泰州三塔悬索长江大桥设计及创新总结

泰州长江大大桥设计及及创新韩大章江苏省交通通规划设计计院有限公公司1.项目目概况及技技术标准2.主桥桥方案选择择3.三塔塔悬索桥设设计4.关键键技术问题题及创新汇报内内容1.项目概况及及技术标准准泰州大桥位位于江苏省省长江中段段，北接泰泰州市，南南连镇江市市和常州市市，大桥上上游距润扬扬大桥66km，下游距江江阴大桥57km。镇江市扬州市扬中市常州市泰州大桥润扬大桥江阴大桥泰州市1.项目概况及及技术标准准泰州长江公公路大桥位位于江苏省省长江的中中段，处于于江阴长江江大桥和润润扬长江大大桥之间，，北接泰州州市，南联联镇江市和和常州市项目全长62.088km，包括主江江大桥和夹夹江大桥及及相应引桥桥接线工程程。项目总总投资93.7亿元，项目目总工期为为5年半。项目区域地地貌上属长长江三角洲洲冲积平原原区，地势势平坦开阔阔跨江大桥工工程包括主主江大桥工工程和夹江江大桥工程程。主江大桥的的起点为北岸岸引桥桥台台与北岸接接线工程的的交界点，，起点桩号号为K12+795.000；终点为南南岸引桥桥桥台与南岸岸接线工程程的交界点点，终点桩桩号为K19+564.286；全长6769.286m。夹江大桥的的起点在K22+597.75处，终点在在K25+412.75，全长2815m1.项目概况及及技术标准准公路等级：：双双向六车车道高速公公路设计车速：：100km/h桥梁结构设设计基准期期：100年车辆荷载等等级：公公路路-I级桥面净空及及标准横断断面：桥梁梁标准宽度度：33m，净空高度度为5m1.项目概况及及技术标准准纵坡：≤3%横坡：2％抗震设防标标准：抗风设计标标准：运营阶段设设计重现期期：100年施工阶段设设计重现期期：10～30年，根据具具体情况采采用设计洪水频频率：主桥桥、引桥1/300跨江大桥设设计水位：：(85国家高程系系统)1.项目概况及及技术标准准通航净空尺尺度：760+220m，净高50m,24m1.项目目概况及技技术标准2.主桥桥方案选择择3.三塔塔悬索桥设设计4.关键键技术问题题及创新桥位区大部部分河床面面高程在-15～-20m间深泓在右侧侧、最深处处河床高程-30m2.0m高程水面线线宽约2100m左岸边坡较较缓，一般般在1：3右岸的边坡坡较陡，接接近1：2河床断面一一般情况桥位区水下下地形桥位河床断断面2.主桥方案选选择桥型方案构构思2.主桥方案选选择2.主桥方案选选择桥型方案比比选2.主桥方案选选择桥型方案比比选结合大桥桥桥位河床断断面特性及及桥位处的的自然环境境条件，以以最大限度度保障通航航、保障长长江深水岸岸线利用、、建设节约约型工程为为根本出发发点，主桥桥最终选择择了三塔两跨悬悬索桥方案，跨径径布置为390+1080+1080+390m。为世界首次次建造千米米级三塔两两主跨悬索索桥。桥位下游长长江北岸岸岸线利用设计阶段基基础资料、、专题及科科研成果报报告一览表表1.项目目概况及技技术标准2.主桥桥方案选择择3.三塔塔悬索桥设设计4.关键键技术问题题及创新日本来岛大桥3.三塔悬索桥桥设计3.1多塔悬索桥桥国内外设设计及研究究现状美国旧金山—奥克兰海湾大桥日本南、北备讚濑户大桥3.三塔悬索桥桥设计3.1多塔悬索桥桥国内外设设计及研究究现状以前，在需需连续大跨跨布置时，，多将两座座或三座悬悬索桥联袂袂布置，中中间共用锚锚碇。位于法国中中部的Chateauneuf桥是一座五五跨悬索桥桥，建于1840年，1937年重建，桥桥宽7m，跨径布置置为49.15m+3x59.50m+49.15m。3.三塔悬索桥桥设计3.1多塔悬索桥桥国内外设设计及研究究现状19世纪和20世纪上半叶叶，欧洲建建造了多座座小跨径多多塔悬索桥桥，大部分分采用塔顶顶纵向水平平束来提高高结构刚度度。莫桑比克Save河桥1965年莫桑比克克建成的Save河桥[2]（见下图））是目前在在正式文献献中唯一见见到的已建建多跨悬索索桥，在莫莫桑比克独独立前由其其宗主国葡葡萄牙设计计和建造。。该桥为五五跨连续无无加劲斜吊吊索悬索桥桥，跨径布布置为110+3×210+110m，全长870m，桥宽10.6m1961年7月建成日本本小鸣门桥桥两个主跨跨均为160m，总长为441.4m，桥宽为7m，中塔为钢钢筋混凝土土A形塔。3.三塔悬索桥桥设计3.1多塔悬索桥桥国内外设设计及研究究现状智利Chacao海峡悬索桥桥主跨跨径为为1055m+1100m，采用钢加加劲梁，全全宽23.3m，高3.5m，为双向四四车道；主主缆间距为为21.6m；中间塔采采用A型中塔，以以保证其刚刚度。该桥因资金金筹措原因因至今未实实际展开。。智利Chacao海峡悬索桥加劲梁断面3.三塔悬索桥桥设计3.1多塔悬索桥桥国内外设设计及研究究现状青岛海湾大大桥的工可曾提提出主跨2x1200m的三塔悬索索桥方案。阳逻大桥的初步设计计提出主跨跨2x700m的三塔悬索索桥方案，中塔塔采用混凝凝土A型塔3.三塔悬索桥桥设计3.1多塔悬索桥桥国内外设设计及研究究现状桥跨布置为为：390+1080+1080+390m三塔悬索桥桥跨布置3.三塔悬索桥桥设计3.2结构方案设设计三塔悬索桥桥跨布置三塔悬索桥桥墩位右岸岸坡较较陡，主塔塔距水边的的距离稍许许加大，以以避免主塔塔基础施工工堆载对边边坡造成不不利影响。。右岸坡较陡陡，右边塔塔不宜向江江中移动，，如主跨跨跨度减小为为2x1040m，由于南边边塔控制点点不动北边边塔塔向江江中移动80m，主跨跨度度减小3.7%，主塔基础础设置在-2.0m的浅水中，，施工大为为不便。桥位处2.0m高程水面线线宽度2100m3.三塔悬索桥桥设计3.2结构方案设设计北锚碇位置置选择南锚碇位置置选择北锚前沿距距大堤最小小水平距离离134m，另一个方方向175m。考虑到结构构对称性和和景观上的的需要，南南岸边跨也也取为390m。南锚碇前沿沿距大堤堤堤顶的水平平距离较北北岸大，为为193m，三塔悬索桥桥跨布置3.三塔悬索桥桥设计3.2结构方案设设计桥跨结构合合理的竖向向刚度主缆与鞍座座间抗滑移移安全中塔本身的的强度及稳稳定安全尽量降低工工程数量主要目标中塔的刚度度（材料、、外形、塔塔高）结构支承体体系（支承承模式、中中央扣等））关键结构行为特特点3.三塔悬索桥桥设计3.2结构方案设设计三塔悬索桥桥结构比选选中塔支承体系其它塔型边中塔高差差材料结构比选A型塔I型塔人字型塔混凝土钢钢与混凝土土混合塔梁间纵、、横、竖向向连接中央扣矢跨比边塔主梁高度中塔基础锚碇基础等等3.三塔悬索桥桥设计桥跨竖向刚刚度合适主缆与鞍座座间抗滑移移问题得到到较好的解解决中塔强度安安全有保障障中塔稳定满满足规范要要求中塔及中塔塔基础工程程规模较小小比选一般原原则A型塔I型塔人字型塔中塔考虑塔塔型中塔方案比比选3.三塔悬索桥桥设计中塔方案比比选结论：方案一作为为中塔推荐荐方案。3.三塔悬索桥桥设计结论：与中塔推荐荐方案对应应的方案一一作为边塔塔推荐方案案。边塔方案比比选3.三塔悬索桥桥设计边塔刚度比比较边塔刚度对对主要构件件内力和变变形基本没没有影响。。3.三塔悬索桥桥设计中边塔高度度比较塔高比较的的主要结果果3.三塔悬索桥桥设计中边塔高度度比较塔高比较的的主要结果果塔高比较结结论经多方面综综合比选,再考虑景观观因素，最最终采用中中塔较边塔塔高20m（第三方案案）的主塔塔高度方案案。3.三塔悬索桥桥设计支承体系比比选1、主梁与中中塔的竖向向连接竖向竖向支支座设0＃吊索梁塔间竖向向不约束结论：中塔处不设设竖向刚性性约束、但但设竖向限限位挡块的的支承方式式。通过上下游游竖向限位位挡块联合合作用，使使主梁的扭扭转振动得得到一定程程度的约束束，对于减减小风荷载载作用下扭扭转振动的的振幅有所所帮助。3.三塔悬索桥桥设计支承承体体系系比比选选2、主主梁梁与与中中塔塔的的纵纵向向连连接接纵向向不不约约束束弹性性索索约约束束刚性性挡挡块块约约束束梁塔塔间间纵纵向向设设约约束束显著著提提高高主主缆缆与与中中主主鞍鞍座座间间抗抗滑滑移移安安全全系系数数减小小加加劲劲梁梁竖竖向向挠挠度度改善善中中主主塔塔受受力力极大大的的减减小小加加劲劲梁梁纵纵向向活活载载位位移移结论论：：主主梁梁与与中中塔塔间间设设置置纵纵向向弹弹性性约约束束，，构构造造相相对对简简单单3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计支承承体体系系比比选选3、中中央央扣扣不设设中中央央扣扣设一一对对柔柔性性中中央央扣扣设三三对对柔柔性性中中央央扣扣3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计支承承体体系系比比选选结论论：：不不采采用用设设中中央央扣扣方方案案。。3、中中央央扣扣优点点：：减小小加加劲劲梁梁纵纵向向活活载载位位移移只设设置置一一对对中中央央扣扣，，效效果果不不显显著著设三三对对中中央央扣扣，，对对抗抗滑滑移移及及加加载载跨跨的的挠挠度度有有改改善善缺点点：：存在在卸卸载载、、疲疲劳劳破破坏坏隐隐忧忧主梁梁上上的的锚锚固固构构造造比比较较复复杂杂弹性性索索的的拉拉力力有有较较大大增增加加3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计矢跨跨比比比比选选随主主缆缆矢矢跨跨比比的的减减小小：：主缆缆丝丝股股的的抗抗滑滑安安全全系系数数K有所所增增加加，，但但增增加加幅幅度度不不大大对中中塔塔截截面面的的应应力力影影响响不不大大主梁梁挠挠度度同同步步增增加加主缆缆、、锚锚碇碇的的工工程程数数量量增增加加3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计随着着主主缆缆矢矢跨跨比比减减小小：：扭转转基基频频减减小小竖弯弯基基频频增增加加扭弯弯频频率率比比减减小小颤振振临临界界风风速速减减小小综合合全全桥桥静静、、动动力力分分析析比比选选，，以以减减少少工工程程数数量量为为考考量量，，三三塔塔悬悬索索桥桥方方案案主缆缆矢矢跨跨比比采采用用1/9。矢跨跨比比比比选选3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计加劲劲梁梁梁梁高高比比较较加劲劲梁梁高高度度的的变变化化，，对对活活载载挠挠度度有有轻轻微微影影响响对其其他他指指标标基基本本没没有有影影响响。。3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计加劲劲梁梁梁梁高高比比较较梁高高增增大大，，对对提提高高抗抗风风稳稳定定性性十十分分有有利利。。3.5m比3.0m增加加的的钢钢料料有有限限结论论：：综综合合静静动动力力比比较较，，初初步步设设计计加加劲劲梁梁高高度度取取3.5m。3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中塔塔基基础础比比选选圆形形沉沉井井矩形形沉沉井井群桩桩基基础础118根Φ3.1m/ΦΦ2.8m钻孔孔灌灌注注桩桩。。桩桩长长105m。长宽宽高高58.6×44.5×76m直径径64m,高76m3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中塔塔基基础础比比选选经综综合合比比较较,圆角角矩矩形形沉沉井井优优于于圆圆形形沉沉井井。。3.三塔悬悬索桥桥设计计中塔基基础比比选经综合合比较较,推荐沉沉井方方案。。3.三塔悬悬索桥桥设计计锚碇基基础方方案比比选矩形沉沉井基基础北锚碇碇52.0m×58.8××57m；南锚锚碇50.0m×56.8××51m。矩形沉沉井3.三塔悬悬索桥桥设计计锚碇基基础方方案比比选圆形沉沉井基基础北锚外外径65m，南锚锚外径径63m，沉井井高分分别为为57m和51m。圆形沉沉井3.三塔悬悬索桥桥设计计锚碇沉沉井基基础方方案比比选矩形沉沉井布布置紧紧凑，，与锚锚碇外外形良良好匹匹配，，纵向向刚度度大，，受力力合理理。结论：：推荐矩矩形沉沉井基基础方方案。。矩形沉沉井与与圆形形沉井井工程程数量量比较较(以北锚锚为例例)3.三塔悬悬索桥桥设计计不同持持力层层沉井井工程程数量量比较较表浅埋：：由于软软塑的的亚粘粘土（（北锚锚）和和稍密密的粉粉砂（（南锚锚）承承载力力太低低，易易沉降降，不不宜作作为持持力层层。故故不考考虑该该方案案。中埋、、深埋埋的比比较：：虽然深深埋于于中砂层层的地基基承载载力较较中埋埋于粉砂层层要大，，但由由于锚锚碇受受力的的特点点决定定了沉沉井的的最小小平面面尺寸寸是由由基底底的偏偏心距距控制制的。。深埋埋时沉沉井平平面尺尺寸为为52.8××50m，深度度65m，因此此工程程数量量、施施工难难度和和费用用均大大于中中埋方方案。。3.三塔悬悬索桥桥设计计锚碇沉沉井埋埋深比比选主要计计算结结果锚碇沉沉井埋埋深比比选3.三塔悬悬索桥桥设计计锚碇基基础方方案比比选地下连连续墙墙外形尺尺寸与与沉井井相同同，墙墙体锚锚固于于基底底以下下29m（北锚锚）和和26m（南锚锚）南锚墙墙体高高77m，北锚锚墙体体高86m。3.三塔悬悬索桥桥设计计锚碇基基础方方案比比选结论：：推荐荐矩形形沉井井基础础方案案。3.三塔悬悬索桥桥设计计主桥结结构方方案主主要比比选一一览表表3.三塔悬悬索桥桥设计计支承体体系3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计主缆和和吊索索每根主主缆由由169股索股股组成成，每每根索索股由由91丝直径径为5.2mm的镀锌锌高强强钢丝丝组成成。钢丝极极限抗抗拉强强度为为1670MPa，单根根索股股无应应力长长约3100m。吊索采采用高高强平平行钢钢丝，，吊索索标准准间距距为16.0m，钢丝丝标准准强度度为1670MPa。上下下两端端均采采用销销接式式，锚锚头采采用热热铸锚锚。索夹采采用销销接式式，索索夹材材料采采用ZG20SiMn3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计主缆矢矢跨比比采用用1/9，主缆缆横向向中心心距为为34.8m。加劲梁梁梁高3.5m，全宽宽39.1m，内侧侧普通通车道道和紧紧急停停车带带顶板板厚14mm，并采采用6mm厚U形肋加加劲，，外侧侧重车车道6m范围内内顶板板厚16mm，并采采用8mm厚U形肋加加劲，，采用用Q345d钢。3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计边塔设设计群桩基基础，，单桩桩直径径2.8m，共46根，桩桩长98m（南塔塔）和和103m（北塔塔），，按摩摩擦桩桩设计计；哑铃型型承台台，平平面尺尺寸32.6××32.556m，厚6m；3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计混凝土土索塔塔，塔塔高175.7m。边塔基基础北边塔塔46根Φ3.1／Φ2.8m钻孔灌灌注桩桩，桩桩长103m，南边塔塔46根Φ3.1／Φ2.8m钻孔灌灌注桩桩，桩桩长98m。承台平平面尺尺寸为为78.06m××32.8m，厚6m,为哑铃铃状。。3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计锚体结结构南北锚锚碇结结构相相同。。后锚体体高度度为18.48米，锚锚碇长长度50.3米，后后锚体体横向向宽度度47米。3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计南锚碇碇基础础南锚碇碇采用用52.0m×67.9m，沉井井高41m，平面面布置置了20个井孔孔。沉井底底节8m为钢壳壳混凝凝土，，其余余节为为钢筋筋混凝凝土。。3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计北锚碇碇基础础北锚沉沉井采采用52.0m×67.9m，沉井井高57m，平面面布置置了20个井孔孔沉井底底节8m为钢壳壳混凝凝土，，其余余节为为钢筋筋混凝凝土。。3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计中塔基基础平面尺尺寸为为58m×44m钢沉井井高38m，砼沉沉井高高38m，沉井井总高高76m。整个沉沉井基基础将将下沉沉到标标高-70m的深度度，施施工中中受水水流、、潮汐汐、大大风、、河床床冲刷刷等不不利因因素影影响，，技术术难度度极大大。3.三塔悬悬索桥桥设计计3.2结构方方案设设计中塔防防撞措措施根据《船舶撞撞击数数模分分析及及基础础防撞撞研究究报告告》：低水位位斜角角度撞撞击时时，球球鼻艏艏可能能直接接撞击击井壁壁；高水位位斜角角度撞撞击时时，船船舶的的艏部部前端端结构构可能能直接接撞击击墩身身。5万吨级级船舶舶低水水位45度角撞撞击分分析5万吨吨级级船船舶舶高高水水位位斜斜角角度度撞撞墩墩身身分分析析3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计为避避免免塔塔身身遭遭到到大大型型船船舶舶的的撞撞击击，，考虑虑在在井井冒冒外外加加钢钢质质套套箱箱，钢质质套套箱箱的的设设置置有有以下下二二个个方方案案：：中塔塔防防撞撞措措施施3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计主要要施施工工步步骤骤钢沉沉井井制制造造、、拼拼装装、、下下河河钢沉沉井井浮浮运运、、在在墩墩位位或或拼拼装装码码头头处处接接高高，，墩墩位位锚锚碇碇定定位位压水水着着床床、、钢钢沉沉井井井井壁壁砼砼填填充充沉井井钢钢筋筋砼砼井井壁壁接接高高、、下下沉沉沉井井封封底底、、承承台台施施工工中塔塔大大型型沉沉井井基基础础施施工工→→↓3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中塔塔大大型型沉沉井井基基础础施施工工→↓→3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中塔塔大大型型沉沉井井基基础础施施工工→→→3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计纵向向人人字字型型钢钢塔塔，，塔塔高高191.5m交点点以以上上、、以以下下塔塔高高分分别别为为122.0m和69.5m。两两条条斜斜腿腿在在塔塔底底的的叉叉开开量量为为34.75m。斜斜腿腿段段倾倾斜斜度度为为1：4。设两两道道横横梁梁。。高程程+135.04m以下下采采用用Q420qD钢，，其其余余节节段段及及上上下下横横梁梁均均采采用用Q370qD钢。。3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中钢钢塔塔设设计计3.2结构构方方案案设设计计中塔塔主主要要构构造造顺桥桥向向：：塔顶顶6.6m10.6m10.6m15.54m6.0m横桥桥向向:5m塔柱柱:单箱箱多多室室布布置置壁板板厚厚:44mm～60mm腹板板厚厚:44mm～60mm加劲劲肋肋:40mm～48mm直线线圆曲曲线线(下塔塔柱柱)(等宽宽)3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中钢钢塔塔设设计计3.2结构构方方案案设设计计塔柱柱节节段段的的划划分分与与连连接接共21个节节段段节段段长长度度：：7.5m～15m最大大节节段段D5：495tD5段以以上上节节段段：：140t以内内传压压力力时时：：壁板板、、腹腹板板各各按按50％计计，，加劲劲肋肋按按40％计计有拉拉应应力力时时：：全按按高高强强度度螺螺栓栓传传递递均采采用用M30摩擦擦型型高高强强螺螺栓栓3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中钢钢塔塔设设计计3.2结构构方方案案设设计计3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计3.3中钢钢塔塔设设计计下塔塔柱柱架架设设：：浮浮吊吊大大节节段段安安装装减少少了了节节段段现现场场接接缝缝数数量量，，加快快了了施施工工进进度度。。3.2结构构方方案案设设计计3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计上塔塔柱柱架架设设：：塔塔吊吊安安装装保证证了了节节段段安安装装精精度度；；确确保保了了施施工工安安全全。。中钢钢塔塔设设计计3.2结构构方方案案设设计计吊臂与吊重范围起吊吊能能力力与与节节段段划划分分3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中钢钢塔塔设设计计吊臂臂长长度度在在22m左右右，，起起吊吊重重量量限限制制在在150t以下下，，加加上上8t吊具具，，实实际际有有效效吊吊重重在在142t以内内。。3.2结构构方方案案设设计计为增增加加节节段段长长度度，，减减少少横横向向拼拼接接缝缝，，考考虑虑采采用用竖竖向向分分块块方方案案3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计中钢钢塔塔设设计计3.2结构构方方案案设设计计为取取消消竖竖向向螺螺栓栓拼拼缝缝，，增增加加景景观观效效果果，，将将竖竖向向拼拼缝缝设设于于中中腹腹板板处处3.三塔塔悬悬索索桥桥设设计计竖向拼接大样竖向拼接大样中钢钢塔塔设设计计3.2结构构方方案案设设计计塔顶顶纵纵向向不不平平衡衡力力对对塔塔底底的的力力矩矩主主要要由两两塔塔柱柱轴轴向向力力与与张张开开距距离离予予以以平平衡衡汽车一跨跨满载，，一跨空空载情况况：①截截面纵向向弯矩值值最大；；②非加加载侧有有拉应力力出现恒载及两两跨满载载作用时时，塔柱柱轴向压压力引起起承台内内的水平平拉力塔底锚固固方案塔根受力力特点3.三塔悬索索桥设计计中钢塔设设计3.2结构方案案设计塔柱与承承台连接接方式铰接固结连接受力力简单、、承台受受力明确确需设置大大型钢支支座，更更换困难难不采用螺栓锚固固法塔柱埋入入法承压板与与承台顶顶面传递递压力螺栓锚固固承担弯弯矩引起起的拉力力通过剪力力件及砼砼受剪传传力易造成砼砼内部受受拉，承承台受力力不利截面拉应应力由螺螺栓传递递到承台台底面对承台的的受力较较有利不采用推荐采用用塔底锚固固方式构构思3.三塔悬索索桥设计计中钢塔设设计3.2结构方案案设计塔柱与承承台的连连接塔底截面面布置34根直径为为130mm的40CrNiMoA螺栓单个螺栓栓预拉力力为3500KN中钢塔设设计3.2结构方案案设计上部结构构主要施工流程程3.三塔悬索索桥设计计