湘潭蓮城大橋工程設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)

湘潭蓮城大橋工程設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)榮勁松;石雪飛【摘要】著重介紹湘潭蓮城大橋（湘潭湘江四大橋）的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況以及設(shè)計(jì)、施工的技術(shù)特點(diǎn)?湘潭蓮城大橋主橋?yàn)榭鐝?00m的斜拉飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋,其造型新穎美觀,是一種新型的組合橋式結(jié)構(gòu)橋梁,在國(guó)內(nèi)外均為首創(chuàng).期刊名稱(chēng)】《水運(yùn)工程》年(卷),期】2009(000)012【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)（P182-188）關(guān)鍵詞】索塔;斜拉索;系桿;鋼管混凝土;斜拉飛燕式拱橋【作者】榮勁松;石雪飛【作者單位】同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海,200092;中交四航局第一工程有限公司,廣東,廣州,510500;同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海,200092正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】U443.31.1工程地理位置湘潭蓮城大橋（湘潭湘江四大橋）是湖南湘潭市二環(huán)線上跨越湘江的1座特大橋，大橋西起湘潭市二環(huán)線與上瑞高速聯(lián)絡(luò)線的交點(diǎn)，東接107國(guó)道。該橋距上游湘潭湘江三大橋4.3km，距下游上瑞高速公路的竹埠港湘江大橋3.0km。大橋全長(zhǎng)1344.96m，全橋扌喬跨布置為：17x25m+6x45m+120m+400m+120m。其中，主橋長(zhǎng)度640m,為120m+400m+120m的斜拉飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋（中承式）。西岸引橋采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的25m小箱梁和45mT梁，東岸不設(shè)引橋。橋位處地形、地貌橋位處兩岸為不對(duì)稱(chēng)丘陵臺(tái)地，東岸地勢(shì)較高，高程介于53-67m;西岸系河流淤積帶，筑有防洪大堤，堤頂高程約為41.0m,大堤外為寬闊平坦的一級(jí)階地，高程介于31-33m,主要為農(nóng)田、菜地和水塘。橋位處河床常水位水面寬約770m，枯水位水面寬約550m，堤寬約950m。河床由西向東逐漸加深，主河槽靠東側(cè),河床高程介于21-27m。工程地質(zhì)情況橋位周邊地勢(shì)較為平坦,區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為淤泥質(zhì)土和表層軟土,埋藏深度—般為0.3-1.2m;砂卵石層中局部含泥量較高，且多處于稍密狀態(tài)，膠結(jié)性較差。河西岸自上而下依次為種植土、亞黏土、粉細(xì)砂、卵石土、強(qiáng)風(fēng)化泥面質(zhì)砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;河?xùn)|岸自上而下依次為種植土、亞黏土、砂礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;河床表面覆蓋卵石土,較薄,以下為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。#24主墩處平均河床高程為21.6m，平均巖面高程為19.54m，覆蓋層為卵石土，平均厚度2.06m,稍密-中密，卵石粒徑2-6cm,含量約70%，亞圓形，以下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖；#25主墩處平均河床高程為22.36m，平均巖面高程為21.96m,覆蓋層很薄，主要為0.2m左右的流動(dòng)砂層，其下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。水文條件湘江是湖南省的主要水運(yùn)干線，橋位處湘江河段為III級(jí)航道，最高通航水位39.29m（20年一遇洪水位）。根據(jù)湘江湘潭水文站提供的近3年（2001—2003）水文資料，橋位處常水位為30m左右，洪水多發(fā)季節(jié)為5—7月，最高水位40.85m，最低水位27.21m。1） 道路規(guī)劃等級(jí)：城市口級(jí)主干道。2） 計(jì)算行車(chē)速度：60km/h。）荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A荷載。橋面布置按雙向4車(chē)道，結(jié)構(gòu)計(jì)算按雙向6車(chē)道考慮，人群荷載集度4.0kN/m2，并考慮滿人荷載。）通航標(biāo)準(zhǔn)：按皿級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，通航凈高10m。5）橋面寬度：全寬27.0m。）設(shè)計(jì)縱坡：設(shè)計(jì)縱斷面坡度＜2.5%O）設(shè)計(jì)風(fēng)速：23.64m/s（離地10m，頻率1%,10min平均最大風(fēng)速）。8）地震烈度：6度。本工程主橋采用主跨400m的斜拉飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋，該橋型結(jié)構(gòu)新穎，在國(guó)內(nèi)外均為第一次采用，技術(shù)含量高，設(shè)計(jì)及施工均有很大難度。結(jié)構(gòu)體系主橋采用了120m+400m+120m斜拉飛燕式系桿鋼管混凝土拱，邊跨與主跨跨度比為0.3。結(jié)構(gòu)是以拱結(jié)構(gòu)受力為主，輔以斜拉索受力的組合結(jié)構(gòu)體系。主橋橋型布置如圖1所示。邊跨拱腳、主跨拱腳、索塔均固結(jié)于拱座，三角形區(qū)域主梁和索塔間設(shè)置縱向活動(dòng)盆式橡膠支座和橫向限位支座，三角形區(qū)域主梁與主拱交會(huì)處設(shè)置縱向活動(dòng)盆式橡膠支座支承于主拱拱肋橫梁上。主跨范圍的橋面系由橋面板、鋼縱橫梁組成縱橫梁懸吊系統(tǒng)，主跨兩端的橋面板用四棱錐面減震回復(fù)球形鋼支座支承于三角區(qū)主梁端部牛腿上。主橋范圍內(nèi)共設(shè)4道伸縮縫，兩道設(shè)在邊跨主梁與引橋結(jié)合處，兩道設(shè)置在三角區(qū)主梁與主跨橋面系交會(huì)處。主拱拱肋采用中承式雙肋無(wú)鉸平行拱，拱肋中心距34m,計(jì)算跨徑為388m,拱軸線為七次拋物線，理論拱軸線方程為y=4.32326629527483x10-15x7+1.07574143512174x10-12x6-9.65847660832585x10-10x5+1.3848172448161x10-7x4-7.79605619975466x10-6x3+2.62559783186309x10-3x2。拱肋矢跨比為1/5.19，拱肋軸線理論矢高為74.7m。主拱拱肋采用雙肋6管桁架截面，主弦管直徑為申850mm,材質(zhì)Q345D。距拱腳中心水平距離16m范圍內(nèi)拱肋為實(shí)腹板截面，距此水平距離29.55m范圍內(nèi)為橫啞鈴形桁架截面，由此至拱頂為全桁架截面。詳見(jiàn)圖2，圖3。上弦鋼管距拱腳中心水平距離0-19m范圍內(nèi)為甲850x28mm,19~116m范圍內(nèi)為甲850x24mm,116m至拱頂內(nèi)為申850x22mm。上弦桿均灌注C50無(wú)收縮混凝土。下弦鋼管距拱腳中心水平距離0-72m范圍內(nèi)為申850x28mm,72~117m范圍內(nèi)為申850x24mm,117m至拱頂內(nèi)為申850x20mm。下弦桿距拱腳中心水平距離0-116m內(nèi)灌注C50無(wú)收縮混凝土，其余為空鋼管截面。拱肋高度由拱腳的中心桁高5.0m沿縱向水平直線變化至拱頂中心桁高9.0m,外形呈月牙形。邊拱拱肋邊拱拱肋為上承式，雙肋橫向內(nèi)傾，計(jì)算跨度為62m，西岸矢高為18.036m,東岸矢高為19.644m，拱軸線采用1.45次拋物線。每肋由高4.0m及寬5.0m的C50鋼筋混凝土箱形截面組成，箱梁頂?shù)装搴?.6m，腹板厚0.5m。3.4拱肋橫撐根據(jù)橫向穩(wěn)定的需要,橋面以上兩主拱肋之間設(shè)置了1道“米”字形橫撐和6道“K”字形橫撐，橋面以下兩端各設(shè)置了1道“K”形橫撐和2道肋間橫梁（一字形橫撐）。主拱橫撐直管采用申600x14mm鋼管，斜管采用申500x14mm鋼管，橫撐腹桿采用申299x8mm鋼管。每個(gè)邊拱設(shè)置2道“K”形鋼管桁架橫撐。邊拱橫撐直管采用申700x14mm鋼管，橫撐斜管采用申600x14mm鋼管，橫撐腹桿采用甲299x8mm鋼管。橫撐平面布置如圖4所示。邊跨主梁邊跨主梁長(zhǎng)153.45m，采用雙邊主梁截面形式，邊主梁采用箱形截面，兩邊主梁之間由橋面板和橫梁連接。與邊拱結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，邊主梁中心距為22.3m。邊跨主梁高度4.0m，與邊拱肋相交處局部變高度，三角形區(qū)域主梁高度2.5m。邊跨梁部截面如圖5所示。三角區(qū)梁部截面如圖6所示。主拱范圍內(nèi)的橋面系主跨橋面系采用懸吊體系。橋面結(jié)構(gòu)由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成。鋼橫梁長(zhǎng)約36.4m，采用工字形截面，中心梁高2.1m。鋼縱梁采用熱軋H型鋼，全橋共設(shè)置3組鋼縱梁，用于增強(qiáng)橋面的整體性并支承檢查小車(chē)的軌道。橋面板由預(yù)制n形C50鋼筋混凝土板和現(xiàn)澆橋面鋪裝層構(gòu)成。預(yù)制板縱向接縫寬50cm，橫向接縫寬50cm，接縫混凝土采用補(bǔ)償收縮混凝土。n形板頂面現(xiàn)澆8cm盾鈴型鋼纖維混凝土（設(shè)計(jì)中考慮其參與n形板的受力）。索塔索塔采用直線和圓曲線組成的花瓶形混凝土索塔，索塔塔身包括上塔柱、中塔柱、下塔柱。中塔柱、下塔柱為C50普通鋼筋混凝土，上塔柱為C50預(yù)應(yīng)力混凝土。西塔高度為85.26m，東塔高度為86.46m。塔柱采用單箱單室矩形截面。下塔柱有1.5m高的實(shí)心斷面，與上拱座相交截面尺寸5.5mx5.0m。中塔柱斷面尺寸5.5mx3.5m,壁厚0.9m和0.8m。上塔柱斷面尺寸5.5mx3.5m,壁厚1.2m和0.8m。索塔結(jié)構(gòu)如圖7所示。斜拉索斜拉索采用申7低松弛預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絲，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1670MPa，兩端采用PEST系列冷鑄墩頭錨。根據(jù)索力大小，其規(guī)格分別為61申7,139申7,187申7。斜拉索索體構(gòu)造如圖8所示。由于主拱對(duì)斜拉索索力較為敏感，施工時(shí)在MC-3、MC-8、MC-10索（上下游共12根）的端頭安裝壓力式傳感器及配套數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),以便大橋在運(yùn)營(yíng)期間對(duì)索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集,并要求具有高度穩(wěn)定性和精確度。吊桿主橋吊桿采用橫向雙吊桿體系,主橋共設(shè)39對(duì)吊桿,吊點(diǎn)順橋向中心距為8.0m。單根吊桿采用109絲申7mm鍍鋅平行鋼絲索，兩端采用LZM7-109冷鑄墩頭錨，索外包PE防護(hù)套。吊桿構(gòu)造如圖9所示。系桿系桿采用FREYSSINETHD2000FPB系列鍍鋅涂油外包PE鋼絞線，單根鋼絞線外包PE。兩端采用FREYSSINETHD2000FPB系列單根錨定夾片式錨具。與斜拉索系統(tǒng)一樣,其端頭安裝壓力式傳感器及配套數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),確保系桿力的均勻性和整索索力的準(zhǔn)確性在±1%的精度內(nèi)。主橋共設(shè)16根49束Q15.7mm鋼絞線系桿，每側(cè)8根，錨固于邊跨主梁端橫梁處；在主梁內(nèi)按體外預(yù)應(yīng)力束布置,在每根橫梁處設(shè)置系桿轉(zhuǎn)向器；在主跨范圍內(nèi),系桿布置在橋面以下,穿過(guò)鋼橫梁時(shí)支承在鋼橫梁的系桿轉(zhuǎn)向器上。橋梁建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最高目標(biāo),是將形式美與結(jié)構(gòu)的合理性統(tǒng)一起來(lái),使二者結(jié)合得近乎完美。斜拉拱橋的體系也是要將斜拉橋與拱橋的受力特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái),共同受力。主跨側(cè)的荷載通過(guò)吊桿和斜拉索傳遞給主拱和橋塔；邊跨側(cè)的荷載部分通過(guò)斜拉索傳遞給橋塔,部分通過(guò)邊梁傳遞給邊支座和邊拱；作用在橋塔上的斜拉索水平分力平衡,豎直分力通過(guò)塔身傳遞給拱座；系桿力及邊跨側(cè)斜拉索水平分力通過(guò)邊跨主梁傳遞給邊拱,在拱座處與主拱的水平分力平衡；豎直分力都通過(guò)拱座傳遞給基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)整體受力體系如圖10所示。該結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)如下：1）斜拉索作為結(jié)構(gòu)的彈性支承，可以提高結(jié)構(gòu)跨越能力，通過(guò)合適的索力可以調(diào)整主拱和邊梁的彎矩。斜拉索的存在可提高主拱結(jié)構(gòu)的剛度。2）和同跨度拱相比，由于斜拉索對(duì)梁部的支承作用，可避免設(shè)置拱上立柱。作用在拱上的斜拉索可以與主拱共同承擔(dān)荷載，減小主拱的水平推力，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強(qiáng)全橋的穩(wěn)定性，起到了對(duì)主拱的優(yōu)化作用。3）與同跨度斜拉橋相比，由于主拱承受了部分橋面荷載，可降低斜拉索索力，縮短了斜拉索索長(zhǎng)，減少斜拉索根數(shù)，降低了塔高。同時(shí)由于邊拱的作用，可避免設(shè)置輔助墩。4）對(duì)于施工而言，橋塔可作為施工塔架，斜拉索可兼有臨時(shí)扣索的作用，減少了施工臨時(shí)設(shè)備，降低了工程造價(jià)。本工程主橋（120m+400m+120m斜拉飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋）為1種新的組合式橋型結(jié)構(gòu)，是由塔、斜拉索、鋼管混凝土拱、預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、吊桿、系桿、鋼－混結(jié)構(gòu)橋面系等組成的多體系組合結(jié)構(gòu)。其構(gòu)造新穎，在國(guó)內(nèi)外都是首創(chuàng)。該橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工步驟多，施工難度大。湘潭蓮城大橋工程技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：1） 造型優(yōu)美壯觀。天藍(lán)色的飛燕式鋼管拱橋橫跨湘江，在80m高花瓶形索塔的襯托下，顯得格外雄偉壯觀，宛如一道美麗的風(fēng)景。2） 結(jié)構(gòu)新穎。該橋是由塔、斜拉索、鋼管混凝土拱、預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、吊桿、系桿、鋼－混結(jié)構(gòu)橋面系等組成的多體系組合結(jié)構(gòu)，這種橋型結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)乃至世界上都是首次采用。3） 工程規(guī)模大。湘潭蓮城大橋創(chuàng)造了兩項(xiàng)中國(guó)橋梁之最：它是我國(guó)目前已建成的跨度最大的中承式鋼管混凝土系桿拱橋；其640m長(zhǎng)的單根包覆無(wú)黏結(jié)鋼絞線夾片錨體系的系桿是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的。該橋主橋鋼結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)6000t，斜拉索、系桿和吊桿等索體的預(yù)應(yīng)力鋼材用量達(dá)980t，主橋總的混凝土數(shù)量達(dá)5.5萬(wàn)m3。4） 結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。該橋是索、拱、梁、塔4種結(jié)構(gòu)的組合體系，4種結(jié)構(gòu)相互作用、相互影響，受力復(fù)雜。其中受力最復(fù)雜的為邊拱梁，它本身是三向預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，系桿和斜拉索又作用在其上面，邊拱梁是該橋結(jié)構(gòu)受力最復(fù)雜的部位。5） 施工步驟多、難度大。湘潭蓮城大橋施工要經(jīng)過(guò)多次體系轉(zhuǎn)換和分級(jí)加載才能完成，其施工步驟之多（僅主橋上部結(jié)構(gòu)施工步驟就達(dá)34步）、施工難度之大，在國(guó)內(nèi)橋梁中少有。本工程施工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）邊拱梁高程及混凝土裂縫控制。邊跨主梁長(zhǎng)153.45m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，采用支架現(xiàn)澆施工，是本橋施工的一大難點(diǎn)。①橋位處河床覆蓋層薄，且為密實(shí)的砂卵石，鋼管樁打入困難，支架搭設(shè)難度大；②支架高度達(dá)30m，屬于高支架，支架穩(wěn)定性問(wèn)題突出；③邊拱梁混凝土方量大，支架承載力要求高；④由于支架高，鋼管樁打入深度小，支架沉降量相對(duì)較大，如何合理設(shè)置現(xiàn)澆預(yù)拱度，保證邊拱梁線形，以及如何防止支架沉降造成梁體混凝土開(kāi)裂，是邊拱梁施工必需解決的一大難題。2）主拱安裝及拱軸線線形控制。鋼管拱吊裝及線形控制是本工程施工的關(guān)鍵施工技術(shù)。鋼管拱吊裝的難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：①纜索吊裝系統(tǒng)的設(shè)