建在“地球裂缝”上的世界级高桥——花江峡谷大桥设计创新
建在“地球裂缝”上的世界级高桥——花江峡谷大桥设计创新
贵州是全国唯一没有平原的省份，山地占国土面积的92%，境内分布着约126万座山峰，千山万壑，层峦叠嶂的地貌造就了壮美的自然景观，但也为山区峡谷桥梁的建设带来了严峻挑战。在高质量发展和交通强国的战略背景下，实现可持续发展不仅是目标，更是必然要求。面对这样的条件和需求，花江峡谷大桥的设计团队以创新为核心，积极探索，为桥梁建设注入了新的智慧与活力。
花江峡谷大桥位于贵州省六枝至安龙高速公路K61～K64路段，横跨花江大峡谷。花江是北盘江的一段，花江大峡谷深切近千米，长80km，是北盘江上典型的峡谷地貌。
图1 花江峡谷大桥效果图
桥址位于花江大峡谷的核心，两岸峭壁如门对峙，气势磅礴，展现“青山相对出”的恢弘意境。大桥的选址巧妙融入这一独特地貌，使桥梁不仅成为交通纽带，更化身壮丽景观的一部分。
总体布置
桥梁设计标准如下：
- 公路等级：双向4车道高速公路。
- 设计速度：80km/h。
- 桥梁设计荷载：公路—Ⅰ级。
- 桥面宽度：25.5m。主缆中心距27m，考虑吊索及检修道布设空间全宽为30.5m。
- 结合两岸道路布线的要求，桥位高程最终确定在1113m，桥面至水面距离为625m，建成以后将超越北盘江第一桥（桥面至水面距离为565m），成为世界最高桥。主桥采用1420m双塔单跨钢桁梁悬索桥，缆跨布置为245m+1420m+495m，主缆垂跨比1/10，六枝岸为隧道锚、安龙岸为重力锚。
图2 桥型布置图（尺寸单位：m）
主缆采用预制平行钢丝索股，每股由91根直径5.7mm镀锌铝镁合金高强钢丝组成，标准抗拉强度为1960MPa，每根主缆有217股通长索股，边缆各设4对背索，中主缆构成为：217股×91丝×φ5.7mm，边主缆构成为：221股×91丝×Ø5.7mm。
全桥设温度湿度智慧索股2根，应力应变智慧索股1根，通过对主缆温度，湿度和应力应变的在线监测，实现桥梁实时健康监控，其中应力应变监测碳纤维光纤光栅智慧索股技术，属于国内首次应用，实现了千米级桥梁通长索缆全长在线实时监测，突破了超长光纤传感器的制作、工程应用难题和关键技术，开启桥梁建设、运维和管养全寿命周期数字化赋能新通道。
吊索采用钢丝绳，每一吊点设2根吊索，与索夹为骑跨式连接；与加劲梁为销铰式连接，吊索钢丝绳为1770级，标准吊索直径64mm，端吊索直径68mm。
加劲梁采用板桁结合钢桁梁，由主桁、横梁、桥面板、下平联组成。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，主桁桁高8m，桁宽27m，标准节段长度15.4m。
图3 主梁标准断面图（尺寸单位：mm）
锚碇
山区峡谷桥梁的主要特点之一就是桥隧相连，桥梁的建设规模宏大，都是采用左右幅整体设计，而往往采用联拱变化到小净距、再到标准分离式隧道的形式，隧道锚与隧道的布设往往也受到空间限制，需要合理控制二者之间的空间关系。
经多方案比选后，在考虑到地质条件满足的条件下，最终确定主缆外偏2°，采用隧道从隧道锚中间穿过方案。既让道路线形流畅，提高行车舒适性，又降低了隧道工程规模。隧道锚前碇面至隧道内路面顶面的距离为16.3m，隧道至隧道锚的水平最小距离为5.2m。隧道锚下方设置了一条排水隧道（长230m），以排出隧道锚洞内的积水。
图4 隧道锚布置图
安龙岸采用重力锚，最大高度为70.85m，在外侧设计成攀岩的活动场地，同时利用施工临时场地，设置为户外研学基地，占地22亩，以超级工程、户外运动和山地资源为特色吸引世界各地的学生来此探索求知和运动的乐趣。
图5 重力锚布置图
索鞍
随着桥梁跨径和荷载的不断增加，传统的铸焊式索鞍在重量和轮廓尺寸上逐渐增大，其运输和安装在山区地形条件下面临极大挑战，尤其是对于重量上百吨的索鞍，施工便道运输困难极大。同时，铸造过程中质量控制难度较高，易出现砂眼、气孔、偏析等缺陷，影响整体性能。此外，传统铸钢材料的力学性能相对较低，与主缆钢丝强度的匹配性问题日益凸显，尤其是在鞍槽表面硬度方面表现出不足。
传统大型铸件的生产还存在高耗能、高污染的问题，难以满足现代桥梁建造环保和低碳的要求。为此，研发具有高强度、更轻量化结构的锻焊式索鞍成为关键，这种新型构件能够更好地适应超大跨度带来的更高承载能力的需求，为现代桥梁工程提供更高效、更可靠的低碳解决方案。
图6 索鞍模型图
锻焊式索鞍的鞍槽底板30CrMo锻钢锻造，侧壁及底座由Q420qE钢板焊成，相比铸焊式索鞍而言，主索鞍降低质量25.6%，散索鞍降低质量30.5%，实现了结构轻型化。
主索鞍分为三段，通过高强螺栓连接而成，鞍槽底部厚度为160～370mm，侧壁厚度为120mm，纵肋厚度为100mm，横肋厚度为80mm,散索鞍槽底锻件分为三段，通过焊接而成，鞍槽底部厚度为160～370mm，侧壁厚度为140mm，中纵肋及中横肋板厚为80mm，两外侧纵肋板及前后端板厚度70mm，鞍头横肋板厚为80mm。
为验证锻焊结合式索鞍的结构性能，项目组开展了锻件材料性能，锻件的焊接性能、主缆钢丝与鞍槽材料匹配性试验和鞍槽侧壁钢板与槽底锻件之间对接焊缝疲劳试验，实验结果表明完全满足设计要求。同时为满足鞍槽的厚板焊接需求，项目组研发了500mm超厚锻件焊接机器人，实现了鞍槽的自动焊接。
锻焊结合式索鞍具有更好的力学性能、更高的强度和更好的结构均匀性，减小了结构尺寸，降低了结构质量，通过本桥的实践证明锻焊式索鞍完全适用于山区峡谷桥梁的建设。
桥塔
桥塔以受力合理的“门”形结构为基础，将峡谷岩层地貌融入设计，以竖向线条构筑刚直、层叠的构造，呈现出简洁而现代的美学风格。塔身如山门对开守望，两侧塔柱高耸如石壁，上横梁勾勒出“山峦重叠入云端，千峰万仞皆相连”的廓形，远观犹如石林跃出天际，与周围自然和谐交融。
桥塔的层叠横梁不仅展现岩层堆叠的自然壮丽，更象征深厚的人文底蕴。设计融合山水文化的精神内核，彰显贵州山水意象与乡土情怀，同时承载“绿水青山就是金山银山”的生态理念，展现对自然环境的敬意与对可持续发展的追求。
安龙岸桥塔还首次设计了观光电梯及塔顶观星水吧。索塔观光电梯设置在索塔背对服务区一侧，采用钢结构附着于索塔，共设置两部快速观光电梯及紧急疏散楼梯，游客通过观光电梯可上至桁梁标高景观文化长廊及塔顶观星水吧。塔顶观星水吧共两层，总面积230m2。游客可乘坐索塔观光电梯至索塔主体结构顶部人洞，后乘坐塔内小型电梯上至塔顶观星水吧。
图7 桥塔造型
图8 桥塔造型来源
抗风性能研究
花江峡谷大桥是世界最高桥，面对山区复杂地形条件下的风环境，加劲梁的抗风性能研究是设计过程中的控制因素。桥面高度处设计基准风速达44.74m/s，不同风攻角下的颤振检验风速如表2所示。
图9 节段试验模型
通过节段模型试验可以得到断面在成桥状态主梁在均匀流场不同风攻角下随风速变化时振动响应的变化规律和相应的颤振临界风速，节段模型缩尺比选为1∶50。
通过节段模型原始断面的颤振试验，原始断面在0°和负攻角时满足颤振稳定性的要求，但在正攻角时颤振稳定性均不满足要求，且呈现随角度增大颤振稳定性减低的趋势，因此需要增加气动措施提高桥梁的颤振稳定性。
本桥综合比选了多种气动措施组合对颤振稳定性的影响，首次在钢桁架悬索桥中采用“中央稳定板+上下水平导流板”的气动措施，满足颤振稳定性的要求。
全桥气弹模型几何缩尺比为1∶173。
图10 全桥气弹试验模型
试验表明采用“中央稳定板+上下水平导流板”的气动措施能显著提高桥梁的颤振稳定性，且桥梁未发生超限的涡振；测量了桥梁的抖振响应，桥塔和加劲梁在设计风速下的抖振响应较小，未出现不稳定的振动和发散性的振动。
图11 主梁造型及风洞模型
结合本项目的桥旅融合项目的属性，将下水平导流板设计成空中竞速跑道，实现了结构功能与旅游功能的协调统一。加劲梁内还设有观光廊道和玻璃观光厅旅游设施，游客的舒适性也是考虑的重要内容。项目组围绕复杂动力荷载耦合作用下的结构动力响应分析、复杂动力荷载作用下大跨度钢桁梁悬索桥振动舒适度评价与舒适性提升技术等开展了系统研究，后续工作正在进行中。
桥旅融合
花江峡谷大桥作为贵州桥梁文旅融合的标志性工程，自设计之初便确立了打造国家5A级旅游景区、世界级旅游地标和全国“桥旅融合”新典范的总体目标。这一定位不仅延续了贵州“桥旅融合”可持续发展的探索成果，还在升级迭代中融入了更丰富的功能与文化内涵。贵州“桥旅融合”发展历程见证了从单一功能到综合发展的逐步跃升。坝陵河大桥率先推出桥体内部观光旅行，开创了“桥旅融合1.0版”；平塘大桥通过与服务区及周边景区的联动，迈入了“桥旅融合2.0版”，实现了交通设施与旅游资源的深度融合。而花江大峡谷大桥作为“桥旅融合3.0版”，在设计阶段便以规划为引领，着眼于产业布局和资源整合，全面升级文旅功能，目标直指“桥旅融合”全国示范工程。花江峡谷大桥旅游景区中心景区规划面积约394亩，由四个部分组成：云渡服务区用地236.64亩、桥塔区域用地18.36亩、锚碇区域用地116.57亩和研学基地用地22.27亩。各区域间通过3.9km联络线连接，形成功能互补的整体。大桥周边规划了云渡服务区、悬崖酒店、200m观光电梯、景观文化长廊、锚碇攀岩、高空观光水吧和玻璃栈桥式餐厅等多元化旅游设施。这些设施将传统桥梁的单一交通功能延展为集文旅、住宿、餐饮、观光、研学与娱乐于一体的复合功能，让游客能够体验“空中漫步”的刺激，感受“云端品茶”的闲适，进一步深化桥梁与旅游的融合。作为“世界峡谷高桥之冠”，花江大峡谷大桥以其震撼的高度与独特性，成为全球瞩目的工程奇观。同时，大桥与周边世界级的三叠纪地质遗迹相结合，推动景区协同开发，助力贵州世界级旅游目的地的建设。通过花江大峡谷大桥的实践，贵州成功探索出“以世界级桥梁打造世界级景区”的全新模式，成为全球桥旅融合的经典范例，进一步巩固了贵州作为桥梁博物馆的国际地位。
图12 全桥景区效果图
图13 景区总体布置图
花江峡谷大桥在设计过程中着力技术创新、强调景观与自然环境协调、突出桥梁与体育、旅游的“动静结合”，拓展旅游观光功能，取得如下创新性成果：
(1)首次采用高性能锻焊结合式索鞍结构，研发了窄间隙埋弧自动焊接设备，实现结构轻型化、绿色建造、低碳环保。
(2)首次采用上、下水平稳定板＋中央稳定板抗风措施提高了山区大跨度悬索桥抗风性能，解决了山区大攻角风场环境下桥梁结构抗风难题。
(3)设计全过程中充分考虑了桥旅融合的需求，通过升级迭代，致力于建设桥旅融合典范。
花江峡谷大桥在设计阶段秉承生态建桥理念，戮力创新，将桥位周边的自然与人文景观完美结合，赋予桥梁及其配套服务区以独特景观，实现了桥旅融合的升级迭代，山区第一跨、世界最高桥，必将成为世界山区峡谷桥梁的经典。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2024年 第6期 总第122期
作者 / 杨健 叶洪平 杨鸿波
作者单位 / 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
审校 / 李天颖 王硕 廖玲