重庆菜园坝长江大桥.doc

第一节 重庆菜园坝长江大桥一、简介重庆菜园坝长江大桥地处重庆市主城区，北接渝中区菜园坝和中山三路，南接南岸区南坪地区，是目前国内最大的公共交通和城市轻轨两用大跨径拱桥。菜园坝长江大桥于2003年2月5日正式开工，在2007年10月29日建成通车。重庆菜园坝长江大桥主桥采用预应力混凝土Y形刚构与提篮式钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构，为特大公轨两用无推力式钢箱中承系杆拱桥，也是典型的混合式桥梁，这种结构形式不仅在我国绝无仅有，而且在世界桥梁中也具有独特的地位。全桥跨径为88m+102m+420m+102m+88m，总长800m，其主跨跨度居世界系杆拱桥之首。主桥设六线行车道、双线城市轻轨、双侧人行道。六车道及双侧人行道设在上层正交异性板体系桥面，双线轻轨设在下层纵横梁体系，构成双层特大公轨两用桥。 图2 菜园坝长江大桥实景二、设计计术标准与设计荷载菜园坝长江大桥主桥主要设计技术标准如下：（1）设计基准年限：100年；（2）道路等级：I级；（3）行车速度：公路车辆v=60km/h；轨道交通v=75km/h；通行能力50000辆/日；（4）桥面宽度：桥面净宽B=2.5+12.25+1.0+12.25+2.5=30.5m； 轨道交通下层通行，净宽B=8.6m；（5）桥面纵坡、横坡：桥面纵坡O.59，桥面横坡2；（6）道路净空高度：5m；（7）设计洪水频率：l/300：（8）设计通航净空：设计最高通航水位为189.33m；通航净空三峡工程蓄水前不小于385m三峡工程蓄水后不小于375m；（9)荷载标准： 可变荷载：汽车荷载：城A级；轨道交通荷载：跨座式单轨列车352t；人群荷载：2.4kN/m2；设计风速：桥位区地面以上20m高度处，频率1%的10分钟平均风速为26.7m/s；温度效应：桥址处平均温度18.3，结构设计合拢温度为18-35 ； 钢结构体系升温24.2，体系降温36.8； 混凝土结构体系升温10.60，体系降温12.6；偶然荷载：地震荷载：地震基本烈度为度，结构物按度设防；船舶撞击力：按国家I一(2)级航道进行设计，刚构基础横桥向(顺水流)采用1400KN，顺桥向采用1100KN春播撞击力进行验算。图3 菜园坝长江大桥主桥总体布置图（单位：m）三、主拱结构设计大桥主桥的预应力混凝土Y形刚构由主墩、前悬臂、后悬臂、中横梁、前次横梁、后次横梁、前主横梁、后主横梁及系杆索锚固件等结构组成，Y形刚构的设置是本桥不同于其他系杆拱结构体系的重要特点之一。（见图4）以P18墩Y构为例，其结构构造如下：刚构前悬臂纵桥向倾角为37.29，横桥向倾角为79.22。前悬臂为1065.236m的变截面空心薄壁结构，长77m，其顶板布置有预应力束。从前悬臂顶沿中心向下15m长为实心构造。在离墩中心50m处设置了系杆索锚固键及一道前次横梁。前次横梁与刚构连接部设置为混凝土牛腿，中间段为方便施工采用钢结构撑梁。在离墩中心32.91m处设置一道前主横梁。刚构后悬臂纵桥向倾角为2091，横桥向倾角为7946。后悬臂为106436m的变截面空心薄壁结构，长109m，其根部1/3区段范围的顶板布置有预应力束，其余2/3区段范围的顶板未布置预应力束：跨中1/2区段范围及底板布置有预应力束。从后悬臂顶沿中心向下lOm长为实心构造。在离主墩中心102m处设置了后次横梁。在离墩中心6807m处设置一道后主横梁。在边墩墩顶实心部设置了系杆索锚固结构。中横梁设置在两墩顶部，连接主墩及两侧刚构。结构造型为六边形宝石结构，高为6m，底宽3.5m，厚0.7cm；顶宽7.6m，厚0.4m；两侧腹板厚0.4cm。（见图5） 图4 预应力Y形刚构立面构造图 图5 主墩横梁截面大桥主拱结构为提篮式钢箱拱，跨度320m, 拱轴线采用二次抛物线，矢跨比为15.67，矢高约56.44m，主拱肋内倾角为10.67。钢箱拱采用封闭式钢箱，宽2.4 m，高4m，内部设置抽湿系统，每4m设1道横隔板，纵向加劲板肋在吊杆隔板处与其焊接连接，而在普通隔板处则穿过所设的“V”型口不与隔板连接。钢箱拱标准节段长(水平投影)宽高为16m2.4m4m，与吊索的水平布置对应。全桥设6道钢箱横撑，分门撑1.6m2.2m和中间撑1.4m2.0m两种，在没有横撑的截断上设计有临时横撑点和拱上吊点。横撑与拱肋间设整体节点，整体节点与横撑间连接为全断面熔透焊接。上下游拱肋沿着桥轴立面内水平线，分为23个节段。其中包括：起拱段、标准段(分有横撑及无横撑两类)、合龙段。单肋最重节段为92t。 图6 主桥钢箱拱布置图7 拱肋截面 图8 拱胃横撑截面两侧预应力混凝土Y形刚构和320m的钢箱提篮拱，3个相对独立的子结构通过6处中跨系杆索及刚构系杆索连接成420m的系杆拱。这是到目前为止，在同类型桥梁中跨径最大。其中，系杆索由VSL钢绞线制成，外包HDPE保护层，这也是VSL钢绞线系杆索首次使用在国内大跨径系杆拱桥中。中跨系杆共8根，单侧4根，设在桥面之下，穿过桥面系横梁，锚固在两侧刚构前端部的剪力键内。刚构系杆索共有12根，单侧6根，其中2根布于桥面板上,4根布于桥面板横梁下。刚构系杆索的“中跨端”与中跨系杆索都交叉锚定在刚构前端的剪力键内，其另一端锚定在刚构后悬臂端部锚点内。 图9 系杆锚固键构造图10 预应为混凝土Y型刚构与系杆中拱加劲梁设计主桥钢桁梁设置0.59%的纵坡，桥面设置2.0%的横坡，采用桁架和正交异性桥面板组合体系。为了施工简便，钢桁梁采用了正交异性桥面钢桁梁整体节点和整体节段的设计理念。总长800m的钢桁梁分为51个节段单元，其中标准节段长16m，宽39.8m，高11.2m，质量230t，节段最大质量为360t(拆分后最大吊装质量280t)。一个钢桁梁整体节段由以下杆件单元组成：正交异性桥面板块、带桥面的中上弦杆及边上弦杆、桥面横梁、主桁斜腹杆、下弦杆、下横梁、下平纵联、斜撑杆、吊点整体节点、下弦整体节点。（见图11）标准的正交异性板由厚16 mm的桥面板、纵向“U-肋”和横梁组成。“U-肋”间距为320 mm，横梁间距为4m，车道以外的桥面板由板肋加劲。桥面系的中弦杆既是钢桁梁的上弦杆又是桥面系的纵梁，故为主要的压(拉)弯杆件。桥面系的边弦杆则主要是为桥面系局部承力体系所设。节段内16m桥面系横向分割为5个板块，4根杆件。其中5个板块为：一个中板块，一对侧板块，一对边板块。主桁桁式为无竖杆三角桁，弦杆间、弦杆与腹杆间的连接为节点外拼接，整体节点与弦杆形成一体。主桁间距12.1m，在下弦节点与桥面板两侧的上横梁梁端间设斜撑杆，以支撑上层桥面。在拱跨内，斜撑杆则因拱上吊索吊在上横梁端部，至其功能改变而转化为斜拉杆。主桁下弦平面设下横梁(位于下弦节点处)，和平面连接系。跨座式轻轨设于下横梁之上。800 m的连续钢桁梁，在拱内以吊杆索作弹性支承，在拱与梁的交接处以多束吊索通过托梁为支点，在边墩及交界墩下弦节点设支座。除设在边墩横梁上的4个纵向阻尼限位器之外，钢桁梁在纵向与刚构和拱结构主体没有刚性连接，为全漂浮体系。主梁仅有的两个纵向伸缩缝分别设在梁端的主、引桥相接处。 图11 钢杵梁节段断面图 图12 边跨桁架刚构连接构造总体布置图12 上弦杆截面 图14下弦杆截面 图15下横梁截面大桥沿桥轴水平向吊点标准中心距为16m，共38根吊杆。横桥向梁段内沿桥面系主横梁腹板横向设锚点，采用双侧双吊杆索，桥面上下游在锚点的中心距为36.5m。这一吊杆索布置使得吊杆索上下锚点大为简化。吊杆索采用HDPE护套平行钢丝索，上端为冷铸锚头。下端桥面锚点为穿销铰，吊杆索上端直接锚在拱箱内横隔板上。施工大桥施工流程如下：（1）施工桥墩基础及墩身、刚构横梁；（2）架设吊装钢桁梁、拱肋所需的塔架、承载绳、牵引绳、起重设备，架设Y形刚构及主桁梁临时支架；（3）浇筑预应力混凝土Y形刚构，张拉刚构悬臂预应力钢筋，刚构支架脱架；（4）吊装并在临时支架上拼装侧跨88m及边跨Y形刚构范围152m桁梁；（5）张拉部分边跨系杆索，转换边跨及侧跨析梁支撑体系，使析梁支承于刚构及桥墩；（6）缆索吊装主拱肋，施加临时扣索，调整边跨系杆力及扣索索力，完成主拱肋施工；（7）吊装中跨主桁梁节段并用吊索扣于拱肋，调整相关扣索索力直至主桁梁中跨合拢，安装、张拉中跨段系杆索，拆除部分扣索；（8）调整边跨及中跨系杆索张力，拆除全部扣索，拆除施工塔，完成桥面系工程。图16 施工方案总布置图其中，Y构采用分段支架现浇施工，前悬臂共分10节段，后悬臂分为8个节段。对于前悬臂各节段和后悬臂1号5号节段，每节段在达到强度后张拉预应力束，并与支架脱离。对于后悬臂6号8号节段，由于没有布置顶板预应力，因此在达到强度后不与支架脱离，继续浇筑下一节段，直至后悬臂浇筑完成并张拉底板预应力后再与支架脱离。图17 Y构施工节段划分图主拱圈共分23个节段,采用缆索吊机将每节段吊装到位进行连接。受施工条件限制，上、下游对称位置的拱段没有采用同步吊装的方法，而是先后吊装，再加装临时横撑，然后同步张拉扣锚索，逐段施工直至合龙。从工法上属于单榀拼装,对称性问题比较突出。图18 钢箱拱安装示意（未示系杆）钢桁梁整体节段施工采用钢桁梁节段用船运到桥址后整体吊装的施工方法。在Y构施工结束后在满堂支架上拼装边跨及侧跨钢桁梁，在主拱合龙后悬臂拼装中跨桁梁，并张拉相应吊杆，直至主梁合龙。在吊装主跨钢桁梁过程中，为减小主墩底弯矩，利用永久中系杆的孔道安装临时中系杆，张拉一定拉力以平衡拱的水平推力。图19 钢桁梁架设总体布置图（单位：cm）菜园坝长江大桥在世界桥梁史上拥有独特地位，它同时拥有6个第一：（1）主跨420米，跨度居世界同类桥梁之首；（2）主桥采用特殊智能化主动控制体系，确保主体结构施工的内力和稳定，该技术在国内是首次应用；（3）独特的主桁体系和安装方法全国首创，其中钢梁整体节段拼装，节段最大重360吨；（4）Y型结构施工难度及支架工程规模，居全国之首；（5）边侧孔钢桁梁安装支架难度和规模属全国第一；（6）缆吊系统规模和起吊能力居全国之最，塔高152 m，起吊高度达202 m，跨度420 m缆索承受集中荷载达4200 kN。菜园坝长江大桥的顺利建成，推动了桥梁向整体、大跨、快速方向发展，将成为我国桥梁建设史上一座重要的里程碑。参考文献：1刘征宇,甘国林,柏国清,祖祥胜.VSL钢绞线系杆索在重庆菜园坝长江大桥上的应用.2007年.2陈江华.菜园坝长江大桥荷载试验方案研究.重庆交通大学硕士学位论文.2007年4月.3陈思甜,岳丽娜,李兴华,魏善平.菜园坝长江大桥Y构数值仿真分析.4孙峻岭,邓文中,刘孝辉. 重庆菜园坝长江大桥主桥设计理含与实践.5宋晖,叶梅新.重庆菜园坝长江大桥提篮钢箱拱施工工艺.桥梁建设.2005年第6期.6戴洁. 重庆菜园坝长江大桥结构细节设计.7刘国祥,郭兆棋.重庆菜园坝长江大桥钢桁梁设计.北京交通大学学报.第30卷增刊.2006年11月.8魏善平,沈其明,罗志雄. 重庆菜园坝长江大桥Y型刚构施工技术.重庆建筑.9陈永涛,尹向红.菜园坝长江大桥上部结构施工监控.疑点：标准段在桥轴立面内水平线上的投影为16m，与吊索的水平布置对应。节段内拱轴线由两段直线夹一段弧线组成，两直线段的交点与吊杆的形心延伸线相交于一点。节段内双吊杆吊点