韩国天使大桥：为索桥插上“天使之翼”
韩国天使大桥于2019年建成通车，全长约7.26千米，是韩国第一座在同一桥梁上设置斜拉桥和悬索桥两种桥型的桥梁。大桥因其采用了PPWS主缆（抗拉强度为1960 兆帕)、FCM墩台锚固和高性能钢材，以及优异的抗风稳定性入围了2020年度IABSE杰出结构大奖。
韩国天使大桥
韩国的西南海岸以其美丽的多岛屿而闻名。尤其是由木浦海岸线上1004座岛屿组成的新安郡，因为天使大桥的建成通车而 旅游 价值激增。天使大桥连接了Amtae岛和Apae岛，由一座斜拉桥、一座多跨悬索桥和多联梁桥组成。其中斜拉桥长1004米，三塔悬索桥长1750米，本文将重点介绍这座横跨主航道的多塔悬索桥。
设计上的选择
为了确保海上运输的安全，并且能够抵抗强风，天使大桥必须以独特的形状进行设计建造。按照招标文件和相关机构的通航要求，并通过韩国海事海洋大学进行的3D全桥模拟和海上交通安全评估，确定了两个650米的主跨布置方案。同时，为了与景观环境相协调，区别于周围地区的木浦大桥、珍岛大桥等斜拉桥桥型，选择多塔悬索桥是一种更优的方案。
图1 桥梁总体布置图
主缆
通过采用最新的1960MPa高强钢绞线，利用预制平行索股法（PPWS）架设主缆，提高了可施工性和经济性。考虑到主缆架设时的安全性及稳定性，将垂度比设为1/8。主缆的重量和直径分别为1900吨和309.4毫米。
在主缆的设计中，对3项技术进行了改进。首先，与现有的镀锌钢绞线相比，锌+铝涂层可以使疲劳寿命延长1.4倍，耐腐蚀性提高4倍。而且，这种涂层还可以提高除湿系统的使用寿命。其次，在防腐系统中引入橡胶包裹法，不再需要缠绕包裹线。通常S形的缠绕线有被腐蚀的风险，并且在定期喷涂方面始终存在耐久性和养护问题。橡胶包裹法既不需要单独的金属丝，也不需要定期上漆，与除湿系统一起使用时，可以确保最佳的耐久性。第三，塔顶鞍座的主体部分采用了混凝土材料，而不是悬索桥中常用的铸铁或结构钢。仅鞍座的槽是由钢材制成的。由于混凝土是现场浇筑的，因此不需要大规模的临时支架即可起吊鞍座，而且鞍槽也可以很容易地随塔式起重机安装。
图2 混凝土塔顶鞍座
主梁
主梁设计的首要任务是确保梁体的抗风稳定性及经济性。虽然通过减小主梁自重，可以保证经济性，但同时，过轻的梁体也更容易受到风荷载的影响。因此，需要在经济性和风稳定性之间保持适当的平衡。为了设计出最佳的主梁横截面，在参阅了各种文献研究后，选择了扁平的菱形钢箱梁截面。通过风洞测试发现，风嘴的上侧和下翼缘的夹角分别为30 和13 时，可以有效地控制主梁的颤动。为了减轻结构钢的重量，采用了50毫米的环氧沥青和支撑式横隔板，以及在主要构件中采用了最新研发的HSB500系列高性能钢，以提高钢桥的抗疲劳性能及经济性。
图3 加劲梁的横截面
桥塔
毫不夸张地说，在悬索桥中，桥塔的形状决定了整座桥梁的美观程度。而且，在多塔悬索桥中，主塔的稳定性和抗弯刚度也扮演着十分重要的角色。为了提高结构效率，有效抵抗由活荷载引起的纵向力，天使大桥的混凝土桥塔被设计成较为复杂的H形。主塔越坚固，当整体结构的刚度增加时，主梁的挠度就越小。但是，如果过度限制主塔的位移，则可能无法保持塔鞍和主缆之间的摩擦平衡力。为了让塔身保证足够的刚度，又不会对鞍座的滑移稳定性造成威胁，需要通过对塔身的刚度参数进行研究来确定最佳的截面刚度特性。考虑了主缆的滑移摩擦力和塔顶的挠曲变形，优化后的塔底截面的刚度比塔身截面的刚度高6.5倍。
锚碇
多塔悬索桥锚固点的水平力是由其中一个主跨度（650m）决定的，而不是整座桥的跨度。在设计时，将锚固点的水平力降低到了74200kN。这也是在韩国现有悬索桥中最小的水平力。因此，这一水平力的降低也有可能将锚碇体积降至最低，而锚碇通常占建筑成本的比例较大。锚固位置是在距海床10米以上的软黏土层，而距海平面下26米处则为基岩。如果在这种情况下使用沉箱基础，则有沉降和偏移的风险，解决方案可能非常棘手且成本高昂。经过多次研究，采用钻孔与沉箱结合使用的复合地基处理方案，通过压实打桩（SCP）法和深层水泥搅拌（DCM）法提高了基础结构的性能。
施工上的挑战
架设猫道
猫道是悬索桥施工时架设在主缆之下、平行于主缆线形的临时施工便道。它是施工人员进行施工作业的高空脚手架，是主缆系统乃至悬索桥整个上部结构的施工平台。施工人员在其上完成诸如索股牵引、调股、整形入鞍、紧缆、索夹及吊索安装、箱梁吊装及主缆缠丝、防护涂装等重要任务。
这座桥的猫道系统由六根钢丝绳支撑，每根钢丝绳直径为31.5毫米，形成一个横截面4.2米宽、6.75米高的工作区，总长度为2,065米。这些猫道绳在中塔处隔开。猫道上布置的支撑牵引系统的框架，框架间隔42.5米，主缆成型机（紧缆机）的间距也是42.5米。猫道位于主缆下方，主缆和猫道之间有1.3米的间隙。
安装塔鞍
在悬索桥中，塔鞍的安装是值得注意的过程之一，因为鞍座通常是缆索体系安装过程中最大、最重的构件。由于采用了混合式鞍座，鞍座底部基座为混凝土结构，上部为钢结构，塔式起重机需要吊起的构件重量仅为3吨，不需要为该作业过程调动任何的临时设备，在实用性和经济性方面有很大的优势。同时，混凝土材料良好的抗压特性成为了这种混合鞍座的另一个优点。在施工阶段，两侧桥塔上的鞍座必须向中心桥塔预偏，以保持缆索体系的初始平衡条件。为了方便，在鞍座下面安装了滑动板。
架设主缆
主缆总重量为1847吨，直径为5.3毫米，抗拉强度为1960兆帕。钢丝由韩国的Kiswire公司制造，这些高强钢丝在工厂按照预制平行钢丝索股法（PPWS）编成平行钢丝束、两端装上锚头，成为索股。将制成的索股卷在卷筒上，被驳船运输到施工现场。利用牵引设备沿猫道将索股端头从桥的一端锚碇拉向另一端锚碇，经就位、调股等工序后将其固定。主缆由21根索股组成，每股包含127根钢丝。主缆安装的总时间为40天。
桥面安装
根据设计，桥面被划分为85个节段，两个边跨和两个主跨需要同时起吊安装，一共需要6个龙门架，每个主跨有两个，每个边跨有一个。然而，只有4套起吊设备可用。由于没有足够的预算来支付另外两个龙门架的费用，因此必须对这一过程进行调整，使用合适且有限的设备。
图4 主跨区完成后在边跨进行桥面板安装
在修改后的施工工序中，首先起吊主跨部分的桥面构件，然后将龙门架从主跨移到相邻的边跨。在移动龙门架的期间，最靠近桥塔的桥面板和两端的桥面构件均由浮式起重机安装。
该施工方案中的关键问题是桥塔上不平衡的索力，这会导致索鞍滑移和塔底弯矩的产生。此外，主缆的几何形状变化较大，导致了主缆中产生二次应力。因此，对于每个安装步骤和每个阶段的模拟情况，都要检查包括桥塔应力，索鞍滑移、索内次应力等结构效应。
天使大桥作为地标性建筑进行设计，克服了复杂的海洋环境，节省了成本，并成为了当地人的骄傲。选择满足这些严格条件的多塔悬索桥方案，有望为同类型工程提供参考。考虑到多塔悬索桥在跨海桥梁中被认为是一种更优的桥型，天使大桥的建成为同类型桥梁技术的发展起到了推动作用，也使这种类型在世界桥梁市场上独领风骚。
本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年 第1期 总第99期
作者 / 孙允基（韩）等
资料来源 / Structural Engineering International 2020
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