日本明石海峡大桥

1、日本明石海峡大桥一、概述图5.33为明石海峡大桥的桥式、加劲桁梁截面级钢塔架。本桥于1988年5月开工，1998年4月完工，历时10年整，原设计为双层桥面的公铁两用悬索桥，跨度为890+1780+890m，后因各种原因该为单层桥面公路悬索桥，并将跨度改为960+1990+960m。图5.33明石海峡大桥的桥式、加劲桁梁截面级钢塔架(mm)a桥式立面b加劲桁梁横截面c钢桥塔示意图d塔柱截面本桥的实际跨度由于1995年1月15日发生的阪神大地震，使锚锭和塔墩的基础出现变位（图5.34），改为960+1990.8+960.3m。当时由于主缆已架设完毕，经验算后继续施工，并将加劲桁梁适当作局部调整，故

2、出现今的主跨有的资料以1991m计。设计中采用的基本风速为46m/s，加劲桁梁的设计风速为60m/s，桥塔的设计风速为67m/s。最大水深达110m。最大潮流速度为4.5m/s。二、桥塔本桥采用如图5.35所示的的钢桥塔。塔高约283m，每塔由两根略带倾斜的十字形空心大格式钢柱、5组交叉式斜杆以及两道横梁连接组成。两柱的中心距为46.5m（底部）35.5m（顶部）。十字形塔柱截面的轮廓尺寸为横向从底到顶为6.6m（等值不变），纵向从底部的14.8m向上逐渐缩减到顶部的10.0m。塔柱的各空心大格室均匀布置有竖向加劲肋。图5.34阪神大地震引起的基础变位示意图（m）桥塔用日本的SM570钢材制造

3、，每塔用钢23100t，两塔共耗钢材46200t。塔柱在高度方向分为30个节段，在水平方向每个十字形截面又分为3块，每块的起吊重量均小于160t。南北两端塔顶中心偏移的施工误差分别为29mm和39mm，均小于容许值（塔高/5000）。由于桥塔高度特别大，因此在抗风方面除了将每个塔柱的截面外形从矩形切去四角成十字形外，每柱还设置了质量为84t和114t的TMD（调质阻尼器）各一个，用来抵抗第一挠曲振动和第一扭曲振动。三、主缆由于本桥的跨度是破世界记录的，因此在初步设计中曾考虑仿照美国华盛顿桥和维拉扎诺桥，在桥面的两侧每侧采用一对主缆，以避免主缆直径过大。但因每侧采用一对主缆比常规的单根主缆施工麻

4、烦，不仅施工时要有较宽的猫道，并且还会加大锚锭中的散索室与锚固部分的空间尺寸以及成倍增加的索鞍、索夹与吊索的数量。因此，最终以提高主缆的钢丝强度并适当降低其安全系数，使之仍采用传统的每侧一根主缆的方案。本桥最终采用的的钢丝强度从1580MPa提高到1800MPa。考虑到由于本桥跨度特别大，主缆的钢丝应力中恒载应力很大而活载所占比例非常小（仅8左右），而这部分很大的恒载应力是比较稳定可靠的，所以将其安全系数从一贯的2.5降低到2.2。在上述的设计原则下，主缆采用PS法施工，垂跨比1/10，每根主缆有290股PWS钢丝索，每股有127根的钢丝，全桥共用钢丝57700t。本桥主缆在紧缆并包裹后的直径

5、为1120mm，仍居世界第一。（注：其次是青马大桥的1100mm及南备赞桥的1070mm）。另外，本桥猫道也由于跨度大的关系承重较大，所以首先采用强度为2000MPa的镀锌钢丝来制造猫道的承重索。并且首次取消了猫道下面的抗风索，只在两侧的猫道之间增加必要的抗风构件。除此之外，本桥在主缆施工时首创采用直升机架设导索。另外，本桥主缆除采用常规的防腐体系外，还在缠包钢丝之外加一层作封闭用的薄橡胶皮膜，沿主缆每隔一定距离（140m左右）设有通风孔眼一个，利用除湿装置可将干燥大气压注入被橡胶皮膜包封的缝隙内，借以达到防潮去腐。四、竖吊索本桥的长吊索采用平行钢丝索（PWS）制造，短吊索采用炭纤维加劲缆索（

6、Carbon Fiber Reinforced Cable，简称CFRC）制造。吊索与加劲梁的连接方式为，PWS用铰接，CFRC用锚环承压。本桥的竖吊索，长度为1040m的称为短吊索，10m以下称超短吊索。在短吊索区间与超短吊索区间架设加劲桁梁的平面构件单元时分别采用特殊的扁担梁（人字形扁担梁，上下扁担梁以及形扁担）。五、加劲桁梁本桥早在1988年的5月就破土开工，因此，设计的时间更早。最先设计时，本桥的主孔跨度为1780m，由于时公铁两用桥的关系，加劲梁在日本时理所当然的采用对双层桥面最适宜的钢桁梁形式。后期，主跨改为1990m，并取消在桥上通过双线轨道后，对加劲梁究竟采用钢桁梁还是采用呼声

7、日益增高的钢箱梁曾做过比较，由于当时日本钢箱梁经验的不足，只有主跨560m的大鸟桥正在施工中和720m的白鸟桥正在设计中（当时来岛一、二、三桥原设计均采用钢桁梁，到90年代才改变为钢箱梁），所以在通过风洞试验的基础上仍维持采用钢桁梁。图5.33为本桥最后采用的三跨双铰加劲钢桁梁的横截面。钢桁梁的桁宽35.5m，桁高14.0m，由两片主桁梁及桁架式横梁以及横梁上的桥面系等组成。钢桁梁的小节间长度为14.2m，大节间长度为28.4m。钢桁梁采用低炭钢SS400及高强钢HT780制造，共耗钢89300t。最大活载竖向挠度为+8.0m（向下）及-5.0m（向上）。最大横向风力引起的水平挠度达27m，梁

8、端的伸缩量达1.45m。风洞试验时考虑了主缆的影响与紊流影响，所以风洞尺寸为41m4m40m（宽高长）。试验结果在桥面上增开孔隔栅以及在主孔增设竖向稳定器。六、锚锭北桥的北锚锭由于采用地下连续墙防水而修建于神户层（洪积砂砾）。地下连续墙为一圆筒形基础，外周直径85.0m，高75.5m，墙厚2.2m，墙底标高约为-73.0m。施工时在地下连续墙完成后的圆筒内以深井降水进行开挖。开挖的深度高于地下连续墙底约12.0m，即开挖到标高约-13+12=-61m处，然后用26万立方米碾压混凝土进行填充，再在其上面用23万立方米高流动性混凝土修建锚锭。本桥的南锚直接修建在花岗岩层上，基底做成梯级状，最深的基

9、底标高约为-23.5m。整个南锚共用混凝土15万立方米。七、加劲桁梁的架设1.架设方法本桥加劲桁梁的架设方法具有以下一些特点：（1）采用以平面桁架节段进行伸臂架设大跨度悬索桥加劲梁的架设方法可以分为平面桁架节段来做伸臂架设，以及在正下放将桁架梁立体节段直接起吊来进行安装。本桥由于桥下船舶航行状况的关系，只能在桥塔附近的工程作业海域内以及海岸填土修筑的锚锭作业场岸壁前面可以长时间的使用海面；另外，由于采用起吊立体节段进行安装要增加别的起重设备来架设桥面系的钢桥面板和附加梁而不经济，因此采用平面桁架节段来进行伸臂架设。平面桁架节段的架设采用逐次刚性固接法，将架设前端的3个节点进行调整吊拉就位而采用

10、无铰的施工方法。（2）边跨的架设是从锚锭往桥塔方面进行以前的采用平面桁架节段进行伸臂架设的悬索桥，边跨一般都是从桥塔往锚锭方向进行的。本桥由于在伸臂架设中能够上坡的关系，以及可以分散作业场地等理由，决定采用从锚锭往桥塔方向进行架设。（3）在架设开始阶段先采用大的立体桁架节段本桥加劲桁梁的架设，开始先在两个桥塔的两侧（边跨侧与主跨侧）以及两个锚锭的前面，共4个地方进行大的立体桁架节段的架设。这样做的目的是可以在这些节段上先装载架设用的机具与材料，减轻现场作业、确保安全与缩短工期。先架设的这些大节段并可作为供应平面桁架节段的基地。（4）在架设短吊索部分的节段时使用特殊的空中扁担梁短吊索部分的主缆与

11、加劲桁梁上玄杆之间的净高较小。以前的悬索桥在架设这部分的加劲梁时采用倒换吊装的方法（将加劲梁段从一个吊点倒换到另一吊点，逐步就位），作业比较烦杂。为了减少这种烦杂，并且提高安全程度与缩短工期，采用特殊的空中扁担梁。（5）在桥上采用橡胶轮胎式（汽车轮胎式）运输平车运送构件过去都是采用钢制轨道式运输平车运送平面桁架节段的构件。如采用轨道运输，本桥则需铺设轨道4km多，工程量非常大，所以采用不需轨道的汽车轮胎式运输平车。这种运输平车不需作轨道的铺设和拆除，故可带来缩短工期的好处。2.桥塔处立体大节段的架设加劲桁梁的架设如图所示，在架设初期先架设6个大的立体桁梁节段（它们的位置分别在两个锚锭之前以及两

12、个桥塔的两侧，即主跨侧与边跨侧）。待这些大节段架设好之后，再架设平面桁架节段或单个构件作单元来进行伸臂架设。桥塔附近的立体大节段分为两个桥塔的主跨侧和边跨侧共4个来进行架设。每处架设的大节段都是6个节间。桥塔边跨侧的大节段上装载卸货吊机，作为供应架设中孔主跨平面桁架节段用的基地。桥塔主跨侧的大节段装载走行式吊机及移动式防护设备与移动式安去工作平台，以准备进行平面桁架节段的伸臂架设。（1）准备工作由于明石海峡的潮流很急，系泊大型浮吊需向海底下重锚，故预先设置沉锚以便准备架设。另外，在桥塔塔架的下横梁上设置安装梁的支撑梁，同时进行桥塔连杆的后退。在地面组拼场将大节段组拼好之后，在桥塔边跨侧的大节段

13、上装载卸货吊机，在桥塔主跨侧的大节段上装载走行式吊机与移动式防护设备与移动式安全工作平台。另外将架设大节段用的安装梁装在浮吊上，并将对架设大节段所必须的工作平台在地面组拼场上安装好。（2）架设要点将组拼好的加劲梁大节段从地面组拼场或系泊在岸壁附近的驳船上由浮吊吊起，在浮吊的吊挂状态下进行拽航向现场海域运送并作临时的停泊。此吊挂有大节段并作临时停泊的浮吊在架设当天早上，于潮流速度小于3.0节（海里/小时）时开始前进，在所装载的吊机悬臂于吊索不碰撞的条件下，同时在从猫道上进行监视情况下将梁体的大节段移动到桥轴线上之后，将大节段向上提升并向塔侧进行横移（即在桥轴线上纵向移动），在移动的同时将大节段上

14、的安装梁通过安装梁的导向装置，将其前端到达所定位的位置并进行微调。然后，在梁体大节段的坡度调整好之后，进行吊索与大节段的锚固作业。吊索的锚固节点在边跨侧是东侧2节点与西侧2节点，在主跨侧是东侧2节点与西侧6节点。吊索锚固完毕后，浮吊完成卸载之后，卸除吊具，然后浮吊后退并作临时停泊。在潮流速度小于2.5节时解除停泊用的系缆，离开工程作业海域。3.桥塔处立体大节段的架设在桥台处大节段的起吊位置的上方，由于主缆的位置很低，为了将浮吊的吊点放在东西两根主缆之间的上方，使吊具在两根主缆之间降落来起吊大节段，故用驳船将大节段运送到现场的架设位置，采用在该位置上用浮吊的方法来进行架设。架设地点为两侧（神户侧

15、与淡岛侧）的锚锭前方。（1）准备工作由于桥台处大节段的架设也要将大型浮吊与运送大节段的驳船进行临时锚泊，故预先也有进行下沉重锚的作业。与塔旁主跨侧的大节段一样，在地面组拼场地将移动式防护设备与移动式安去工作平台安装在组拼好的大节段上。此外，还要预先设置架设大节段所必须的工作平台。（2）架设要点在神户侧的大节段上由于安装有兵库县的了望游览走廊，故其架设重量达3800t。因为武藏号及吉田号浮吊的架设能力只有3600t和3500t，所以3800t的大节段使用日本国内起重能力最大（4100t）的海翔号浮吊来架设。首先，在架设之前，先将浮吊锚泊在桥台前面。在次日早上将运送大节段的驳船锚泊在桥轴线上，用浮

16、吊将驳船上的大节段起吊，驳船即可松缆解锚而离去。然后将浮吊向桥台侧横移，使大节段移动到架设位置。之后，将大节段起吊提升，同时调整其坡度后进行与吊索锚固的作业。最后浮吊卸载，将浮吊的吊具从大节段上拆下，浮吊即可后退，并松缆解锚而离开现场的作业海域。4.平面桁架节段等的架设在工厂内组拼成架设形状的各种构件的平面单元由驳船运输，构件平面单元从水面起吊。起吊中孔主跨构件时，将驳船系泊在主塔基础的边跨侧设置的临时靠岸设备上；起吊边跨的构件时，将驳船系泊在锚锭前面的岸壁上。主桁梁、横向桁架等平面单元以及钢桥面系单元用桥上的卸载（货）吊机从水面起吊，其他构件用设置在主塔基础上及锚锭前作业场内的水陆转运吊机起

17、吊。钢桥面系在水上转运的同时，临时卸载在桥上，其他构件单元则临时存放在主塔基础上及锚锭前面的作业场上，根据架设次序用卸货吊机吊到桥上卸载。各类构件的架设单元，按照架设顺序装在桥上的运输平车上，运送到架设前端后再用走行吊机进行架设。平面桁架节段的架设如图5.35所示。图5.35加劲桁梁的架设阶段在每个架设循环作业中，吊索引拉作业、移动式防护设备及移动式安全工作平台向前移动两次，每次一个节间，走行式吊机移动1次共两个节间。图5.36平面桁架节段的架设示意（1）短吊索部分处的平面桁架节段架设与以前的许多悬索桥一样，明石海峡大桥加劲桁梁的主桁架与主缆在同一竖直平面内。在这种情况下，在主缆位置较低的部分

18、，也就是吊索较短的部分，由于猫道及主缆对走行式吊机悬臂的作业有干扰，不可能将主桁架平面节段从正下放直接起吊安装。大鸣门桥等的架设情况是先将走行式吊机所吊的主桁架平面节段一度转给主缆承载，然后再转换给悬臂顶部跨越主缆的走行式吊机承吊，用这样的倒换承吊的方法，决定采用特殊形状的空中扁担来进行架设。短吊索区间的特殊扁担采用人字形的平衡扁担。超短索区间的特殊扁担采用上下扁担及形扁担。（2）吊索拉引到位的要点关于吊索的引拉到位，采用大鸣门桥与濑户大桥等已有实践的调整3个节点的引拉力来使之到位。本桥的长吊索采用由PE管包封的PWS缆绳，短吊索采用CFRC缆绳。对吊索的引拉到位的方式根据缆绳的种类而有区别。

19、对PWS吊索采用直接引拉到位方式，对CFRC吊索采用通过临时吊索吊在加劲桁梁的上玄杆上的间接引拉到位的方式。引拉作业集中在设置于移动式防护设备上的操作室内进行。在操作室内设置有操作用与测定用的两台小型电子计算机，根据测定用的小型计算机的屏幕画面上的引拉量，在监视引拉力的情况下进行引拉作业。引拉量在中孔主跨的架设初期为0.3m，在边跨的架设初期为2.0m5.合龙加劲桁梁的合龙共计5处，即边跨桥塔附近与桥台附近各两处以及主跨跨中1处。（1）边跨桥塔附近处的合龙边跨桥塔附近的合龙是将架设的桥塔附近的6个节间的大节段与从桥台向桥塔由平面节段作伸臂架设到该处的加劲桁梁进行连接作业。在合龙前，将塔旁6个节

20、间的大节段向塔侧后移，以便合龙间部分的平面桁架节间可以插入架设。然后，在进行吊索引拉装置的移动后，使走行式吊车后退，以便进行合龙作业。合龙作业通过解除加劲桁梁的后移，将上弦杆的上翼缘作临时拼接，最后再将吊索与加劲桁梁连接。（2）边跨桥台附近的合龙在合龙节间部分以外的平面桁架架设完了以后，将前面一根吊索进行超引拉，然后进行平面桁架节段的架设。之后，再架设横向桁架与管理走道等。合龙作业包括将端连杆建立起来，通过吊索引拉千斤顶的放松来连接杆等顺序。此外，为了抵抗横向外力，再连接端连杆之前先将抗风支座架设好。（3）主跨跨中的合龙主跨跨中部分的合龙作业是将由两侧主塔伸臂到位的加劲桁梁进行连接，基本作业流程与边跨桥塔附近处的合龙相同。但在主跨跨中合龙的时候，由于合龙梁段的坡度接近水平状态，故对上弦杆可作正式的拼接。6.合龙后的作业加劲桁梁全部合龙后，在桥梁完成之前还要进行以下的作业。（1）架设格栅梁与开孔栅梁面板以及汽车防护栅栏为了缩短平面桁架节段的架设