湘潭莲城大桥工程设计与技术特点

湘潭莲城大桥工程设计与技术特点荣劲松;石雪飞【摘要】着重介绍湘潭莲城大桥（湘潭湘江四大桥）的主要结构设计情况以及设计、施工的技术特点•湘潭莲城大桥主桥为跨径400m的斜拉飞燕式钢管混凝土系杆拱桥,其造型新颖美观,是一种新型的组合桥式结构桥梁,在国内外均为首创.期刊名称】《水运工程》年(卷),期】2009(000)012【总页数】7页（P182-188）关键词】索塔;斜拉索;系杆;钢管混凝土;斜拉飞燕式拱桥【作者】荣劲松;石雪飞【作者单位】同济大学土木工程学院,上海,200092;中交四航局第一工程有限公司,广东,广州,510500;同济大学土木工程学院,上海,200092正文语种】中文【中图分类】U443.31.1工程地理位置湘潭莲城大桥（湘潭湘江四大桥）是湖南湘潭市二环线上跨越湘江的1座特大桥，大桥西起湘潭市二环线与上瑞高速联络线的交点，东接107国道。该桥距上游湘潭湘江三大桥4.3km，距下游上瑞高速公路的竹埠港湘江大桥3.0km。大桥全长1344.96m，全桥扌乔跨布置为：17x25m+6x45m+120m+400m+120m。其中，主桥长度640m,为120m+400m+120m的斜拉飞燕式钢管混凝土系杆拱桥（中承式）。西岸引桥采用先简支后连续的25m小箱梁和45mT梁，东岸不设引桥。桥位处地形、地貌桥位处两岸为不对称丘陵台地，东岸地势较高，高程介于53-67m;西岸系河流淤积带，筑有防洪大堤，堤顶高程约为41.0m,大堤外为宽阔平坦的一级阶地，高程介于31-33m,主要为农田、菜地和水塘。桥位处河床常水位水面宽约770m，枯水位水面宽约550m，堤宽约950m。河床由西向东逐渐加深，主河槽靠东侧,河床高程介于21-27m。工程地质情况桥位周边地势较为平坦,区内不良地质现象主要为淤泥质土和表层软土,埋藏深度—般为0.3-1.2m;砂卵石层中局部含泥量较高，且多处于稍密状态，胶结性较差。河西岸自上而下依次为种植土、亚黏土、粉细砂、卵石土、强风化泥面质砂岩、微风化泥质砂岩;河东岸自上而下依次为种植土、亚黏土、砂砾、强风化泥质砂岩、微风化泥质砂岩;河床表面覆盖卵石土,较薄,以下为强风化泥质砂岩、微风化泥质砂岩。#24主墩处平均河床高程为21.6m，平均岩面高程为19.54m，覆盖层为卵石土，平均厚度2.06m,稍密-中密，卵石粒径2-6cm,含量约70%，亚圆形，以下为强风化砂岩；#25主墩处平均河床高程为22.36m，平均岩面高程为21.96m,覆盖层很薄，主要为0.2m左右的流动砂层，其下为强风化砂岩。水文条件湘江是湖南省的主要水运干线，桥位处湘江河段为III级航道，最高通航水位39.29m（20年一遇洪水位）。根据湘江湘潭水文站提供的近3年（2001—2003）水文资料，桥位处常水位为30m左右，洪水多发季节为5—7月，最高水位40.85m，最低水位27.21m。1） 道路规划等级：城市口级主干道。2） 计算行车速度：60km/h。）荷载标准：城-A荷载。桥面布置按双向4车道，结构计算按双向6车道考虑，人群荷载集度4.0kN/m2，并考虑满人荷载。）通航标准：按皿级航道标准，通航净高10m。5）桥面宽度：全宽27.0m。）设计纵坡：设计纵断面坡度＜2.5%O）设计风速：23.64m/s（离地10m，频率1%,10min平均最大风速）。8）地震烈度：6度。本工程主桥采用主跨400m的斜拉飞燕式钢管混凝土系杆拱桥，该桥型结构新颖，在国内外均为第一次采用，技术含量高，设计及施工均有很大难度。结构体系主桥采用了120m+400m+120m斜拉飞燕式系杆钢管混凝土拱，边跨与主跨跨度比为0.3。结构是以拱结构受力为主，辅以斜拉索受力的组合结构体系。主桥桥型布置如图1所示。边跨拱脚、主跨拱脚、索塔均固结于拱座，三角形区域主梁和索塔间设置纵向活动盆式橡胶支座和横向限位支座，三角形区域主梁与主拱交会处设置纵向活动盆式橡胶支座支承于主拱拱肋横梁上。主跨范围的桥面系由桥面板、钢纵横梁组成纵横梁悬吊系统，主跨两端的桥面板用四棱锥面减震回复球形钢支座支承于三角区主梁端部牛腿上。主桥范围内共设4道伸缩缝，两道设在边跨主梁与引桥结合处，两道设置在三角区主梁与主跨桥面系交会处。主拱拱肋采用中承式双肋无铰平行拱，拱肋中心距34m,计算跨径为388m,拱轴线为七次抛物线，理论拱轴线方程为y=4.32326629527483x10-15x7+1.07574143512174x10-12x6-9.65847660832585x10-10x5+1.3848172448161x10-7x4-7.79605619975466x10-6x3+2.62559783186309x10-3x2。拱肋矢跨比为1/5.19，拱肋轴线理论矢高为74.7m。主拱拱肋采用双肋6管桁架截面，主弦管直径为申850mm,材质Q345D。距拱脚中心水平距离16m范围内拱肋为实腹板截面，距此水平距离29.55m范围内为横哑铃形桁架截面，由此至拱顶为全桁架截面。详见图2，图3。上弦钢管距拱脚中心水平距离0-19m范围内为甲850x28mm,19~116m范围内为甲850x24mm,116m至拱顶内为申850x22mm。上弦杆均灌注C50无收缩混凝土。下弦钢管距拱脚中心水平距离0-72m范围内为申850x28mm,72~117m范围内为申850x24mm,117m至拱顶内为申850x20mm。下弦杆距拱脚中心水平距离0-116m内灌注C50无收缩混凝土，其余为空钢管截面。拱肋高度由拱脚的中心桁高5.0m沿纵向水平直线变化至拱顶中心桁高9.0m,外形呈月牙形。边拱拱肋边拱拱肋为上承式，双肋横向内倾，计算跨度为62m，西岸矢高为18.036m,东岸矢高为19.644m，拱轴线采用1.45次抛物线。每肋由高4.0m及宽5.0m的C50钢筋混凝土箱形截面组成，箱梁顶底板厚0.6m，腹板厚0.5m。3.4拱肋横撑根据横向稳定的需要,桥面以上两主拱肋之间设置了1道“米”字形横撑和6道“K”字形横撑，桥面以下两端各设置了1道“K”形横撑和2道肋间横梁（一字形横撑）。主拱横撑直管采用申600x14mm钢管，斜管采用申500x14mm钢管，横撑腹杆采用申299x8mm钢管。每个边拱设置2道“K”形钢管桁架横撑。边拱横撑直管采用申700x14mm钢管，横撑斜管采用申600x14mm钢管，横撑腹杆采用甲299x8mm钢管。横撑平面布置如图4所示。边跨主梁边跨主梁长153.45m，采用双边主梁截面形式，边主梁采用箱形截面，两边主梁之间由桥面板和横梁连接。与边拱结构相适应，边主梁中心距为22.3m。边跨主梁高度4.0m，与边拱肋相交处局部变高度，三角形区域主梁高度2.5m。边跨梁部截面如图5所示。三角区梁部截面如图6所示。主拱范围内的桥面系主跨桥面系采用悬吊体系。桥面结构由钢横梁、钢纵梁、桥面板组成。钢横梁长约36.4m，采用工字形截面，中心梁高2.1m。钢纵梁采用热轧H型钢，全桥共设置3组钢纵梁，用于增强桥面的整体性并支承检查小车的轨道。桥面板由预制n形C50钢筋混凝土板和现浇桥面铺装层构成。预制板纵向接缝宽50cm，横向接缝宽50cm，接缝混凝土采用补偿收缩混凝土。n形板顶面现浇8cm盾铃型钢纤维混凝土（设计中考虑其参与n形板的受力）。索塔索塔采用直线和圆曲线组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、下塔柱为C50普通钢筋混凝土，上塔柱为C50预应力混凝土。西塔高度为85.26m，东塔高度为86.46m。塔柱采用单箱单室矩形截面。下塔柱有1.5m高的实心断面，与上拱座相交截面尺寸5.5mx5.0m。中塔柱断面尺寸5.5mx3.5m,壁厚0.9m和0.8m。上塔柱断面尺寸5.5mx3.5m,壁厚1.2m和0.8m。索塔结构如图7所示。斜拉索斜拉索采用申7低松弛预应力镀锌钢丝，抗拉标准强度1670MPa，两端采用PEST系列冷铸墩头锚。根据索力大小，其规格分别为61申7,139申7,187申7。斜拉索索体构造如图8所示。由于主拱对斜拉索索力较为敏感，施工时在MC-3、MC-8、MC-10索（上下游共12根）的端头安装压力式传感器及配套数据监控系统,以便大桥在运营期间对索力进行实时监控和采集,并要求具有高度稳定性和精确度。吊杆主桥吊杆采用横向双吊杆体系,主桥共设39对吊杆,吊点顺桥向中心距为8.0m。单根吊杆采用109丝申7mm镀锌平行钢丝索，两端采用LZM7-109冷铸墩头锚，索外包PE防护套。吊杆构造如图9所示。系杆系杆采用FREYSSINETHD2000FPB系列镀锌涂油外包PE钢绞线，单根钢绞线外包PE。两端采用FREYSSINETHD2000FPB系列单根锚定夹片式锚具。与斜拉索系统一样,其端头安装压力式传感器及配套数据监控系统,确保系杆力的均匀性和整索索力的准确性在±1%的精度内。主桥共设16根49束Q15.7mm钢绞线系杆，每侧8根，锚固于边跨主梁端横梁处；在主梁内按体外预应力束布置,在每根横梁处设置系杆转向器；在主跨范围内,系杆布置在桥面以下,穿过钢横梁时支承在钢横梁的系杆转向器上。桥梁建筑结构设计的最高目标,是将形式美与结构的合理性统一起来,使二者结合得近乎完美。斜拉拱桥的体系也是要将斜拉桥与拱桥的受力特点有机结合起来,共同受力。主跨侧的荷载通过吊杆和斜拉索传递给主拱和桥塔；边跨侧的荷载部分通过斜拉索传递给桥塔,部分通过边梁传递给边支座和边拱；作用在桥塔上的斜拉索水平分力平衡,竖直分力通过塔身传递给拱座；系杆力及边跨侧斜拉索水平分力通过边跨主梁传递给边拱,在拱座处与主拱的水平分力平衡；竖直分力都通过拱座传递给基础。结构整体受力体系如图10所示。该结构体系的主要特点如下：1）斜拉索作为结构的弹性支承，可以提高结构跨越能力，通过合适的索力可以调整主拱和边梁的弯矩。斜拉索的存在可提高主拱结构的刚度。2）和同跨度拱相比，由于斜拉索对梁部的支承作用，可避免设置拱上立柱。作用在拱上的斜拉索可以与主拱共同承担荷载，减小主拱的水平推力，提高结构的整体刚度，增强全桥的稳定性，起到了对主拱的优化作用。3）与同跨度斜拉桥相比，由于主拱承受了部分桥面荷载，可降低斜拉索索力，缩短了斜拉索索长，减少斜拉索根数，降低了塔高。同时由于边拱的作用，可避免设置辅助墩。4）对于施工而言，桥塔可作为施工塔架，斜拉索可兼有临时扣索的作用，减少了施工临时设备，降低了工程造价。本工程主桥（120m+400m+120m斜拉飞燕式钢管混凝土系杆拱桥）为1种新的组合式桥型结构，是由塔、斜拉索、钢管混凝土拱、预应力混凝土箱梁、吊杆、系杆、钢－混结构桥面系等组成的多体系组合结构。其构造新颖，在国内外都是首创。该桥结构受力复杂，施工步骤多，施工难度大。湘潭莲城大桥工程技术特点主要有以下几点：1） 造型优美壮观。天蓝色的飞燕式钢管拱桥横跨湘江，在80m高花瓶形索塔的衬托下，显得格外雄伟壮观，宛如一道美丽的风景。2） 结构新颖。该桥是由塔、斜拉索、钢管混凝土拱、预应力混凝土箱梁、吊杆、系杆、钢－混结构桥面系等组成的多体系组合结构，这种桥型结构在国内乃至世界上都是首次采用。3） 工程规模大。湘潭莲城大桥创造了两项中国桥梁之最：它是我国目前已建成的跨度最大的中承式钢管混凝土系杆拱桥；其640m长的单根包覆无黏结钢绞线夹片锚体系的系杆是目前国内最长的。该桥主桥钢结构用钢量达6000t，斜拉索、系杆和吊杆等索体的预应力钢材用量达980t，主桥总的混凝土数量达5.5万m3。4） 结构受力复杂。该桥是索、拱、梁、塔4种结构的组合体系，4种结构相互作用、相互影响，受力复杂。其中受力最复杂的为边拱梁，它本身是三向预应力的结构，系杆和斜拉索又作用在其上面，边拱梁是该桥结构受力最复杂的部位。5） 施工步骤多、难度大。湘潭莲城大桥施工要经过多次体系转换和分级加载才能完成，其施工步骤之多（仅主桥上部结构施工步骤就达34步）、施工难度之大，在国内桥梁中少有。本工程施工难点主要体现在以下几个方面：1）边拱梁高程及混凝土裂缝控制。边跨主梁长153.45m，结构设计复杂，采用支架现浇施工，是本桥施工的一大难点。①桥位处河床覆盖层薄，且为密实的砂卵石，钢管桩打入困难，支架搭设难度大；②支架高度达30m，属于高支架，支架稳定性问题突出；③边拱梁混凝土方量大，支架承载力要求高；④由于支架高，钢管桩打入深度小，支架沉降量相对较大，如何合理设置现浇预拱度，保证边拱梁线形，以及如何防止支架沉降造成梁体混凝土开裂，是边拱梁施工必需解决的一大难题。2）主拱安装及拱轴线线形控制。钢管拱吊装及线形控制是本工程施工的关键施工技术。钢管拱吊装的难点主要有两点：①缆索吊装系统的设