结构，通过摩擦和被动地压固定主缆。

图10 锚固

桥面按照尽可能轻巧而合理的原则设计。查考大桥项目采用的是上世纪60年代末欧洲开发的最先进密封钢箱梁。宽度与将来的四车道纵断面一致。要实现最小的结构质量，同时又提高桥梁抗震性能，减轻重量的问题尤为重要。

桥面由一个桥墩衔接到另一个桥墩，浮装在塔腿之间，无需桥面支承。该原则率先被科威公司应用于丹麦大贝尔特悬索桥。采用该原则，无需伸缩缝即可进行桥梁维护，桥梁结构简洁而精致。此外，该原则增强了桥梁体系的刚度，改善了桥梁的变形范围和抗风稳定性。

最终设计中采用的桥梁概念，是结合各种个性化需求的折中方案，不仅在技术上可行，节约成本，其结构还符合逻辑，并适合查考海峡。

图11 桥面

（作者单位：丹麦科威公司)

（编辑：陈晨)

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