重庆菜园坝长江大桥主桥设计理念与实践

发布时间:2008-07-28  阅读次数:436

       重庆菜园坝长江大桥主桥设计理念与实践 孙峻岭、邓文中、刘孝辉林同棪国际(重庆)工程咨询有限公司 摘 要 重庆菜园坝长江大桥正桥设六线行车道、双侧人行道(上层桥面),双线城市轻轨(下层桥面)。重庆菜园坝长江大桥主桥为公轨两用特大城市桥梁,居世界同类桥梁之首。重庆菜园坝长江大桥主桥的实施有着项目所特有的极为苛刻社会、经济与技术条件,其中主要的项目边界条件包括:420米拱桥一跨过江、公路与轨道交通同桥共建、都市核心区特大型梁建筑美学设计、项目造价与工期的限制。 重庆菜园坝长江大桥效果图面对挑战、重庆菜园长江大桥设计组坚守“求实、创新、效率”的设计理念,即:结合国情、引入并创造性地发展桥梁结构新技术、实现安全、使用、可实施条件下结构的高效率, 使结构的安全性、实用性、经济性及结构的建筑美观在高效结构上得以自然合一。重庆菜园坝长江大桥主桥设计首创组合式刚构-系杆拱拱式桥梁结构体系。巧妙地将“钢”与“混凝土”建筑主材进行组合提高材料使用效率、又将预应力混凝土刚构与钢箱系杆拱组合提高结构跨越能力,再将正交异性板与钢桁架梁组合共同承受公轨荷载。这一组合式拱桥结构体系使安全、经济、美观这三个看似矛盾的理想追求得到了自然、同步、合一性的实现。重庆菜园坝长江大桥主桥的关键技术创新主要包括: - 组合式预应力混凝土“Y”型刚构-钢箱系杆拱拱式桥梁结构体系; - 组合式公轨交通正交异性板-钢桁架梁梁体结构体系; - 组合式公轨交通正交异性板-钢桁架梁的节段化设计、节段化运输、节段化施工的工业化技术; - 中跨-边跨分离系杆体系与刚构-系杆拱主体结构主动控制技术。本文将就项目的主要社会与环境背景、项目关键边界条件、大桥主桥设计理念、主桥结构体系、关键节点、关键设计与施工技术做简要陈述与讨论。 关键词 公轨两用 长江大桥 刚构-系杆拱 主动控制 大节段 1 重庆菜园坝长江大桥主桥项目主要背景与关键边界条件主要项目背景重庆菜园坝长江大桥工程是1996年国务院批准的重庆总体规划中的主城区的一座特大桥梁,同时也是主城区规划中又一条南北大通道上的关键工程。该大通道起于江北新牌坊、经加洲花园分流路、渝澳大桥、八一、向阳隧道、菜园坝长江大桥,止于大石路立交,与起于江北五里店、经黄花园大桥、石黄隧道、石板坡长江大桥,止于南坪四公里的另一南北大道,形成主城区两条平行的南北大通道。菜园坝长江大桥工程北起向阳隧道口立交自重庆长途汽车站过江,跨越长江接南岸苏家坝立交,穿过隧道经花园路、大石路与大石立交相接,路线全长约7km,为规划中的城区主干线的关键节点。大桥工程由菜园坝大桥正桥(含主桥和引桥)、菜园坝立交、苏家坝立交、南城隧道、南城立交及海铜路改造工程组成,桥位如图1.1所示。路线行经地域分属重庆市渝中区和南岸区,辖区内道路纵横、人居密度极高。该桥上游离鹅公岩长江大桥约4km,下游距石板坡长江大桥约1.2km(目前石板坡长江大桥日通行量已达7万辆)。根据对重庆菜园坝长江大桥的交通量预测,其交通量2005年可达26317辆/日,2025年可达50961辆/日。 图1-1 重庆菜园坝长江大桥主桥桥位重庆菜园坝长江大桥主桥为重庆菜园坝长江大桥项目的核心工程, 是国内首座特大公路、城市轨道两用拱桥。主桥上层桥面设六线汽车行车道加双侧人行道,行车道宽度 2×3×3.75m,中央分隔带宽度1.0m,两侧路缘带宽度2×2×0.5m,人行道宽度2×2.5m。汽车荷载按城—A级进行设计,设计行车速度V=60km/h。在主桥下层桥面,即钢桁梁的下横梁上布置双线城市轻轨,采用跨座式单轨交通车辆,设计行车速度V=75km/h。菜园坝长江大桥主桥设计基准年限100年设计目标重庆市人民政府及项目业主重庆市城市建设投资公司为重庆菜园坝长江大桥建设制定了一个很高目标,要求参建单位把大桥建成一个使用功能完备、景观优美、安全、又便于维护的重庆都市主城区标志性桥梁工程。其它主要技术、经济、环境边界条件除了公轨同桥公建的要求,重庆菜园坝长江大桥的设计还必须考虑项目所特有的其它重要边界条件,其中包括: - 政府确定的拱桥桥型; - 397 米的最小通航静宽; - 长江上游季节性水位的巨大落差(常年最高水位182米,常年最底水位162米); - 都市中心区大型基础设施建设所面临的各种场地限制; - 工期限制与造价限额; - 大桥建筑与都市核心区自然景观和建筑景观的和谐关系。 2 重庆菜园坝长江大桥的基本设计理念与原则面对设定的项目目标,面对项目所特有技术、经济、社会、环境边界条件之挑战,大桥设计联合体坚定基本设计理念,即:靠理性技术创新,提高结构效率;效率是目的与条件天然合一的桥梁,并依据设计理念也制定了下列设计原则: 1)在满足安全、使用、耐久要求的前提下,结构造型应力求美观、新颖、简洁大方、富有时代风貌。充分体现当代建桥的新技术、新水平。同时要立足国内,选用经济合理、施工可行的方案。 2)充分尊重、认真分析现有周边环境,注重城市景观组织,合理处理好与周边自然与建筑景观的和谐。 3)充分考虑大桥所处位置的地质、水文以及通航条件。合理布置,尽量减少对交通、水文的干扰。以设计目标为准绳、坚守设计理念与设计原则,尊重本项目所特有的设计各种技术、环境、经济边界条件,设计组对全球范围内现有主要特大拱桥桥型(如图2-1a、b、c、d、e所示)进行了综合比较与分析,最终推出了钢混组合式刚构系杆拱桥这一新型桥梁结构体系为重庆菜园坝长江大桥主桥桥梁结构体系。 图2-1(a、b、c、d、e)主要特大系杆拱桥比较桥型 图2-2 重庆菜园坝长江大桥主桥效果 - 组合式刚构系杆拱桥 3 重庆菜园坝长江大桥主桥结构体系及其关键技术 3.1 重庆菜园坝长江大桥主桥主体结构体系重庆菜园坝长江大桥主桥由420米的中跨和112米及88米对称分布的边跨、侧跨组成。主桥总长800米,立面布置如图3-1所示。大桥主体结构有六大子结构体系组成:主桥桩基承台基础、钢混组合式提蓝刚构-系杆拱、组合式正交异性桥面板桁架钢梁、分离式系杆索体、吊杆索体、支座及伸缩缝。 图3-1/重庆菜园坝长江大桥主桥总体布置 3.2 重庆菜园坝长江大桥主桥主体结构设计关键技术重庆菜园坝长江大桥主桥结构总体设计核心技术主要可归结如下几点。组合设计技术为了提高结构的整体效率,重庆菜园坝长江大桥主桥设计在三个层面上使用了“组合”技术,即:在材料上,将混凝土与钢组合提高材料使用效率;在直接活载承载梁体设计中将正交异性桥面板与桁架钢梁组合提高梁体承载效率;在主体承载结构设计中将预应力混凝土“Y”型刚构与提篮钢箱系杆拱组合提高主体结构跨越能力。 图3-2a 钢混接头 图3-2b正交异性桥面钢桁架梁 图3-2c 一对对称的预应力混凝土连续刚构 + 系杆中拱 从系杆拱桥结构理论最常用到的方程式3-1,不难理解组合的效率。 (3-1)其中: 是作用在拱肋上的竖向力; 是拱肋的有效跨度; 是系杆拱肋失高。 是作用在拱肋上的平均竖向力所引起的水平推力。众所周知,拱桥的设计与实施中,水平推力可能最能反应设计与实施的技术难度及大桥建成的经济指标的技术参数,即水平力越大、技术难度及其经济指标就越高,水平推力越小技术难度及其经济指标就越低。假设失高不变的情况下,降低水平推力的有效方法:一是减小有效跨度 ;二是减少拱重和梁重。与常用的钢桁架-混凝土桥面板结合梁及分离式钢桁架-正交异性桥面板叠和梁梁体相比,组合式正交异性桥面钢桁架梁使用“组合” 理念设计,让正交异性桥面板与钢桁架梁联合作用,使得公轨荷载同梁承担,进而使公轨双用钢梁梁重降到最轻;由于在主体承载结构设计中将预应力混凝土“Y”型刚构与提篮钢箱系杆拱进行组合,从而使系杆中拱的有效跨度从420米减少到320米,极大地降低了大桥水平推力,提高结构总体效率同时降低了关键子结构设计难度;在主体结构的下部结构使用预应力混凝土“Y”型刚构也带来了其它优点:充足的强度与刚度、优良的抗船击能力与耐久性能、良好建筑的可塑造性及经济指标。另,大桥提蓝拱肋仅设六各横撑,在保障主体结构有足够的稳定安全系数的前提下,又降低了主拱自重。正是这些关键材料、结构“组合”技术、重庆菜园坝长江大桥主桥具有很高的材料与结构效率,在保证结构安全性与耐久性的同时,与功能类似规模相当的大桥相比,预计本桥节约永久结构钢材约13000吨。大型结构主动控制技术重庆菜园坝长江大桥大桥设计首次采用特大系杆拱桥设计中的纵向系杆分离体系,即将纵向系杆分为中跨系杆与边跨系杆,并将其独立锚定。在此基础上,设计又在边墩增设了竖向系杆索。三套相对独立的系杆体系可在实施过程中对大桥的主体(刚构、主拱)进行内力与线形空间的调整与控制。 图3-2d 预应力混凝土“Y”型刚构及系杆中拱系杆工作基本原理图示 正交异性桥面钢桁架梁大节段工业化技术现代钢结构设计与钢结构的制造、架安密不可分。一般来讲,钢结构的设计受到、并接受钢结构制造条件、钢结构安装措施的限制。现代钢结构设计、制造、安装技术的发展史也可以基本上说是一部不断深入的“工业化”理念的实践史。所为钢结构的“工业化”理念在这里是指:钢结构设计、制造、运输及安装的工厂化、标准化、及大型化, 现代钢结构工业化的基本目标是更好更快地实施钢结构工程。我国现代钢桁架桥梁基本单元从杆件+板片到杆件+整体节点,钢结构单元的基本连接形式从卯接到栓焊连接,整整走过了近百年的历史。目前,国际发达国家已经发展到了大节段乃至超大节段设计、制造、运输、及吊安,极大地提高了项目实施的效率,更好地保证了钢结构工程的质量。重庆菜园坝长江大桥的正交异性桥面桁架梁设计在已经发展成熟的整体节点、高强镙栓、厚板焊接等技术的基础之上在国内首次采用大节段设计、大节段制造、大节段运输、大节段吊安的设计理念旨在保证质量,并给施工单位提供了更大的工期保障空间。 图3-2e 桥面板制造分割方安 与节段吊安示意 正交异性桥面与钢桁架梁的组合提高组合桁梁的承载效率,工地吊安的节段化提高了施工速度、更好地保证了结构质量。但也同样给设计、制造、施工带来了新的挑战与难题。在设计层面需要解决的新问题主要包括: -正交异性桥面与桁架梁上玄杆的联合作用; -桁架梁上玄杆桥面板及桥面板主、次横梁的连接构造细节; -吊杆-组合式桁架梁横梁-斜吊杆-下玄杆-下轨道横梁传力设计及构造设计。在制造方案及工艺设计方面的新问题更多,其中主要有: -组合式桁架梁正交异性桥面板制造基本单元分块; -组合式桁架梁正交异性桥面板制造基本单元的连接形式; -组合式桁架梁正交异性桥面板形变控制技术; -组合式桁架梁多种整体节点的制造工艺; -组合式桁架梁大节段总体组装方案与精度控制技术; 图3-2f 重庆菜园坝长江大桥组合式公轨两用钢桁架梁大节段段间对拼实验 重庆菜园坝长江大桥组合式公轨两用钢桁架梁大节段段间对拼足尺实验于2005年4月30日在重庆船厂首次实施,两节段八点同时对接在四十六分钟内顺利完成。大节段对接的成功标志着我国钢结构设计、制造技术在工业化的道路上又迈上了新的台阶。 3.3 重庆菜园坝长江大桥主桥关键构造设计 关键结构构造设计是桥梁设计理念到实现的桥梁。考虑到重庆菜园坝长江大桥主桥的设计寿命为100年这一因素,设计组将结构构造设计基本原则定为:保证安全、耐久、可实施性,有选择地保证特殊构造或结构单元的可更换性设计。考虑到篇幅所限,本节仅对菜园坝长江大桥个别关键构造设计的考虑、设计构思及设计细节简要陈述如下。钢箱拱肋与吊杆拱肋锚点认识到钢材对混凝土材料的套箍效应,近年来我国拱桥的设计者与建设者在许多拱桥建设中采用了凝土填充的钢管作为拱桥拱肋,积累了许多的经验与教训。在菜园坝长江大桥设计之初,设计针对钢拱肋的截面形式的两个备选方案,即:钢箱拱肋与钢管拱肋,进行了反复的论证比较。比较与论证的技术层面包括:拱肋强度与刚度,拱肋重量与造价,拱肋关键构造的安全性与耐久性,拱肋的可维护性,拱肋与横撑的连接构造,拱肋的建筑观感等。论证表明,尽管在理论轴压作用条件下,钢管混凝土拱肋的建安性价比略好,但其混凝土钢管相互作用机理缺乏试验基础,关键构造的强度安全性、耐久性、可维护性、生命周期造价及建筑感官较差。基于论证分析,菜园坝长江大桥主拱拱肋采用钢箱拱肋。 图3-3a 钢箱拱肋及吊杆拱箱锚点布置 吊杆锚点的布置也是设计的焦点之一。传统设计将一组多根吊杆多沿桥轴线布置。但这样的布置使吊杆拱肋箱内锚点与吊杆梁上锚点的构造复杂,设计难度大大提高。经反复思考、菜园坝长江大桥吊杆锚点沿桥轴垂直线布置。这样的吊杆布置使得吊杆内力更直接地传递到拱箱隔板及桁架横梁,消除了锚点处传统锚箱构造及由于锚箱所带来制造、维护、及疲劳耐久性问题。系杆索体 系杆索是系杆拱桥中抵抗由于恒载与活载所引起的水平推力的关键结构单元,是大桥的生命线。系杆索的设计不仅要考虑到其理论强度安全系数,而且必须考虑其耐久性、可维护性及可更换性。经反复论证菜园坝长江大桥主系杆索采用PE外包镀锌七丝钢绞线体外索体系,其锚头及锚头-套管封闭抗腐体系均为专项特制产品。同时本系杆索索体允许单根张拉、整体调索、单根更换等优点。索体设计强度安全采用2.5。 图3-3b PE外包镀锌七丝钢绞线体外索 边跨桁梁-预应力混凝土“Y”刚构连接构造拱肋之外边墩之内约150米的桁架梁体自重及其它所承受的二期恒栽及活载在拱梁交界处产生高达3000吨的反力。这一强大外力必须安全、可靠地传给预应力混凝土“Y”刚构,并由“Y”刚构的前悬臂及边跨系杆联合作用最终将静活荷载安全传给主墩与基础。由于拱下无墩这一传力构造必须是拉力结构构造,同时为了保证钢梁在温度效应作用下的自由纵向伸缩及在横向风载与活载偏载作用下横向的稳定性,这一拉力传力构造必须具备竖向强度、纵向漂浮、横向稳定(或保向)。经反复思考、认真比较,菜园坝长江大桥梁拱连接构造的主拉力元件采用PE外包镀锌七丝钢绞线体外索体系。除了主拉力结构单元之外,连接构造还包括前次横梁及吊索牛腿、桁架托梁、吊索上锚点、吊索下锚点。边跨桁梁-预应力混凝土“Y”刚构连接构造总体布置如图3-3c所示。考虑到吊索承受较大地冲击活载,桁架梁吊杆索设计安全系数取值为3.0。桁架梁吊杆索不仅能同时满足强度空间及变位空间的要求,也同样具有耐久性能好及可维护性及可更换性等优点。 图3-3c边跨桁架梁-刚构连接构造总体布置 分离式系杆剪力键为了实现预应力混凝土“Y”型刚构与系杆中拱的结构组合进而提高结构效率,为了能在大桥施工过程中对预应力混凝土刚构的前后悬臂及其主墩内力与线形空间的进行主动控制,菜园坝长江大桥主桥采用“分离”式中跨与边跨系杆设计,而连接中跨系杆与边跨系杆的关键结构接点为分离式系杆剪力键。剪力键的立面与正面如图3-3d所示。 图3-3d 分离式系杆剪力键 剪力键的结构功能主要有三:其一为抵抗来自边跨系杆和中跨系杆而来的强大拉力,对边、中跨系杆索实施锚定;其二是将边跨系杆与中跨系杆的拉力差安全传递给“Y”型刚构前悬臂,即对“Y”刚构前悬臂实施“体外预应力”确保刚构前悬臂能够承受来自系杆中拱的巨大竖向压力。刚箱拱肋-预应力混凝土“Y”型刚构钢混接头钢箱拱肋与预应力混凝土“Y”型刚构的钢混接头是菜园坝长江大桥“组合”设计理念中材料组合与结构组合可实施性的构造基础。“钢混接头”强度安全性与构造耐久性设计是接头设计的核心。菜园坝长江大桥钢混接头采用PBL剪力键及从向预应力拉杆技术保证了接头抗压、弯、剪强度,同时采用接头外箍构造避免了混凝土在钢混结合部的高应力区产生开裂、降低其耐久性的可能。这一构造在菜园坝长江大桥关键技术科研项目的验证试验中得到了证实。 图3-3e 钢箱拱肋-预应力混凝土“Y”型刚构钢混接头边墩接头 边敦接头是预应力混凝土“Y”型刚构后悬臂、边跨系杆、边敦及竖向拉杆、与Y”型刚构后次横梁五个主要结构单元的接点。边敦接点的主要结构性能有五:锚定“Y”型刚构后悬臂的纵向预应力筋,锚定边跨系杆索体,锚定竖向拉杆索体,连接“Y”型刚构后次横梁,锚定临时施工扣索。 图3-3f 边墩接头 4 菜园坝长江大桥主桥施工方案及关键施工技术总体施工方案在长江上下各类特大桥的施工方案及其核心技术,因桥位、桥型及其跨度、设计的交通功能等技术边界条件的不同,各有不同。但特大系杆拱桥、特别是长江上游都市中心区进行公轨两用特大系杆拱桥难度更高。菜园坝长江大桥主桥总体施工方案有五大组成部分:主桥基础与边墩、侧墩施工方案、预应力混凝土“Y”型刚构施工方案、系杆中拱施工方案、桁架梁体施工方案及系杆索体、吊杆索体施工方案,其中刚构、系杆中拱及桁架梁施工方案为核心方案。菜园坝长江大桥主桥核心施工方案可简要概述为:支架+节段悬拼施工刚构;天吊+扣索施工系杆中拱;天吊+大节段施工桁梁。方案总体布置如图4-1所示。 图4-1 菜园坝长江大桥总体施工方案事宜关键施工技术菜园坝长江大桥主桥结构所固有的高效率给大桥的实施带来了很大的挑战。除了克服困难的都市中心区场地边界条件及长江上游巨大的季节性水文高差大之外,施工单位还必须完整、准确地实施下列关键施工技术以确保大桥总体施工方案的顺利安全实施。这些关键施工技术主要包括: -空间预应力混凝土“Y”型刚构施工综合施工技术; -420吨重型天吊系统实施与控制; -大节段钢箱梁运输、吊安技术; -钢混组合式刚构系杆拱桥施工控制技术。 5 菜园坝长江大桥主桥关键技术科研攻关项目为了确保大桥安全、顺利、高质量的实施,菜园坝长江大桥业主单位重庆市城市建设投资公司组织并由设计、建设、院校等单位参加,完成了多向直接服务于项目的关键技术科研, 其中包括: -主拱拱肋钢混接头大比例实验研究; -前次横梁接头大比例实验研究; -主梁下玄-轨道横梁整体接点疲劳特性大比例实验研究; -主桥成桥及其关键施工阶段气动特性及实验研究; -现代钢结构大节段设计、大节段运输、大节段吊安技术研究; -公轨两用钢混组合刚构-系杆拱施工控制研究。上述关键技术的研究成果为大桥的安全高质实施提供了进一步的技术保证。 6 结束语菜园坝长江大桥主桥现有设计与施工的经验给了我们如下的启迪:(1)在我国现代特大桥、特别是都市桥梁的设计与建设中必须从设计理念上考虑到大桥功能的拓宽-大桥功能的双重性,即大桥的物质功能与精神功能。所谓物质功能泛指桥梁的交通、安全、耐久、可维护性功能及经济指标等;而精神功能则指桥梁的自然和谐、建筑美学功能等。而桥梁物质功能及精神建筑功能之美的统一基于结构效率、实现结构效率应靠已有成功技术理性组合及技术创新。(2)重庆菜园坝长江大桥主桥设计坚持效率是美的设计理念,结合国情采用三大关键技术,即:材料与结构组合技术,组合式桁架钢梁大节段设计、制造、运输、吊安技术,分离式系杆-主动控制技术,创造性设计了组合式公轨两用刚构-系杆拱特大桥梁体系,为我国都市交通天堑跨越提供了新的桥梁结构体系。菜园坝长江大桥结构建筑造型简洁、刚柔共举、与桥位自然和建筑环境相和为一。它优在结构、美在效率。(3)由于采用“组合”、“主动控制”、大节段工业化实施等新技术,菜园坝长江大桥结构效率明显提高,与同类钢拱桥相比节约永久结构用刚约达13000 - 15000吨,节约投资约两亿人民币。(4)高效率、新技术对重庆菜园坝长江大桥的建设者们提出了更高的要求、更大的挑战,特别是对大桥建设的业主单位、设计单位、施工单位及监理单位。 参考文献 [1]“重庆菜园坝长江大桥主桥两阶段施工图设计文件”. 重庆菜园坝长江大桥设计(重庆交通科研设计研究院/林同棪国际公司)联合体.2003年11月。 [2]“重庆菜园坝长江大桥主桥施工组织设计”.中铁大桥局集团五公司菜园坝长江大桥项目部.2004年11月 *孙峻岭: 重庆菜园坝长江大桥项目总工程师、主桥设计总工程师/林同棪国际公司 *邓文中: 重庆菜园坝长江大桥项目技术总监/林同棪国际公司 *刘孝辉: 重庆菜园坝长江大桥主桥设计负责人/重庆交通研究设计院 鸣谢重庆菜园坝长江大桥建设业主: 重庆市城市建设投资公司重庆菜园坝长江大桥主桥BT项目业主: 中铁大桥工程局集团重庆菜园坝长江大桥建设有限公司重庆菜园坝长江大桥设计单位: 重庆交通研究设计院/林同棪国际公司 – 设计联合体重庆菜园坝长江大桥主桥施工单位: 中铁大桥局集团五公司重庆菜园坝长江大桥主桥监理单位: 中国船级社工业总公司重庆菜园坝长江大桥主桥主体钢结构制造单位:中铁山海关桥梁厂

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