中国设计师厉害了,重庆朝天门长江大桥成为
1工程概况
重庆朝天门长江大桥是连接重庆市南岸与江北两区的中央商务区、沟通长江两岸的重要通道之一,位于重庆朝天门两江(长江与嘉陵江)交汇处下游1.71km。大桥包括主桥和南北两侧引桥,全长m,其中主桥长m,采用m+m+m的中承式连续钢桁系杆拱桥(图1);北引桥长m,南引桥长m,均为预应力混凝土连续箱梁桥。
大桥采用双层交通布置,上层桥面为双向六车道和两侧人行道,桥面宽度36.5m;下层桥面中间为双线城市轻轨,两侧为双向两车道(图2)
图1朝天门长江大桥主桁布置图图2朝天门长江大桥主断面及桥面系构造2设计概要
2.1桥位选址
1)实现城市路网规划构想:建立主城区东西向快速交通,便捷连接长江两岸的江北城中央商务区和弹子石中央商务区,解决其内外部交通通道,以交通建设带动两区经济发展,缓解主城区道路交通压力,逐步完善城市道路和轨道交通体系,加快北岸新城区建设,带动南岸老城区改造,促进社会和谐进步。
2)顺应自然:通过河势研究和行洪论证以及通航净空尺度和技术要求分析等,选择河道顺直、河床稳定、江面较窄、不受三峡水库蓄水后行洪和淤积影响、地质构造简单、通航安全的河段。
3)与周边协调:大桥虽在重庆机场航空飞行走廊内,但高度远远低于飞行净空限界,对飞行安全不构成威胁;大桥避开港口港池水域,对船舶作业不存在影响;桥区范围没有文物,不涉及文物保护问题。
2.2确定桥型
1)公轨两用的桥梁,结构受力复杂,需有足够的强度与刚度,在主跨跨度满足双向通航安全要求的同时,桥跨竖向变形要小。
2)桥位处于长江与嘉陵江两江交汇处的下游,既是山城重庆的门户大桥,也是乘船进入重庆主城区的第一座桥梁,景观方面桥梁造型要与朝天门弧形广场呼应,突出“门”的效果;南北中央商务区通过本桥实现陆路联系。
3)重庆主城区已经建成的桥梁中,缺少钢桁系杆拱桥,为丰富桥梁型式、实现重庆打造成为国内桥都的梦想有重要意义。
2.3主要技术标准
公路道路等级为主干道Ⅰ级;设计行车速度为60km/h;桥面车道布置为上层桥面双向6车道,下层桥面双向2车道;道路净空高度≥5m;一个车道宽度为3.75m;人行道宽度为2×2.5m;轨道交通标准为双向轨道交通,线间距4.2m;设计行车速度为80～km/h;轨道交通限界为净宽≥9.2m,轨顶以上净高≥6.5m;设计基准年限为年。
2.4设计荷载
2.4.1永久荷载上层桥面铺装为22kN/m;下层桥面铺装为12kN/m;上层桥面护栏为1.35kN/m;下层桥面护栏为2.7kN/m;人行道铺装为0.6kN/m;人行道栏杆为1.0kN/m;下层轨道交通明桥面(含检查走道)为8.0kN/m。
2.4.2可变荷载汽车荷载:计算荷载为公路-Ⅰ级,并按照城-A荷载验算。轨道交通荷载:采用B型地铁车,5辆车编组,车辆最大轴重P=kN。
群荷载:总体计算时荷载集度采用2.5kN/m2,人行道局部构件计算时荷载集度采用4.0kN/m2。
风荷载:设计风速按照平均最大风速为26.7m/s。温度荷载:设计为最高45℃,最低-5℃,体系温度按20℃计,温差按照±25℃考虑。偶然荷载:地震基本烈度为Ⅵ度,结构物按Ⅶ度设防。
2.5结构设计
2.5.1结构总体布置
考虑通航孔双向通航条件,主桥为m+m+m三跨连续钢桁系杆拱桥,中间主跨通航,两侧边跨不通航,钢梁全长.1m(包括端纵梁),全宽36.5m,主梁采用两片主桁,桁宽29m,两侧边跨为变高度桁梁,中跨为钢桁系杆拱。拱顶至中间支点高度为m,拱肋下弦线形采用二次抛物线,其矢高为m,矢跨比为1/4.;拱肋上弦部分线形也采用二次抛物线,并与边跨上弦之间采用R=m的圆曲线进行过渡。
边跨节间布置为8×12m+1×14m+5×16m,中跨节间布置为5×16m+2×14m+28×12m+2×14m+5×16m,中跨布置有上下两层系杆,其中心间距为11.83m,上系杆不贯通主桁,仅与拱肋下弦相连接,下系杆与加劲腿处中弦及边跨下弦贯通。上层系杆采用“H”形断面,下层系杆采用“王”形断面+辅助系索的组合结构,钢结构系杆端部与拱肋下弦节点相连接,下层辅助系索锚固于系杆端节点处。设置辅助系索的目的在于降低下层钢结构系杆杆力,使杆件设计尺寸及板厚控制在适当范围之内,减少用钢量,取得较好的经济技术指标。
2.5.2支承体系拱桥
按照外部结构支承体系可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱3种,其中三铰拱为静定结构,结构计算最为简单,但由于其结构整体刚度相对偏小,因此一般工程结构设计中多采用后两者。朝天门长江大桥主桥边支点布置均采用纵向活动铰支座,中间支点一侧采用固定铰支座,另一侧采用活动铰支座,为典型的两铰拱结构支承体系。结构通过中跨上下层桥面设置的系杆来平衡拱的推力,使得两座主墩不承受水平推力,构成无推力中承式钢桁架系杆拱桥。
纵向支承体系布置为江北侧中支点(P7墩)设置固定铰支座,其余各墩均设置活动铰支座;横向支承体系布置为中支点均设置固定支座,边支点设置横向活动支座,边支点下横梁中心设置两个横向限位支座。采用两铰拱支承结构方案,具有上下部结构体系受力明确、对基础不产生推力、温度力对结构影响很小、施工期间可对结构进行位移调整而不影响结构受力等优点,但需要设置大吨位支座。
2.5.3上下弦拱杆件及构造
主桁采用变高度的“N”形桁式,拱肋桁架跨中桁高变化幅度较大,为使腹杆布局合理同时考虑主桁景观的协调性,全桥采用变节间布置,共有12m,14m,16m三种节间形式。主桁弦杆为焊接箱形截面,截面宽度有mm和mm两种,截面高～mm,板厚24～50mm。杆件按照四面拼接设计,拼接处杆件高度、宽度均相同,不同宽度和高度杆件之间采用变宽(高)度设计,对于同一杆件,宽度和高度不同时变化。腹杆采用箱形、“H”形及“王”形截面,箱形截面高～mm,板厚24～50mm;“H”形及“王”形截面高～1mm,板厚16～50mm,杆件端部按照两面拼接设计。主桁杆件所采用的最大板件厚度50mm,最大长度44m,最大安装吊重80t。
2.5.4桥面桁式朝天门长江大桥采用双层桥面布置,设计上对于用吊杆吊挂在钢桁拱肋上的中跨桥面,其主桁采用上下平行弦系杆结构,依靠竖杆联结上下节点,不设置斜腹杆,与大桥主桁形成刚性拱柔性梁体系。这种结构形式具有系杆杆力均匀、利于结构设计与制造、下层桥面行车遮挡少、景观效果好、较设置斜腹杆方案节省材料的优点。对于上述之外的主桁加劲弦及其外侧的边跨范围的桥面,设计上将桥面通过桥面横梁直接与主拱桁梁联结。上层系杆采用焊接“H”形截面,高mm,宽mm,板厚50mm;下层系杆采用焊接“王”形截面,截面高1mm,宽mm,板厚50mm。
2.5.5主桁节点构造
钢桁架桥梁主桁节点构造形式主要有拼装式节点和整体节点两种,其特点参见表1。
表1主桁节点构造形式比较表这两种节点形式在国内钢桁梁中均有较多的应用实例,制造技术均较为成熟。结合朝天门大桥的技术特点,为降低制造难度、节省工程投资,设计上优先考虑采用拼装式节点。但由于中间支承节点受力非常集中,相邻杆件尺寸和板厚均较大,采用整体节点可以大大减小节点板尺寸。因此主桁节点在设计上除中间支承节点(E15)采用整体节点外,其余均采用拼装式节点。节点板最大厚度80mm(E15节点),最大规格为mm×mm(E18节点)。
2.5.6桥面系
上层行车道和下层两侧行车道桥面采用正交异性钢桥面板,桥面板厚16mm,采用“U”形闭口肋。沿纵桥向设置横隔板,其间距不大于3m;沿横桥向:上层行车道布置6道纵梁,下层两侧行车道每侧布置2道纵梁;在主桁节点处设置一道横梁。下层桥面中间轻轨双向通行区段采用纵、横梁体系,其横梁与两侧钢桥面板横梁共为一体,共设置两组轻轨纵梁,其中心间距为4.2m,每组轻轨纵梁由两片纵梁组成,两片纵梁通过平联和横联连为一体,纵梁端部通过鱼形板和连接角钢与横梁连接。上层桥面在主桁节点外侧设置人行道托架,上置“∏”形正交异性钢人行道板。
2.5.7联结系
下层桥面平纵联为交叉型设置,杆件采用焊接“工”形构件,下层桥面横梁同时作为下平联的撑杆。因主桁桁宽远大于节间长,为避免平联斜杆夹角过小,拱肋上、下弦平纵联采用菱形桁式,加劲弦平纵联采用“K”形桁式。由于相邻节间的平联间均存在一定的夹角,平联节点板采用弯折方式进行过渡。主桁拱肋每两个节间设置一副桁架式横联,位于拱肋上下平纵联“米”字形形心处,可增强拱肋的空间刚度同时大大减小平联斜杆的计算自由长度;加劲弦区段每个节间均设置一副桁架式横联。
2.5.8大吨位支座
朝天门长江大桥主桥中间支点最大支点反力达kN,所采用的大吨位支座是目前国内外承载力最大的支座,要求材料等级高、加工工艺精细,需要通过一系列科研、试验,确保大吨位支座的正常使用,是本桥的主要技术特点和难点之一。大吨位支座目前在国内外均有较多的工程应用实例,已知投入使用的铸钢铰轴支座最大支座承载力达kN(日本港大桥)、球型支座最大支座承载力达kN(沈阳富民桥),均接近本桥的技术要求,为本桥大吨位支座的采用提供了经验,承载力达kN的大吨位支座在技术上是完全可行的。目前国内外承载力在000kN以上的支座主要有两种形式,一种是传统的铸钢铰轴支座,另一种是新型的球形支座。两种支座各有其技术特点,现分析参见表2。
表2支座技术特点分析本桥的总体布置上对支座的建筑高度要求较为严格,如支座建筑高度过大,势必要降低支座下座板高程,有可能受到洪水浸袭,同时综合考虑安装能力和工程造价等因素,确定采用球形支座。
2.6结构分析
2.6.1结构平面受力分析
结构平面受力分析采用中铁大桥勘测设计院有限公司编制的程序SCDS进行计算,按照平面杆系仅对主桁结构进行建模,同时考虑杆件的刚度。主要计算成果详见表3。
表3结构平面静力计算成果由表3的分析成果可以看出:
1)对于本桥所设置的双层系杆来说,起主要作用的仍然是下层系杆,而上层系杆拉力尚不到系杆总拉力的30%;
2)结构中跨静活载作用下的挠跨比(1/)远小于规范的规定值(1/)。因此,可以认为,钢桁拱桥一般具有较大的结构竖向刚度,结构竖向刚度不是其控制结构设计的主要因素。
2.6.2结构静力稳定性分析
本桥的结构稳定性计算采用空间有限元法进行,有限单元法采用通用的空间分析程序ANSYS进行计算。计算模型按照结构构件的空间布置进行模拟,所有构件均采用空间梁单元,对于上下层桥面板,将其刚度与质量等效分配到纵横梁上,模型边界条件按照成桥支承体系设置,结构空间计算模型参见图3。
图3主桥结构空间计算模型结构静力稳定性分析结果表明成桥状态的稳定安全系数为6.8,满足规范中的有关规定,主桥成桥状态失稳模态图见图4。
图4主桥成桥状态计算结果和失稳模态图2.6.3结构动力特性分析
结构动力特性分析采用与静力稳定性分析相同的模型。主要分析成果详见表4。扭弯频率比ε=f11/f2=2.42。
表4主桥成桥状态动力特性2.7钢梁的防腐涂装钢梁的防腐涂装主要参照采用《铁路钢桥保护涂装》(TB/T-)中的有关涂装体系,并对部分涂装体系的油漆种类、涂装道数和干膜厚度进行适当调整。钢梁主体结构所采用的涂装体系详见表5。
表5钢梁主体结构防腐涂装体系2.8钢梁的安装
边跨采用部分膺架结合临时墩的伸臂法架设。安装时首先利用墩旁塔吊在膺架上架设两个节间的钢梁,并在钢梁上弦拼装架梁吊机,然后利用架梁吊机结合临时墩分别伸臂36m,50m,80m架设钢梁至中间墩,伸臂架设时在锚跨适当压重,以保证抗倾覆安全系数大于1.3。
中跨采用两侧对称的全伸臂辅以吊索塔架的施工方法,在跨中合拢。中跨安装时钢梁先整体安装至m,随后仅架设拱肋桁架及吊杆直至跨中合拢。吊索塔架高m,共设两层拉索,前索锚固点分别位于m和m,后索锚固点分别位于m和m,塔架顶部锚固点间距2m。
中跨伸臂架设过程中还对边跨端部48m范围内进行逐步压重,以保证抗倾覆安全系数大于1.3。拱肋桁架合拢时先合拢下弦再合拢上弦。待拱肋跨中合拢后,安装临时系杆并张拉,完成结构的体系转换,然后逆序逐根撤除拉索及吊索塔架,架梁吊机同时后撤。再利用桥面吊机在上层桥面走行,逐节间安装其余上、下层系杆和上层桥面横梁直至跨中合拢,系杆中跨合拢时先合拢上系杆再合拢下系杆,系杆合拢完成后拆除临时系杆。然后桥面吊机由跨中后撤并逐节间吊装下层桥面横梁、平联、轻轨纵梁和上、下层钢桥面板。
为部分消除钢桥面板与主桁的共同作用影响,此前所安装的钢桥面板与横梁之间均采用临时连接,全部主构件安装完成后再进行钢桥面板与横梁之间的正式连接。主结构安装完成后安装并张拉辅助系索。全桥附属结构、桥面铺装等全部完成后,辅助系索和吊杆进行全面调索并达到设计要求。
3结语
若干年以前,我国在拱桥建设方面主要还是以建造石拱桥和钢筋混凝土拱桥为主,近年来,钢管混凝土拱桥和钢箱梁拱桥得到广泛应用,随着科学技术的进步和经济实力的增强,造型更加美观实用的超大型钢桁系杆拱桥逐步得到应用,当朝天门长江大桥成为世界上跨度最大拱桥时,一定能够很好地造福重庆人民,也一定会在国内外拱桥建设史上重重写下一笔,谱写新的篇章。
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