长江公路大桥工程设计与技术特点

长江公路大桥工程设计与技术特点长江公路大桥工程设计与技术特点姜友生 邓海（湖北省交通规划设计院） 【摘要摘要】 宜昌长江公路大桥是沪蓉国道在宜昌跨越长江的工程，主桥采用主跨 960m 钢悬索桥。本文重点介绍该桥的建设条件、主要设计构造以及设计、施工、科研的特点。【关键词关键词】悬索桥 桥塔 加劲梁 锚碇 主缆 吊索 索鞍 支座一、桥位概况一、桥位概况宜昌长江公路大桥是沪蓉国道主干线在宜昌长江河段跨越长江经湖北省西段进入重庆市的特大型一级公路桥梁，是国家“九五“重点建设工程。桥址位于宜昌市虎牙滩，距城区约 15km，上游距葛洲坝 22km、三峡大坝 40km，下游距枝城长江大桥约 45km。二、主要设计标准二、主要设计标准1公路等级：一级公路。2荷载等级：汽-超 20，挂-120；人群：3.5kN平方米。3大桥设计时速： 80km/h。4大桥桥面宽度：钢箱梁全宽 30m，按四车道布置，两侧风嘴上各设一人行道，桥面净宽 26m。5接线路基宽：24.5m，四车道。6地震烈度：基本烈度为 6 度，按 7 度设防。7温度：桥位区域极端最低温度一 14.6，极端最高温度 43.9，年平均气温 16.5。8风况：设计基准风速为 29ms，成桥颤振检验风速为 44ms。三、工程设计三、工程设计1 1主桥总体布置主桥总体布置悬索桥主跨跨度为 960m，主梁简支在两侧桥塔横梁或交界墩承台上。主桥南岸通过三孔 30m 简支梁桥同南岸互通工程相接，北岸通过跨度为 16，20，25（m）空心板组合的引桥跨 318 国道、接北岸接线工程。主桥桥梁全长 1206m。2 2悬索桥主要设计参数悬索桥主要设计参数结构型式：单跨双绞悬索桥； 主缆跨径（ m）： 246.255960246.255，主缆矢跨比： 110；主缆直径（mm）：655（索夹外，空隙率 20），647（索夹内，空隙率 18）；主缆中心距（m）：24.4 吊索直径（mm）：45；吊索间距（m）：12.06（边吊索距桥塔中心 1569）；桥塔高度（m）：北塔 112415（承台顶面以上），南塔 142227（承台顶面以上）；加劲梁全宽（m）： 30.00 加劲梁中心高（m）：3.0。3 3结构设计结构设计（l）桥塔结构由于南北两岸地势条件及地质情况不尽相同，南北两桥塔结构上略有区别：南塔承台以上塔高 142227m，有三道横梁，行车道主梁及南岸引桥支承在下横梁上；北塔承台以上塔高 112415m，设上、中两道横梁，行车道主梁及北引桥支承在交界墩上。南北两塔均采用分离式承台，每一承台长 19.1m、宽 9.1m、高 7m，其下设 8 根直径 2.5m 的桩基础。北塔上游塔柱下桩基长 186m；下游塔柱下桩基长 146m。南岸桥塔 16 根桩基长度均为 27m。两塔身塔柱均为空心矩形箱结构。塔顶顺桥向 6m 宽，并按 1：100 的坡度分别加宽至塔脚 8.40m（北塔）、8.84m（南塔）。塔顶横桥向等宽 5m。塔柱壁厚度按上、中、下三道横梁分为三种，壁厚分别为 0.7m、0.8m、1.0m。为有效地扩散塔顶主鞍传递的巨大压力，塔顶设有 12.8 高渐变段。塔冠设有 34m 高实体段。上横梁高 54m、宽 508m；中横梁高 7.5m、宽 608m，壁厚均为 0.8m。南岸下横梁高 6.8m，宽 7.19m，壁厚为 1.0m。为改善桥塔外观效果，在塔柱的四角及外侧中央设有 0.3m * 0.5m，3m * 0.15m 的凹槽。塔柱竖向主筋采用 32，间距 15cm。水平箍筋采用 16，除桥塔根部变化段间距 15cm 外，其余均为 20cm。同时在间距 20cm 的水平箍筋之间设置了两根 6.5 防裂分布箍筋。横梁主筋采用 25，间距 15cm；箍筋采用 16，间距15cm。在各道横梁上设有根数不等的钢绞线预应力束。塔身及横梁为 50 号混凝土，承台为 30 号混凝土，桩基为 25 号混凝土。全桥桥塔 50 号混凝土 10554 立方米，30 号混凝土 4867 立方米，25 号混凝土 4768 立方米。（2）加劲梁加劲行车道主梁为类似鱼鳍形扁平钢箱梁结构。主梁结构全宽为 30.0m，中心梁高 3m，高宽比为 1：10。顶板宽度为22m，设 2的双向横坡。上斜腹板水平宽度为 1.2m。悬臂人行道宽度为 2.8m，设 1.5的向内单向横坡。桥面为正交异性板，顶板及上斜腹板厚 12mm，行车道 U 形加劲肋中心间距 0.59m，板厚 6mm。底板及下斜腹板板厚10mm。底板、斜腹板球扁钢加劲肋中心间距一般为 0.4m，球扁钢规格为 16a。加劲梁横隔板间距 4.02m，无吊索处板厚为 10mm，有吊杆处板厚为 12mm。为有效改善桥面板在汽车荷载作用下的变形及受力状况，在每两道横梁之间没有一道矮加劲肋。矮肋高 0.45m，板厚 16mm。人行道顶板板厚 12mm，其下横向设有间距为 2.01m 一道、板厚 12mm 的横肋板。顶板纵向设有球扁钢加劲肋，间距 0.3m。加劲梁上的锚箱是钢箱梁重要的传力结构，本设计进行了特殊设计处理。锚箱主要由三块承力板、一块承锚板组成。三块承力板门距为 50cm，中间一块板厚 32mm，另两块板厚 20mm。三块承力板均穿过加劲梁斜腹板，其中间一块与横隔板相连接。承力锚板厚 50mm，其上设有多道板厚 20mm 的加劲板。为适应加劲梁端部结构的复杂受力的需要，对长 733m 的端节段进行了特殊加强设计。端节段设有 6 道横隔板，横隔板板厚为 16mm 或 20mm，并结合支座系统连接的需要进行局部加劲处理。加劲梁钢材材质为 Q345-E，结构钢材共用 10390t。加劲梁顶板上铺设 7cm 厚改性沥青混凝土铺装层，人行道上铺设 3cm 厚的沥青砂。（3）锚碇南北锚碇所处的地质情况不尽相同。北锚碇基坑基岩在高程 54.8m 以下整体性较好，无明显的夹层及破碎带，基岩为泥钙质胶结砾岩；高程 54.8m 以上基岩破碎，且多为红色粉砂岩。南岸整个岩体整体性差，基岩破碎，有多条夹层及断层，岩体以泥钙质为主，夹有粉砂岩或红砂岩的砾岩。南北基岩均为强度较低的软质岩。故南北两锚碇均设计为重力式钢筋混凝土锚碇。为保证锚碇上方行车道的宽度，锚碇采用埋置式，利用其上方回填路基上压重，以减少锚碇混凝土的数量。锚碇结构最大长度为 65m、宽 39m，前缘高 42m，后部高 22.8m。每一锚碇混凝土为 42584 立方米，锚固体及前支承墙为 40 号混凝土，其他各部分均采用 25 号混凝土。本锚碇为少筋结构，仅在锚碇内外表面设置直径 22cm 间距 20cm 的分布钢筋网。为防止大体积混凝土产生有害的裂纹，在锚碇内外表面及每一施工层面上设置了规格为 BQ3030（间距 75 * 150）的金属扩张网。后锚室在锚固体系张拉完成以后用低标号混凝土回填密封，前锚室设有通风除潮设备。在锚碇支承墙前缘，结合保护路面以下主缆的需要，设有地下展览室。 （4）主缆及吊索主缆为预制平行钢丝束，每根为 104 束 1275.1 平行镀锌钢丝集结成束、定型包扎带绑扎、两端嵌固热铸锚头而成。钢丝为强度 1600MPa 普通松弛镀锌钢丝。为方便施工，在热铸锚上设有与锚固体系连接为一体的连接器。主缆防护层由防护油漆、4 软质镀锌钢丝、表面防锈腻子构成。吊索为中心配合绳芯（CFRC）钢丝绳，单根钢丝绳直径 45mm。每侧每一个吊点有 4 根吊索。主缆钢丝共 6670t，吊索钢丝绳约 195t。（5）主索鞍及散索鞍主索鞍和散索鞍由鞍头、鞍体、底座组成。鞍头、鞍体分开浇铸、焊结成一体的铸焊组合结构。为方便加工、运输、主鞍吊装施工，主鞍分左右两半制造，吊装就位后用高强螺栓联接为一体。主鞍鞍体与底座之间，主鞍施工期间设有聚四氟乙稀滑板。散索鞍鞍体采用摆式结构，以适应施工期间及成桥后的微量位移。主鞍最大吊装重量为 32t，散鞍最大吊装重量为 43t。为使主缆在鞍内能保证相对固定、不滑动，在鞍槽内设有竖向镀锌隔板，并在主缆调股到位后顶部用锌质填块填平、压紧。主索鞍及散索鞍鞍体铸钢材质采用 ZG275-485H，底座铸钢材质采用 ZG230-450，槽盖等材质采用 Q235-A。（6）锚固体系锚碇内锚固系统是由 64 根预应力锚固体系组成，其中单锚 24 个，双锚 40 个。单锚采用 16 根公称直径 1524mm 的低松弛高强钢丝锚固，双锚采用五根公称直径 15.24mm 的低松弛高强钢丝锚固。在锚碇结构中，设有型钢骨架以便锚固预应力管道的精确定位施工。前锚面设有锚固连接器与主缆相连接。（7）主桥伸缩缝为适应主跨加劲梁在活载作用下的大变形，加劲梁两端各设一道最大伸缩量为 1360mm 的大位移伸缩缝。（8）支座为传递主梁端节段受力、约束主梁端节段的变形、保证梁端伸缩缝正常工作，在主梁每一端节段设有两个竖向支座、两个梁侧辅助支撑、两个风支座。竖向支座能适应加劲梁在温度及荷载作用下的纵向位移及面内梁端转动，能承受一定的竖向拉压反力。风支座主要承受横向风载。梁侧辅助支撑主要用于控制由于风载或活载偏载作用下的梁端扭转，能适应梁端纵向位移及转动，承受结构扭转倾覆拉力，不能承受压力。支座系统均为材质要求较高的铸焊结构。四、设计、施工及科研的技术特点四、设计、施工及科研的技术特点1 1设计与施工的技术特点设计与施工的技术特点（1）加劲梁采用鱼鳍式断面，并在两道横隔板之间增设了一道矮肋，改善了加劲梁受力及气动性能，同时减少了钢材用量。（2）对加劲梁母材及焊材的 S，P 等有害的杂质进行严格的控制，为提高加劲梁焊接质量创造了条件，使焊接工艺控制达到了较高的水平。（3）桥塔采用大块整体钢模板（9m 高）进行施工，极大地提高了工效和结构表面的平整度；采用钢管支承进行桥塔横梁施工，消除了支架非弹性变形，同时提高了工效。（4）桥塔塔上设有直径 6.5mm 的防裂分布钢筋，成功地克服了桥塔在施工过程中易出现收缩裂纹的通病。（5）锚碇基坑的开挖广泛采用预裂爆破和光面爆破技术，使锚碇高（高 88m）、陡（边坡率 07508）的基坑开挖成功，并保证了高陡边坡的稳定。（6）采用埋置式锚碇，既确保了工程结构的安全可靠，又极大地减少了锚碇混凝土数量，并为成功解决锚碇大体积混凝土开裂问题创造了有利的条件。（7）采用综合的降低大体积混凝土水化热和防止混凝土开裂的技术，使得浇注两锚碇 10 万多方混凝土均未发现一条裂纹，锚碇大体积混凝土浇注的质量得到了突破性的提高。具体的措施为：调整混凝土的设计龄期为 60d，降低水泥用量；采用低热微膨胀水泥；对大体积混凝土进行分块分层浇注，并在每层混凝土中加一层防裂金属扩张网；采用循环水，对大体积混凝土进行降温等。（8）国内第一次采用强度高、弹性模量高且稳定的中心配合绳芯（CFRC）钢丝绳作为吊索钢丝绳；同时，吊索锚头设计为可适当调节的锚杯，克服了吊索不能调节长度的缺点。（9）采用构造简单、受力明确、造价经济的滑转支座系统，满足结构受力及变形需要。（10）桥面铺装采用 7cm 厚的双层 SAM 结构，人行道采用彩色沥青砂结构铺设。 （11）在施工猫道的设计施工中，采取增加适当数量的猫道横向天桥的道数而不设风缆的办法，来提高猫道的抗风稳定性。这样既保证猫道施工过程中的安全，又简化了设计与施工，有利于缩短工期和降低造价。2 2科研试验科研试验宜昌长江公路大桥关键技术研究是交通部“九五“行业联合攻关项目。在部、省有关主管部门领导的支持下，该科研项目进展顺利，全面开展了有关科研试验工作，取得了一些成果，并成功地指导宜昌大桥的建设工作。（1）基岩原位测试 进行了大型的现场基岩原位测试，获取岩石与岩石、混凝土与岩石之间抗剪、抗滑等力学参数，为锚碇、桥塔等的设计提供依据。参加研究的单位：长委三峡勘察研究院、长江科学研究院。（2）风洞试验 进行了悬索桥全桥及节段模型试验，验证结构的抗风能力，并以此结论指导主梁吊装施工；进行了猫道节段模