与传统的两塔悬索桥相比，三塔两主跨悬索桥通过增设一个中间塔的方式，实现悬索结构连续布设。虽然都是以缆索为承载结构，但是由于中间塔的设置，带来了中间塔两侧缆力的平衡与调整问题。也正是由于“中间塔效应”的存在，三塔悬索桥现诸多结构特点。

这种全新的结构形式无实际工程可供借鉴，特别是中间塔、中间塔基础以及与中间塔有关的支承体系，存在一系列设计、施工技术瓶颈需攻克。

1 泰州长江公路大桥结构体系概况

泰州长江公路大桥跨江主桥位置水面宽度约为2.1 km，两岸堤防相距约为2.5 km。河床断面呈“W”形，中间与两侧相比，水深相对较浅。河段两岸均为长江中下游冲积平原，土质松软，覆盖层厚，基岩埋深在200 m左右。主桥采用主跨为1 080 m三塔两跨悬索桥结构形式，总体布置如图 1所示，不但避免了江中有两个较大的主墩基础，而且为该江段航道的定线制实施以及可能的深泓左移、航道变迁预留了调整的余地。同时，与2 160 m 跨径的两塔悬索桥相比，三塔两跨悬索桥的中间塔使得主缆的承载跨度减小1/2。主缆和锚碇的工程量有较大程度的减少^{[1, 2]}。

图 1 泰州大桥桥位总体布置图(单位：m) Fig. 1 Layout of Taizhou Yangtze River Bridge (unite: m)

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三塔两主跨悬索桥通过增设一个中间塔的方式，实现悬索结构连续布设。这种全新的结构形式无实际工程可供借鉴，并且由于中间塔效应的存在，结构体系与中间塔设计、深水沉井定位与下沉控制、中间塔制作与安装等设计、施工技术尚存在一系列瓶颈需攻克。

2 三塔连跨悬索桥结构体系与刚度关键参数

在现有技术与材料的前提下，三塔两跨悬索桥适宜跨径范围为800~1 800 m，垂跨比影响要比两塔悬索桥更敏感(几何非线性更趋显著)，垂跨比越大、中间塔越高，三塔两跨悬索桥的竖向和纵向刚度越小。但主要设计参数的取值范围和影响规律的趋势与两塔悬索桥基本相同：跨度比宜取0.3~0.5(边跨有悬吊)或0.2~0.35(边跨无悬吊)，垂跨比一般取1/9~1/11^{[3, 4]}。

三塔两跨悬索桥主缆对中间塔的约束较弱，而这种全新的体系最大的特点，就是活载造成的缆力差通过中间塔挠曲变形来适应。因此，结构体系成败的关键在于由活载引起的桥面纵坡变化应控制在合理范围，也就是桥跨竖向刚度要有保证。 2.1 支承约束体系

主要考虑的支承包括：主梁在中间塔处的支承，以及中央扣的设置。

主梁与中间塔考虑了简支、连续+弹性索、固结3种体系，分别从主缆与鞍座间抗滑、加劲梁挠度、中间塔纵向位移等指标研究结构响应。综合静力和模态分析结果，3种支承约束体系都可成立。但简支体系在铰缝(伸缩缝)处易形成折角；固结体系虽然刚度最大、主缆抗滑性最好，但固结区栓接、焊接构造和受力都变得复杂；连续体系没有明显的缺点，特别是全漂浮体系值得推荐。

对于中央扣分别考虑了不设置、只依靠主缆(中央扣)、只依靠桥塔(弹性索)3种情况。分析结果显示，依靠中央扣不能有效约束加劲梁纵漂，设置弹性索能够有效减小加劲梁纵向位移，并能提高主缆抗滑安全性。因此，三塔两跨悬索桥建议放弃中央扣，采用弹性索限制主梁纵向位移。 2.2 中间塔刚度

在主缆与鞍座间不采取特殊措施的情况下，中间塔既不能过柔，也不能过刚，适宜的刚度范围是三塔悬索桥关键体系参数。此外还要求中间塔本身的强度和稳定性能满足要求，主缆与中塔鞍座间抗滑移安全有足够的保障。

在分析了纵向A形、I形、人字形中间塔的刚度匹配性后，结果显示纵向人字形钢结构中间塔对于连续+弹性索三塔两跨悬索桥有良好的刚度及抗滑匹配性^{[3, 4, 5]}。并且提出了中塔刚度适宜区间的估算公式。

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式中，I-为中塔惯矩均值；I-₀为中塔惯矩均值的下限估算值；λ为中塔惯矩系数比；l为中塔单柱结构长度；Wl为一个主跨的活载重，只计均布荷载，即Wl=qL;q=qK×车道数×横向折减系数×纵向折减系数；Wd为全桥的主缆和加劲梁总质量，即Wd=Wc+Wb;E为钢材弹性模量。

沿用两塔悬索桥的控制指标，即：(1)主缆抗滑系数K≥2(即中间塔紧边与松边主缆拉力之比Fct/Fcl≤1.087 2)，控制中间塔刚度上限；(2)挠跨比fb/L≤4‰，控制中间塔刚度下限。

2.3 中间塔鞍座抗滑安全性

由于主缆对中塔顶的约束较弱，任何工况下，均要求保证主缆与中主鞍座间不发生相对滑移，否则会造成整个体系的破坏。

国内传统两塔悬索桥，主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数一般采用μ=0.15，相应要求抗滑安全系数K=2.0。国外相关资料显示摩擦系数一般在0.19~0.3。

本研究进行了主缆与中主鞍座间抗滑移试验，图 2为现场试验照片。实测单束钢丝摩擦系数0.30~0.39，多束钢丝摩擦系数0.52~0.54。最终确定中间塔主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数μ取用0.2，相应抗滑移安全系数不小于2.0^{[6, 7]}。

图 2 主缆与鞍座抗滑移试验 Fig. 2 Antiskid test of main cable and saddle

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2.4 钢中间塔疲劳计算车辆荷载模型

通过试验，验证了反复压应力作用下焊接构件仍会产生疲劳破坏。

对于钢中间塔，须从疲劳的角度分析纵向挠曲造成应力变化。本文开展的研究，从车辆荷载调查出发，建立疲劳计算车辆荷载模型。

疲劳计算车辆荷载模型两个主要参数为车质量、间距。本文采用混合对数正态分布模型可以较好地模拟各种车型以及车重多峰分布的情形^[8]。

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这其中，图 3所示的四成分混合对数正态分布对全桥总体车重的拟合结果，从概率密度函数和概率分布函数看，其拟合精度都较高。

图 3 四成分混合对数正态分布拟合结果 Fig. 3 Fitting result of 4-component mixture logarithmic normal distribution

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车辆间距采用对数正态分布对经验分布的拟合效果最好，能够满足显著性水平为95%下的χ²拟合优度检验。

为了更好地反映车辆荷载构成，本文相关研究基于交通调查建立了车辆的车重谱模型，如表 1所示。从表中可知：车辆总重值和货车比例要大于以往研究结果，显示我国车辆荷载的重量值和交通量有逐渐增大的趋势。

泰州大桥主桥中间塔采用沉井基础，总高76 m，沉井标准断面尺寸为58 m×44 m，沉井刃脚底标高为-70 m。由于桥位处水流较急，施工需经历一个洪水季，且所处河床均为深厚砂层，因而其定位及下沉过程控制风险极高。

3.1 沉井定位控制系统

沉井采用锚墩定位，两个锚墩分别布置在中塔桥轴线上下游170 m；锚墩用钢管桩作为主要承力桩。

上下游锚墩上分别布置12台卷扬机，钢沉井通过4根主拉缆和2根下拉缆与锚墩上的卷扬机连接。在沉井另外两侧(南北侧)各布置6个边锚，其中4个为侧向边锚，2个为侧向边锚下拉缆。边锚及边锚下拉缆通过沉井上的导向装置与锚墩卷扬机连接。定位系统见图 4。

图 4 钢沉井定位示意图 Fig. 4 Schematic diagram of location of steel caisson

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各缆拉力根据沉井结构尺寸、吃水深度、以及沉井所受水流的冲击力及风载确定。拉缆张力通过卷扬机调节。

沉井定位过程分为初定位、安装锚墩定位系统、精确定位3个步骤^{[9, 10]}。首节38 m钢沉井整体拖运到墩位附近，迅速安装临时拉缆，并将钢沉井偏差控制在50 cm以内。然后安装锚墩定位系统，临时拉缆向张拉定位转换。最后调整卷扬机，按照先张后放原则，精确调整至垂直度≤1/150，平面位置≤30 cm。

3.2 沉井定位下沉RTK信息化监控技术

沉井在着床和下沉过程中处于动态平衡状态中，人工测量方法难以获得沉井瞬时几何状态，信息反馈滞后，加上环境因素的影响(水流、风浪、雨雪恶劣天气)，很难实现沉井下沉几何姿态期的准确定位。

本文相关研究开发的沉井RTK信息化监控系统由定位系统、数据采集分析系统和控制系统3部分组成，通过无线传输网络，可以实现测点信息实时监测^[11]。沉井定位系统由上下游锚墩、锚碇系统和拉缆组成。 数据采集分析系统由GPS基站、接收机、全向天线、无线网络和数据处理分析中心组成。控制系统是监控系统的核心部分，通过数据采集分析系统得出沉井偏位，发放控制指令，通过控制装置调整拉缆的受力，以达到对沉井偏位量进行修正的目的。图 5为沉井RTK信息化监控系统的动态分析界面。

图 5 沉井RTK信息化监控系统三维动态图形分析 Fig. 5 Three-dimensional dynamic graphic analysis by caisson RTK information monitoring system

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利用本项技术，泰州桥中塔沉井下沉过程中心偏位均在10 cm以内摆动(设计要求为50 cm)。图 6为RTK信息化监控系统在沉井下沉过程中监测到的沉井中心偏位变化，图 7为监测到的沉井下游固定缆索拉力变化情况。沉井施工结束后沉井终沉倾斜度控制在1/364，满足误差精度(1/150)控制要求

图 6 沉井中心纵向偏位变化曲线图 Fig. 6 Curves of caisson central longitudinal offset curves

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图 7 下游缆索拉力变化变化曲线图 Fig. 7 Curves of downstream cable tension

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按照钢塔制造和安装全过程精度理念，建立累积精度控制体系。图 8为精度管理系统界面。

图 8 钢塔节段累积精度管理系统 Fig. 8 Steel pylon segment cumulative accuracy management system

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钢塔柱为变截面切角矩形结构，其中壁板、腹板厚度达60 mm，加劲肋厚度48 mm，横隔板厚16～32 mm。同时，钢塔节段几何精度要求很高，其中端面高度和宽度允许偏差均为±2 mm，对角线差及旁弯允许偏差为3 mm，扭曲允许偏差为3 mm。全断面平面度≤0.25 mm，塔段横桥向和纵桥向端面垂直度≤1/10 000，塔段间壁板、腹板金属接触率≥50%，纵肋金属接触率≥40%。如此高的精度要求给塔柱节段加工带来了很大难度。

首先根据钢塔柱单节段的塔段长度、端面垂直度及两节段预拼时壁板轴线间错移等项点的测量结果，利用计算机进行仿真预拼，预测塔柱的安装误差，并指导后续塔段的加工(对高度偏差和轴线偏移进行修正加工)和两节段预拼(对扭转偏差进行修正)作业。

为了保证水平预拼的金属接触率要求，研制出了水平预拼加力系统，预拼检验制造精度和金属接触率。图 9为水平预拼装加力系统局部。

图 9 钢塔节段水平预拼加力系统 Fig. 9 Steel pylon segment horizontal pre-joining stressing system

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钢中间塔D0~D5和下横梁节段采用大型浮吊吊装，D6~D20和上横梁节段采用MD3600塔吊吊装。考虑到累积精度管理指导节段加工时仍有公差带的限制、测量仪器也有一定的精度限制，为了保证高精度的塔柱线形要求，钢中间塔吊装过程中，在塔柱的不同高度处设置了4条调节缝(如图 10所示)，用于在安装阶段进行误差修正。在调节缝位置，相邻钢塔节段不需满足金属接触率要求，只通过摩擦型高强螺栓连接传力，通过改变接缝状态进行塔柱线形调整^[12]。

图 10 钢塔吊装调节缝位置 Fig. 10 Arrangement of adjusting gaps for steel pylon hoisting

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泰州大桥中间塔于2010年3月31日吊装完成。钢塔中心在纵桥向偏位为14.4 mm，横桥向偏位为-7.4 mm。扣除D0节段的纵桥向定位误差4.6 mm，横桥向为-3.5 mm，钢塔在纵桥向的垂直度为1/19 591，横桥向垂直度为1/50 065。优于设计规定1/4 000 的精度要求。

5 结论

为了支撑泰州长江公路大桥建设，设计之初我们就组织开展了系列研究工作，系统研究多塔连跨悬索桥结构体系、中间塔刚度及鞍座抗滑安全、钢中间塔疲劳荷载模型等关键技术，实现了桥梁结构体系的创新。在施工阶段通过研发沉井基础定位下沉控制系统、中间塔制作安装累积精度控制系统等各项误差控制技术，最终实现世界首座跨千米三塔两跨悬索桥优质建设，掌握大跨径悬索桥核心技术，推动了桥梁建设技术进步。