盧浦大橋尾端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

盧浦大橋尾端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)郝維索盧永成（上海市政工程設(shè)計(jì)研究院）摘要尾端節(jié)點(diǎn)是中承式系桿拱橋的關(guān)鍵部位，在運(yùn)營和施工過程中均具有重要作用。本文介紹了盧浦大橋尾端節(jié)點(diǎn)的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及與此有關(guān)的水平拉索、施工臨時拉索和平衡壓重的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞拱橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)1工程概況盧浦大橋是上海市南北快速干道跨越黃浦江的重要節(jié)點(diǎn)。大橋浦西端位于江南造船廠西側(cè)，向北在魯班路立交附近連接南北高架預(yù)留接口；浦東端位于上鋼三廠油料碼頭附近，向南穿過上鋼三廠廠區(qū)后直達(dá)外環(huán)線。盧浦大橋是黃浦江上的又一座特大型橋梁；不同于已建成的幾座斜拉橋，盧浦大橋?yàn)楣傲航M合體系中承式系桿拱橋，造型新穎，將成為新世紀(jì)上海的又一座標(biāo)志性建筑。盧浦大橋跨徑組合為：100+550+100=750m，兩端各設(shè)45m過渡孔T梁，雙向六車道。橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車—20級，掛車—100。盧浦大橋?yàn)榭臻g提籃拱，拱肋、立柱、吊桿在同一傾斜平面內(nèi)，斜率5:1；中拱矢跨比f/L=l：5.5,懸鏈線拱軸線，拱肋高6.0~9.0m；邊拱矢高3.2m,拋物線拱軸線，拱肋高7.0~9.0m；拱肋均為陀螺形斷面，寬度5.0m。加勁梁通過吊桿或立柱支承于拱肋上，梁高3.0m；中跨加勁梁為開口斷面，兩端通過滑動支座支承在中橫梁上；邊跨加勁梁為閉口斷面，兩端與拱肋、中橫梁及端橫梁剛結(jié)。全橋在兩端橫梁之間布置強(qiáng)大的水平拉索，以平衡中跨拱產(chǎn)生的水平推力。盧浦大橋總體布置見圖1。尾端節(jié)點(diǎn)功能尾端節(jié)點(diǎn)是指在錨墩之上一定范圍內(nèi)，由邊跨拱肋、邊跨加勁梁和端橫梁剛結(jié)而成的復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)件。尾端節(jié)點(diǎn)在盧浦大橋的結(jié)構(gòu)總體受力上具有舉足輕重的地位，在施工過程中也不可或缺。尾端節(jié)點(diǎn)的功能主要有以下幾點(diǎn)：1．盧浦大橋?yàn)楣傲航M合體系中承式系桿拱橋，拱橋的受力特點(diǎn)是要產(chǎn)生推力，而上海的軟土地基抵抗水平力的能力很差，所以沿加勁梁布置了16根強(qiáng)大的水平拉索以平衡中跨拱產(chǎn)生的巨大的水平推力，水平拉索兩端錨固在尾端節(jié)點(diǎn)的錨碇上面；2．無論是在施工階段還是在運(yùn)營階段，中承式拱橋都會在錨墩處產(chǎn)生一定的負(fù)反力，這就需要在邊跨放置平衡壓重，而尾端節(jié)點(diǎn)上提供的平衡壓重是最有效的；3．盧浦大橋采用斜拉扣索法施工，在施工階段相當(dāng)于斜拉橋體系。臨時鋼塔固定在大立柱頂端的橋面上，河跨臨時拉索拉起拱肋節(jié)段，邊跨臨時拉索則錨固在尾端節(jié)點(diǎn)的錨碇上以使臨時鋼塔保持平衡；4．盧浦大橋?yàn)榭臻g提籃拱，尾端節(jié)點(diǎn)的端橫梁作為二片內(nèi)傾拱肋的強(qiáng)大的橫向聯(lián)系，對增強(qiáng)拱橋的整體受力性能十分有益；5．尾端節(jié)點(diǎn)的端橫梁上設(shè)牛腿以擱置過渡孔T梁，是主橋和引橋的連接構(gòu)造；6．上海屬于地震區(qū)域，為避免拱橋在地震時產(chǎn)生過大位移，在尾端節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了橫向和豎向限位抗震裝置。上述眾多的重要功能和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)決定了尾端節(jié)點(diǎn)是盧浦大橋最重要，也是設(shè)計(jì)、制造、安裝難度最大的構(gòu)件之一。尾端節(jié)點(diǎn)總體布置尾端節(jié)點(diǎn)是邊跨拱肋、邊跨加勁梁、端橫梁和水平拉索等中承式系桿拱橋的主要受力構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)，其總體布置決定于它的受力狀況；所以，尾端節(jié)點(diǎn)的總體布置首先要滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，同時還要考慮使結(jié)構(gòu)處理簡單化以方便構(gòu)件的加工和安裝。通過尾端節(jié)點(diǎn)的力主要有：水平拉索的錨固力；分配到邊跨拱肋和邊跨加勁梁上用以平衡中跨拱推力的壓力，分配比例約為0.85：0.15；錨墩支座反力。為使結(jié)構(gòu)受力合理，上述幾個力構(gòu)成的力系應(yīng)交匯于一點(diǎn)；但是，由于水平拉索和加勁梁的重心不可能完全重合，所以設(shè)計(jì)控制水平拉索中心線、邊跨拱肋拱軸線和錨墩支座中心線（也是端橫梁中心線）交匯于一點(diǎn)，這樣就保證了幾個主要的力力線傳遞合理；邊跨加勁梁雖然略有偏差，但所占比例很小。

尾端節(jié)點(diǎn)總體布置見圖2；該節(jié)點(diǎn)沿順橋向長度約29m，其中錨墩中心線以外約6m,以內(nèi)約23m。每個尾端節(jié)點(diǎn)共分為8個節(jié)段：錨碇（2個）、GL1（2個）、GL2（2個）、端橫梁（1個）和邊跨系梁B0（1個）；每個節(jié)段分別在工廠內(nèi)加工制作完成，然后運(yùn)輸至現(xiàn)場吊裝拼接就位，最后節(jié)段之間再以環(huán)縫焊接成整體。尾端節(jié)點(diǎn)為全焊鋼結(jié)構(gòu)，采用可焊接細(xì)晶粒正火S355N結(jié)構(gòu)鋼板，并按AWS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工、制造和檢驗(yàn)。為使尾端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)處理簡單且傳力有利，拱軸線在錨墩中心線處由拋物線轉(zhuǎn)為沿水平方向，拱肋斷面由GL2處的陀螺形逐步過渡為錨碇處的矩形，加勁形式也由T字形過渡為I字形。在錨墩中心線處拱肋高度為7m；除水平拉索穿過拱肋頂板的地方需開孔外，拱肋的主要鋼板和加勁均保持連續(xù)。邊跨加勁梁為箱形斷面，腹板在拱肋傾斜平面內(nèi)且與拱肋腹板對應(yīng)。加勁梁頂?shù)装邃摪逡恢蓖ǖ藉^碇內(nèi)，但在碰到拱肋主要鋼板時斷開并焊接在拱肋鋼板上，在碰到拱肋加勁板時開孔以使加勁板連續(xù)通過；尾端節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的加勁梁腹板和拱肋腹板為同一塊鋼板。端橫梁橫橋向連接二個錨碇，順橋向連接加勁梁和過渡孔。端橫梁為箱形斷面，高度7m，寬度6m，另設(shè)寬度2m的牛腿以擱置過渡孔T梁。端橫梁的頂板、中板分別與加勁梁的頂板、底板對應(yīng)，底板與錨墩支座墊板對應(yīng)，三道腹板與錨碇隔板對應(yīng)。錨碇內(nèi)隔板根據(jù)水平拉索錨固力的傳遞規(guī)律并結(jié)合拱肋、加勁梁和端橫梁鋼板由密及疏布置；加勁梁的隔板和拱肋隔板對應(yīng)布置，間距為3.665m；端橫梁隔板與過渡孔T梁支座一一對應(yīng)，浦東側(cè)間距為2.38m，浦西側(cè)間距為1.84m。錨碇底板下面設(shè)35000KN縱向滑動球形鋼支座；端橫梁頂板和過渡孔相接處設(shè)轉(zhuǎn)角伸縮縫，底板處設(shè)橫向限位裝置和豎向拉桿；錨碇、GL1和端橫梁內(nèi)填充混凝土以作為平衡壓重。水平拉索設(shè)計(jì)盧浦大橋?yàn)橹谐惺较禇U拱橋，但橋面加勁梁是不連續(xù)的，中跨拱產(chǎn)生的水平推力必須通過沿橋面加勁梁布置的水平拉索來平衡。水平拉索兩端錨固在尾端節(jié)點(diǎn)的錨碇上面，其錨固力大部分（85%左右）通過邊跨拱肋傳遞到拱座上，小部分（15%左右）則通過三角區(qū)加勁梁直接傳遞到中跨拱肋，以此平衡中跨拱產(chǎn)生的推力。上海的軟土地基抵抗水平力的性能很差，中承式拱橋體系的形成完全依靠水平拉索來保證；可以說，水平拉索是盧浦大橋的生命線。水平拉索索力的確定原則是平衡中跨拱在恒載作用下產(chǎn)生的推力，而活載及其它可變荷載產(chǎn)生的推力則依靠主墩基礎(chǔ)來抵抗。經(jīng)計(jì)算分析確定，水平拉索的拉力為170000~180000KN；采用16根421巾7的塑料護(hù)套半平行鋼絲拉索，鋼絲抗拉強(qiáng)度為1670MPa，冷鑄鐓頭錨。為確保水平拉索螺母、錨墊塊與錨碇的接觸面頂緊，要求對接觸面進(jìn)行銑平處理；還對冷鑄鐓頭錨進(jìn)行了1：1實(shí)物模型的靜力持荷試驗(yàn)。拉索的空間布置、錨碇設(shè)計(jì)以及索長的精確計(jì)算是水平拉索設(shè)計(jì)過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。水平拉索空間布置見圖3；在橫橋向16根水平拉索分成2組在上下游拱肋附近對稱布置，每組8根按2X4排列；在順橋向則結(jié)合道路豎曲線沿橋面加勁梁布置，在拱梁結(jié)合段附近設(shè)置轉(zhuǎn)向器以簡化拉索的空間線形。在拱梁結(jié)合段處拱肋頂?shù)装逍枰_孔以使水平拉索穿過。為方便施工并使拉索和加勁梁之間受力相互獨(dú)立，必須保證拉索能夠縱向活動自由，所以在橋梁全長范圍內(nèi)水平拉索均放置在由尼龍材料制成的滾輪上，滾輪再通過支架固定在加勁梁的隔板上，間距一般為3.375m。鑒于水平拉索的重要性，在運(yùn)營過程中水平拉索可更換。水平拉索的錨碇同懸索橋的錨碇在功能和構(gòu)造上有一定的相似性，但也有其自身的特殊性。懸索橋的錨碇體積龐大，主纜的拉力可以擴(kuò)散到很大的承壓面上，錨箱的布置相對容易；而盧浦大橋?qū)僮藻^體系，錨碇不可能做得很大，錨箱的布置要困難的多。設(shè)計(jì)過程中采取了一些措施，如增大拉索噸位以減少拉索根數(shù)、采用內(nèi)部填芯混凝土的鋼結(jié)構(gòu)錨碇、拉索的排列和錨碇的構(gòu)造布置統(tǒng)一考慮等，這些措施保證了水平拉索能夠安全地錨固在有限的面積上并使錨固力有效地擴(kuò)散傳遞。錨碇鋼板根據(jù)力線傳遞規(guī)律，并結(jié)合拱肋、加勁梁和端橫梁鋼板由厚及薄，由密及疏布置。水平拉索的施工分二批進(jìn)行：第一批上排8根拉索在拱肋合龍后、加勁梁安裝前，在貓道上進(jìn)行架設(shè)，根據(jù)施工控制需要超張拉；第二批下排8根拉索在加勁梁合龍成橋后，在加勁梁內(nèi)穿索，張拉時要根據(jù)成橋狀態(tài)調(diào)整第一批索力。施工臨時拉索設(shè)計(jì)盧浦大橋采用斜拉扣索法施工，在拱肋安裝階段相當(dāng)于斜拉橋體系。臨時鋼塔矗立在大立柱頂端的橋面上，頂端標(biāo)高約為180m，其中橋面以上高度128m,為鋼桁架結(jié)構(gòu)。中跨拱肋每向前拼裝一個節(jié)段，就用臨時拉索拉起并錨固在臨時鋼塔上；為使臨時鋼塔受力平衡，需要在邊跨設(shè)置相應(yīng)的臨時拉索。邊跨臨時拉索集中錨固在尾端節(jié)點(diǎn)的錨碇上，這種錨固方式把施工臨時措施同運(yùn)營階段的永久性構(gòu)造結(jié)合起來，造價較低且安全可靠。施工臨時拉索示意見圖4。根據(jù)施工程序，全橋共設(shè)4X14根臨時拉索，即每個錨碇上需要錨固14根拉索，拉索最大拉力達(dá)5000KN。拉索采用鋼絞線拉索，抗拉強(qiáng)度1860MPa。邊跨臨時拉索分成二段：前錨束和后錨束，前后錨束之間用連接器連接起來。前錨束是指在臨時鋼塔和錨碇之間的外露部分，采用PE護(hù)套鋼絞線，在臨時鋼塔上張拉并可調(diào)整索力；前錨束在施工完畢后即拆除。后錨束預(yù)埋在錨碇的填芯混凝土內(nèi)，為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，它是臨時拉索的“根”；后錨束在施工完畢后保留以加強(qiáng)錨碇。后錨束在錨碇內(nèi)要避開水平拉索、主要鋼板和橫向預(yù)應(yīng)力等，為復(fù)雜的空間曲線；后錨束的下端為自錨端（P錨），上端為張拉端。為確保前后錨束的連接安全可靠，對連接器進(jìn)行了多種方案的比較，并通過1：1實(shí)物模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。平衡壓重設(shè)計(jì)在運(yùn)營階段中承式系桿拱橋的錨墩支座要產(chǎn)生一定的負(fù)反力；在施工階段，尤其是在拱肋節(jié)段合龍前懸臂長度達(dá)到最大時，錨墩支座可能出現(xiàn)的負(fù)反力更大。一般有二種方法用以克服錨墩負(fù)反力：第一種方法是設(shè)抗拉支座，這就要求橋墩基礎(chǔ)體積龐大以提供足夠的重量，支座構(gòu)造也復(fù)雜；第二種方法是結(jié)合尾端節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)置平衡壓重，這種方法充分利用了尾端節(jié)點(diǎn)的空間，也比較安全可靠，故盧浦大橋采用了這種方法。平衡壓重噸位的確定原則是：永久平衡壓重必須使結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段可能發(fā)生的最不利荷載組合下，錨墩支座不得出現(xiàn)負(fù)反力，并應(yīng)適當(dāng)保留一定的壓力儲備；另外設(shè)置臨時平衡壓重以克服在施工階段增加的負(fù)反力，臨時平衡壓重在施工完畢后搬掉。永久平衡壓重由三部分組成：尾端節(jié)點(diǎn)在總體計(jì)算中未計(jì)入的結(jié)構(gòu)重量如錨碇和端橫梁等；過渡孔T梁傳遞到端橫梁牛腿上的恒載重量；其余部分用填芯混凝土的方法解決。施工臨時平衡壓重則通過在錨碇和端橫梁附近堆載鋼錠的方法予以解決。填芯混凝土主要分布在錨碇、端橫梁和GL1節(jié)段內(nèi)；為使傳力直接并減小結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，填芯混凝土盡量布置在靠近錨墩支座的部位。填芯混凝土采用C40微膨脹混凝土，在有關(guān)鋼板上設(shè)焊釘以增加鋼—混凝土的整體性。填芯混凝土應(yīng)根據(jù)施工控制要求分期分批進(jìn)行澆筑，施工過程中