異形鋼索塔斜拉橋風險評估與控制研究

摘要 文章以228國道慈溪庵東至余姚梨洲段工程中的控制性工程雙橢圓異形鋼索塔鋼混疊合梁斜拉橋為例，詳細介紹了橋梁初步設計階段風險評估的過程。根據項目自身特點，從建設條件、結構方案、施工安全與技術、運營風險四大方面分析項目存在的風險，結合專家調查法對該斜拉橋的風險進行了評估，最終得出其風險等級，并提出了相應控制措施，保證橋梁安全運營。

關鍵詞 風險評估；異形鋼索塔；鋼混疊合梁；斜拉橋

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0079-03

0 引言

常規斜拉橋索塔主要為鋼筋混凝土結構，鋼結構索塔目前在國內開始逐步推廣應用。某大橋為228國道慈溪庵東至余姚梨洲段工程中的控制性工程，設計為（92+228+92）m雙塔空間雙索面斜拉橋，其主塔采用鋼結構，造型獨特美觀，極具特色。但同時也為設計和施工帶來諸多不確定性，根據《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》相關要求，需要在初步設計階段對該項目進行風險評估，為項目后續順利推進打好基礎[1]。

1 項目概況

1.1 設計方案

某大橋橋跨布置為（92+228+92）m=412 m的雙塔空間雙索面斜拉橋，主梁采用整幅橋面布置，上下行各布置4個車道，兩側各設4.0 m寬的人行道，橋梁全寬48 m（含風嘴），方案效果圖如圖1所示。主橋采用三跨連續半漂浮體系，索塔效果圖如圖2所示，索塔與主梁之間橫梁上豎向設置一個雙向支座和一個單向支座，利用鋼梁下伸牛腿以及橫梁擋塊，設置橫向抗風支座；邊墩主梁一端設置一個雙向支座和一個單向支座，并設置橫向抗風支座。

1.2 雙橢圓索塔

索塔高93 m，其中塔座高4 m。塔柱橫橋向從上到下共分為三個區段，分別為橢圓曲線段、緩和曲線過渡段與直線段。緩和曲線過渡段曲線半徑為50 m；直線段的坡度為1∶12.65。橋塔塔高19+74=93 m，其中直線段與緩和曲線過渡段結構高度為19 m，橢圓曲線段的結構高度為74 m。橢圓塔柱中心線的長半軸為71.5 m，短半軸為23.5 m，中心點高程為+18.842 m。主塔縱橋向投影亦呈橢圓狀。

塔柱共劃分為16個節段。T0～T15，15個拼接接縫：J1～J15；節段長度為4.1～10.0 m。T0鋼混結合段采用起重吊機吊裝，其余節段采用塔吊吊裝，節段拼接均采用全熔透焊[2]。

1.3 氣象及地質概況

場地所在地區，每年7—9月為臺風侵襲期。臺風會帶來大量降水，其特點為水量集中、歷時短、強度大，易造成洪澇災害，同時存在臺風和風暴潮等氣象災害的影響。

橋位區處于沖湖積平原區，地勢平緩，淺部主要分布有淤泥、淤泥質黏土，埋深較淺，厚約0.70～17.50 m。

1.4 周邊環境

經調查，橋位區水陸交通均較為便利，其跨越的姚江為Ⅲ級航道，橋梁未上跨或下穿重要公路、鐵路等。橋位區引橋存在高壓燃氣管線，需改遷。橋墩承臺距離堤岸較近（最小距離僅10 m），軟土層較厚[3]。

2 橋梁風險評估方法

2.1 專家調查法

專家調查法是目前國內普遍采用的方法之一，具有廣泛的代表性和可靠性，又被稱作德爾菲法（Delphi" method），由美國蘭德公司首先提出并運用到實際工程中。參與調查的專家相互之間不發生橫向聯系，不直接討論，各專家通過調查人員間接參與討論，經過多輪咨詢統計并修改完善，最終形成專家基本統一的意見，作為評估預測的結果。

2.2 基于ALARP準則的風險矩陣

ALARP（As Low As Reasonably Practicable）準則認為任何項目活動都存在一定風險，采取一定措施只能降低部分風險，但并不能完全消除。而且當項目整體的系統風險水平較低時，再采取措施減低風險所需要的成本就會呈指數上升，所以需要平衡好項目系統整體的風險水平和成本之間的關系，ALARP準則如圖3所示。

風險矩陣評估具有簡單明了、適用范圍廣的特點，聯合風險矩陣與ALARP準則，可以較好地反映決策者對待風險的態度以及制定基本的風險對策。風險評估矩陣見表1所示。

3 橋梁風險分析及評估結果

3.1 橋梁風險辨識

從建設條件、結構方案、施工安全與技術、運營風險四大方面，全面分析橋梁在各階段存在的風險，對主要風險進行辨識，形成風險源檢查表。結合項目特點，梳理出的主要風險源如表2所示。

3.2 橋梁風險分析

3.2.1 建設條件

余姚市臺風災害偶有發生，且建設區域周邊風場環境復雜，具備發生異常風致災害的前提條件；大橋索塔構造復雜、氣動特性經驗少，且雙肢塔柱之間存在相互干擾的可能。主要造成經濟損失。

橋址處存在較厚的淤泥質地層，且承臺埋置于地面線以下，需要開挖基坑等施工措施，應關注主墩施工對臨近堤壩的影響。

3.2.2 結構方案

鋼結構索塔目前在國內開始逐步推廣應用，鋼材具有抗拉強度高、局部穩定性差的特點，與索塔壓彎受力特征存在差異。特別是塔梁合理的剛度匹配、鋼塔整體和局部穩定、鋼塔溫度荷載取值、連接部位的傳力比分配等，在現行的規范中存在不完善的情況，相應設計、施工經驗少[4]。

寬幅鋼混疊合梁設計分段不合理、構造配筋不合理。接縫分段位置由于存在齡期差異，且現澆施工往往比預制施工質量差，現有的縱向分段較長，需要考慮工廠預制生產能力，且避開輪跡帶等沖擊受力明顯區域；寬幅預制板受力同常規的混凝土箱梁、鋼箱梁加勁頂板存在差異，相應的構造配筋應考慮雙向板的受力特征，應用拉應力域配筋理念進行構造配筋[5]。

3.2.3 施工安全與技術

鋼索塔采用塔吊吊裝，由于橋塔造型獨特、高度較大；該橋為雙向八車道超寬橋梁，索塔未閉環之前，縱橫向無可靠的連接、穩定性較差。因此在施工過程中存在穩定性風險，一是橋塔自身的穩定性；二是隨著橋塔高度增加，塔吊等起吊設備的穩定性控制也十分重要。

惡劣的天氣條件會對鋼索塔的架設安裝作業造成安全隱患，故在施工時需要充分考慮氣候的影響。溫度變化對索塔及鋼索器安裝時的測量定位影響較大，進而影響安裝精度。加之索塔為拱形曲線造型，線形控制較為困難。

另外，承臺基坑大、開挖較深，橋址區淤泥質粉質黏土層較厚，堤壩與基坑斜交，基坑支護不足易造成堤壩失穩破壞。施工期間應做好水位資料收集，加強基坑支護設計及監測監控。

3.2.4 運營風險

運營風險是指由于水文、氣象、車船撞、車輛實際荷載與設計差異程度等因素所導致的風險。橋位區風環境相對復雜，橋面風速比地面風速高，可能產生行車風安全相關事故。

3.3 橋梁風險評估

在梳理主要風險源的基礎上，形成風險源調查表，采用專家調查法匯總計算各風險事件的風險等級。除施工安全與技術風險等級為Ⅲ級外，建設條件風險、結構方案風險、運營風險均為Ⅱ級。風險評估結果處于風險水平有條件接受范圍內。根據目前我國工程界設計、施工、管理技術水平，該大橋在建設期和營運期都不會發生不可克服的風險，橋梁風險等級一覽表見表3所示：

4 橋梁風險控制

（1）主塔、主梁施工屬于高空作業，施工步驟多，管理難度大，施工時的不可預料因素也非常多，施工風險相對較高。建議加強工程的設計與施工工作，細化施工流程和工序，并在施工階段加強監理工作，提高施工質量；同時加強施工安全的控制，保證施工人員在作業時的安全。

（2）建立天氣預警系統，做好對大風、大霧、高溫、大雨等惡劣天氣的監控；針對橋梁方案存在結構柔性大、穩定性弱等特點，應加強對強風的預報工作。在大風期間應停止施工，避開臺風期施工，同時在施工的時候做好臨時抗風措施，提高結構剛度，保證施工的穩定性。

（3）嚴格執行大橋建設項目工期，尊重工程建設的客觀規律，科學合理地進行工期安排，避免出現隨意壓縮工期的狀態。

5 結語

從國內外類似異形鋼結構橋塔的施工經驗來看，大致分為兩類：一類是吊裝拼接施工，另一類是地面拼接之后轉體施工。兩種施工工藝均較為成熟，有較多成功案例可供參考，建議在設計階段進一步加強施工工藝的比選，后續加強施工單位的選擇，盡量選擇符合相應資質要求并有類似項目經驗的施工單位及專業分包隊伍，進一步降低橋塔施工中的風險，以保障工程施工過程中的質量和安全。

參考文獻

[1]張獨遠， 崔德永， 聶寧波， 等. 斜拉橋異型鋼結構主塔力學特性影響因素分析[J]. 河南大學學報（自然科學版）， 2016（4）： 487-494．

[2]何敏娟， 鄭元， 呂兆華. 鋼拱塔斜拉橋豎轉施工方案分析[J]. 特種結構， 2010（1）： 76-79.

[3]龔美， 陳廣生， 孫吉飚， 等. 烏江特大橋H型索塔施工過程力學特性與監控研究[J]. 沈陽建筑大學學報（自然科學版）， 2017（4）： 661-671.

[4]劉成群， 魏崗， 卞北平. 超大鋼拱塔提滑組合安裝技術[J]. 建筑施工， 2022（8）： 1913-1915.

[5]崔德永. 具有異型鋼-混結構主塔的斜拉橋力學特性研究[D]. 洛陽：河南科技大學， 2016．

收稿日期：2024-02-02

作者簡介：方大（1993—），男，本科，工程師，從事公路橋梁設計工作。