卢浦大桥1doc.doc

卢浦大桥 一地理位置卢浦大桥，位于中国上海市卢湾区与浦东新区之间的黄浦江上，曾经是世界上主拱桥最长的拱桥、钢拱桥，其于2009年4月被重庆的朝天门长江大桥超越，但仍然不减它的风采。卢浦大桥全长3900米，主拱桥长550米，拱顶高于江面100米。比1977年建成的世界上主拱桥第二长美国Fayetteville新河谷桥长32米，完工于2003年6月28日，建成时曾经号称“世界第一拱”。大桥建造耗资约25亿元人民币。卢浦大桥的车行道并非由拱拖起，而是由拱悬吊的，属于斜拉索、悬索、拱桥为一体的桥梁结构。车行道左右两边的拱几乎在顶点相交，由钢箱梁和27根水平索连接。 上海卢浦大桥是当今世界第一钢结构拱桥，是世界上跨度最大的拱形桥。它也是世界上首座完全采用焊接工艺连接的大型拱桥（除合拢接口采用栓接外），现场焊接焊缝总长度达4万多米，接近上海市内环高架路的总长度。卢浦大桥像澳大利亚悉尼的海湾大桥一样具有旅游观光的功能。2000年10月25日开工建设的卢浦大桥北起浦西鲁班路，穿越黄浦江，南至浦东济阳路，全长8722米，是当今世界第一钢结构拱桥，是世界上跨度最大的拱形桥。大桥主桥为全钢结构，大桥直线引桥全长3900米，其中主桥长750米，宽28.75米，采用一跨过江，由于主跨直径达550米，居世界同类桥梁之首，被誉为“世界第一钢拱桥”。入选世界纪录协会世界最大跨度钢拱桥，创造了新的世界纪录。主桥按6车道设计，引桥按六车道、四车道设计，设计航道净空为46米，通航净宽为340米。主拱截面世界最大，为9米高，5米宽，桥下可通过7万吨级的轮船。它也是世界上首座完全采用焊接工艺连接的大型拱桥。工程总投资20多亿元，2003年6月28日建成通车。2007年5月1日卢浦大桥上首次亮灯 二、设计方案 1.桥跨径与桥型方案的选择 鉴于桥位处黄浦江岸线规划宽度为480米，沿江两岸驳岸、码头等构筑物密集，为了减少主桥基础对周围构筑物的影响，主桥基础布置在驳岸结构以内，并留有适当的安全距离。大桥主跨径暂定为550米，并以此跨径作桥型方案比较论证。 根据 鲁班路越江工程方案设计征集文件要求：主桥一跨过江，江中不设墩。该段黄埔江规划岸线宽度为480米。具备这一跨越能力的桥有：斜拉桥，悬索斜拉协作体系桥，悬索桥，拱桥以及桁架桥等几种。大跨径连续桁架桥与悬臂桁架，一般采用下承式的结构布置，其主墩部分桁架往往会侵占航道。由于桁架桥杆件多，且纵、横交叉，不仅制作、安装工艺复杂，成桥后养护工作量大，因此在本方案设计中选择斜拉桥，悬索斜拉协作体系桥，悬索桥以及拱桥4种桥型方案进行比较、论证。 2.斜拉桥方案 斜拉桥设计方案采用钢-混泥土混合型斜拉桥结构，即边跨主梁为混泥土结构，中跨主梁为钢结构。主跨径为：550米，跨径组合：45米+45米+54米+56米+550米+56米+54米+45米+45米=950米。桥宽：30.35米。结构体系：主桥采用双塔、双索面多跨连续斜拉桥结构，边跨为4跨预应力混泥土连续箱梁，并深入主跨24米，主跨钢箱梁结构长度为502米。塔墩固结，塔柱采用注实型。 (1)主体结构设计与构造 A. 主梁：中跨主梁采用正交异性板桥面的单箱多室钢箱梁，梁高2.7米，顶宽30.35米，钢箱梁顶板有U形纵向加径，底板用T型纵向加径。横梁间距为12.5米与索距一致，横梁与横梁之间设置横向加径。钢板连续方式无论工厂制作或现场拼接均才用焊接。边跨和深入主跨的主梁为预应力混泥土箱梁，横隔梁间距为4.5米。B. 主塔：呈钻石型，塔顶标高为174,953米，塔身采用矩形空心断面，下塔柱顺桥向宽810米，横桥向宽48米，上塔柱以抗衡拉索锚处局部应力。下横梁也为矩形空心矩形断面，高8米，宽6米，横梁中设置预应力束平衡水平拉力。塔柱与主梁之间设置横向限位构造。C. 斜拉索：主跨索距为12.5米，边跨索距为9米，斜拉索横桥向中距25米。全桥共设置斜拉索169根。斜拉索呈空间扇形双索面布置。斜拉索采用镀锌高强钢丝，热挤PE护套，冷筑锚组成的成品索，设计安全系数为2.5，在塔内张拉。在运营条件下可更换任何一根拉索。D. 主塔基础：采用近年来在桥梁工程上广泛应用的800或1000C80PHC桩，以71-2作为桩基持力层，桩长60米。E . 岸墩设计：锚墩采用双柱排架墩，盖浇上设置球形盆式支座即纵、横向限位构造，锚墩在任何工况下均不出现拉力。 (2) 结构性能 A . 静力性能：静力计算表明本方案具有良好的静力性能，各部分应力均不小于规范容许值。 B . 动力性能：本桥采用流线形扁平箱梁，边跨混泥土箱梁与锚固、铺助墩组成强大的后锚固体系。（2） 主要施工方法与施工进度安排 3.悬索斜拉协作体系桥方案 (1)主题结构设计与构造 A . 主缆：选用5.22镀锌高强钢丝，设计安全系数为2.5. B . 吊杆：间距为12.5米，全桥共21对吊杆。 C . 斜拉索：主跨索距为12.5米，边跨索距为9.5米，全桥共设置斜拉索88根。 D . 主梁：中跨主梁采用正交异性板桥面的单箱多室钢箱梁，梁高2.5米，顶宽30.35米，钢箱梁顶板用U形纵向加劲，底板用T形纵向加劲。 E . 主塔：呈倾斜的门式塔柱，塔顶标高为144.536米，设上下2根横梁。F . 锚钉：采用柱箱基础的方案，箱形基础平面尺寸为顺桥向30.5米，横桥向35.6米，深10米，顶低板厚度均为2米，外墙厚0.8米，内墙厚0。5米。 4.拱桥方案：见图（1） 三卢浦大桥尾端节点设计 1. 工程概况 卢浦大桥跨径组合为：100+550+100=750m，两端各设45m过渡孔T梁，双向六车道。桥梁荷载标准：汽车20级，挂车100。卢浦大桥为空间提篮拱，拱肋、立柱、吊杆在同一倾斜平面内，斜率5:1；中拱矢跨比f/L=1：5.5，悬链线拱轴线，拱肋高6.09.0m；边拱矢高3.2m，抛物线拱轴线，拱肋高7.09.0m；拱肋均为陀螺形断面，宽度5.0m。加劲梁通过吊杆或立柱支承于拱肋上，梁高3.0m；中跨加劲梁为开口断面，两端通过滑动支座支承在中横梁上；边跨加劲梁为闭口断面，两端与拱肋、中横梁及端横梁刚结。全桥在两端横梁之间布置强大的水平拉索，以平衡中跨拱产生的水平推力。卢浦大桥总体布置见 图1。 2. 尾端节点功能 尾端节点是指在锚墩之上一定范围内，由边跨拱肋、边跨加劲梁和端横梁刚结而成的复杂的空间结构件。尾端节点在卢浦大桥的结构总体受力上具有举足轻重的地位，在施工过程中也不可或缺。尾端节点的功能主要有以下几点： （1）卢浦大桥为拱梁组合体系中承式系杆拱桥，拱桥的受力特点是要产生推力，而上海的软土地基抵抗水平力的能力很差，所以沿加劲梁布置了16根强大的水平拉索以平衡中跨拱产生的巨大的水平推力，水平拉索两端锚固在尾端节点的锚碇上面； （2）无论是在施工阶段还是在运营阶段，中承式拱桥都会在锚墩处产生一定的负反力，这就需要在边跨放置平衡压重，而尾端节点上提供的平衡压重是最有效的； （3）卢浦大桥采用斜拉扣索法施工，在施工阶段相当于斜拉桥体系。临时钢塔固定在大立柱顶端的桥面上，河跨临时拉索拉起拱肋节段，边跨临时拉索则锚固在尾端节点的锚碇上以使临时钢塔保持平衡； （4）卢浦大桥为空间提篮拱，尾端节点的端横梁作为二片内倾拱肋的强大的横向 联系，对增强拱桥的整体受力性能十分有益； （5）.尾端节点的端横梁上设牛腿以搁置过渡孔T梁，是主桥和引桥的连接构造； （6）.上海属于地震区域，为避免拱桥在地震时产生过大位移，在尾端节点上设置 了横向和竖向限位抗震装置。 3.尾端节点总体布置 尾端节点是边跨拱肋、边跨加劲梁、端横梁和水平拉索等中承式系杆拱桥的主要受力构件的连接节点，其总体布置决定于它的受力状况；所以，尾端节点的总体布置首先要满足结构受力的要求，同时还要考虑使结构处理简单化以方便构件的加工和安装。 通过尾端节点的力主要有：水平拉索的锚固力；分配到边跨拱肋和边跨加劲梁上用以平衡中跨拱推力的压力，分配比例约为0.85：0.15；锚墩支座反力。为使结构受力合理，上述几个力构成的力系应交汇于一点；但是，由于水平拉索和加劲梁的重心不可能完全重合，所以设计控制水平拉索中心线、边跨拱肋拱轴线和锚墩支座中心线（也是端横梁中心线）交汇于一点，这样就保证了几个主要的力力线传递合理；边跨加劲梁虽然略有偏差，但所占比例很小。 4.水平拉索设计 卢浦大桥为中承式系杆拱桥，但桥面加劲梁是不连续的，中跨拱产生的水平推力必须通过沿桥面加劲梁布置的水平拉索来平衡。水平拉索两端锚固在尾端节点的锚碇上面，其锚固力大部分（85%左右）通过边跨拱肋传递到拱座上，小部分（15%左右）则通过三角区加劲梁直接传递到中跨拱肋，以此平衡中跨拱产生的推力。上海的软土地基抵抗水平力的性能很差，中承式拱桥体系的形成完全依靠水平拉索来保证；可以说，水平拉索是卢浦大桥的生命线。 水平拉索索力的确定原则是平衡中跨拱在恒载作用下产生的推力，而活载及其它可变荷载产生的推力则依靠主墩基础来抵抗。经计算分析确定，水平拉索的拉力为170000180000KN；采用16根4217的塑料护套半平行钢丝拉索，钢丝抗拉强度为1670MPa，冷铸镦头锚。为确保水平拉索螺母、锚垫块与锚碇的接触面顶紧，要求对接触面进行铣平处理；还对冷铸镦头锚进行了1：1实物模型的静力持荷试验。拉索的空间布置、锚碇设计以及索长的精确计算是水平拉索设计过程中需要解决的关键技术。 水平拉索空间布置见 图3；在横桥向16根水平拉索分成2组在上下游拱肋附近对称布置，每组8根按24排列；在顺桥向则结合道路竖曲线沿桥面加劲梁布置，在拱梁结合段附近设置转向器以简化拉索的空间线形。在拱梁结合段处拱肋顶底板需要开孔以使水平拉索穿过。为方便施工并使拉索和加劲梁之间受力相互独立，必须保证拉索能够纵向活动自由，所以在桥梁全长范围内水平拉索均放置在由尼龙材料制成的滚轮上，滚轮再通过支架固定在加劲梁的隔板上，间距一般为3.375m。鉴于水平拉索的重要性，在运营过程中水平拉索可更换。 水平拉索的锚碇同悬索桥的锚碇在功能和构造上有一定的相似性，但也有其自身的特殊性。悬索桥的锚碇体积庞大，主缆的拉力可以扩散到很大的承压面上，锚箱的布置相对容易；而卢浦大桥属自锚体系，锚碇不可能做得很大，锚箱的布置要困难的多。设计过程中采取了一些措施，如增大拉索吨位以减少拉索根数、采用内部填芯混凝土的钢结构锚碇、拉索的排列和锚碇的构造布置统一考虑等，这些措施保证了水平拉索能够安全地锚固在有限的面积上并使锚固力有效地扩散传递。锚碇钢板根据力线传递规律，并结合拱肋、加劲梁和端横梁钢板由厚及薄，由密及疏布置。 水平拉索的施工分二批进行：第一批上排8根拉索在拱肋合龙后、加劲梁安装前，在猫道上进行架设，根据施工控制需要超张拉；第二批下排8根拉索在加劲梁合龙成桥后，在加劲梁内穿索，张拉时要根据成桥状态调整第一批索力。 5.施工临时拉索设计 卢浦大桥采用斜拉扣索法施工，在拱肋安装阶段相当于斜拉桥体系。临时钢塔矗立在大立柱顶端的桥面上，顶端标高约为180m，其中桥面以上高度128m，为钢桁架结构。中跨拱肋每向前拼装一个节段，就用临时拉索拉起并锚固在临时钢塔上；为使临时钢塔受力平衡，需要在边跨设置相应的临时拉索。边跨临时拉索集中锚固在尾端节点的锚碇上，这种锚固方式把施工临时措施同运营阶段的永久性构造结合起来，造价较低且安全可靠。施工临时拉索示意见 图4。 根据施工程序，全桥共设414根临时拉索，即每个锚碇上需要锚固14根拉索，拉索最大拉力达5000KN。拉索采用钢绞线拉索，抗拉强度1860MPa。边跨临时拉索分成二段：前锚束和后锚束，前后锚束之间用连接器连接起来。前锚束是指在临时钢塔和锚碇之间的外露部分，采用PE护套钢绞线，在临时钢塔上张拉并可调整索力；前锚束在施工完毕后即拆除。后锚束预埋在锚碇的填芯混凝土内，为有粘结预应力体系，它是临时拉索的“根”；后锚束在施工完毕后保留以加强锚碇。后锚束在锚碇内要避开水平拉索、主要钢板和横向预应力等，为复杂的空间曲线；后锚束的下端为自锚端（P锚），上端为张拉端。为确保前后锚束的连接安全可靠，对连接器进行了多种方案的比较，并通过1：1实物模型试验进行验证。 6.平衡压重设计 在运营阶段中承式系杆拱桥的锚墩支座要产生一定的负反力；在施工阶段，尤其是在拱肋节段合龙前悬臂长度达到最大时，锚墩支座可能出现的负反力更大。一般有二种方法用以克服锚墩负反力：第一种方法是设抗拉支座，这就要求桥墩基础体积庞大以提供足够的重量，支座构造也复杂；第二种方法是结合尾端节点的构造设置平衡压重，这种方法充分利用了尾端节点的空间，也比较安全可靠，故卢浦大桥采用了这种方法。 平衡压重吨位的确定原则是：永久平衡压重必须使结构在运营阶段可能发生的最不利荷载组合下，锚墩支座不得出现负反力，并应适当保留一定的压力储备；另外设置临时平衡压重以克服在施工阶段增加的负反力，临时平衡压重在施工完毕后搬掉。 永久平衡压重由三部分组成：尾端节点在总体计算中未计入的结构重量如锚碇和端横梁等；过渡孔T梁传递到端横梁牛腿上的恒载重量；其余部分用填芯混凝土的方法解决。施工临时平衡压重则通过在锚碇和端横梁附近堆载钢锭的方法予以解决。 四空间结构分析 1.设计概况 卢浦大桥是跨越上海市市中心黄埔江上的又一座特大型桥梁。浦西岸与南北高架相连,浦东岸与外环线相通。 卢浦大桥设计荷载:汽车一20级,验算荷载:挂车一100。设计通航水位:4 .om,通航净宽340m,通航净高46m(含Zm富余高度)。桥面宽度:双向六车道,两边各2m观光人行道,桥面总宽36m。跨径组合:100十55份1。=750m。与南浦、杨浦大桥等斜拉桥系列不同,卢浦大桥主桥为空间提篮中承式拱梁组合体系钢拱桥。主跨跨径550m,矢跨比f/L二l/5 .5。加劲梁通过吊杆或立柱支承于拱肋之上。中跨加劲梁端支承为纵向滑动支座,支承于中跨拱梁交汇处的横梁上,加劲梁两端设置伸缩缝并在横向和纵向设置阻在限位装置。边跨加劲梁,梁端与拱肋固结,过渡孔设板式橡胶支座支承在边跨拱端横梁上。主桥边跨拱端横梁之间布置强大的水平拉索,以平衡中跨拱肋的水平推力。 拱肋平面倾斜度1:5,拱脚横桥向间距51m,拱顶横桥向间距为11m。拱肋、立柱、吊杆在同一斜平面内。拱肋为陀螺箱型断面。顶宽sm,底宽3m。主拱高度从拱脚的gm变至拱顶的6m,高度变化1 .5次抛物线;主拱轴线:悬链线m=1 .6。边拱高度从拱脚的9米变至7米，高度变化2次抛物线，边拱轴线：f=3.2米，二次抛物线+四次轴线。桥面加劲梁为正交异性钢箱梁。边跨加劲梁与拱肋、立柱、i 拱拱端横梁、拱梁结合段横梁固结，截面为闭口钢箱梁，顶板13nLm，u形加劲6mm，底板lOm,n，横隔梁间距3375m。中跨加劲梁截面为开口钢箱梁顶板14mr，u形加劲8rm，横隔梁间距3375m。全桥桥面以上共设27道风撑间距135m，变高度矩形截面顶底板分别与拱肋的顶板、中板对齐。桥面以下风撑为k式撑，间距与拱上立柱相同。中跨吊杆顺桥向间距l35m，共28道，为双吊杆，与拱肋在一个平面内。主墩大立柱断面为SXSm，拱上立柱断面为255巾，全桥共八对立柱。水平拉索共二组，每组8根，布置在两片边拱拱端，总索力17lOOt左右，以平衡中跨拱肋的水平推力。浦西主墩基础共计128根 9oomm钢管桩。浦东主墩基础共计118根 9OOmm钢管桩。并采用格栅状布置的中7oo水泥土搅拌桩对主墩基础土体进行加固。 2.空间结构有限元模型 卢浦大桥采用三维有限元方法建立空间结构计算力学模型，结构采用空间梁单元离散。以下两种模式进行比较 （1）.单梁模式： 全桥加劲梁采用单梁模拟；边跨加劲梁由刚臂与拱肋(或普通横梁与拱肋)、立柱连接，中跨加劲梁由刚臂与吊杆连接。全桥共有节点543个，单元605个，截面特性94种。 （2）.双梁模式：边跨加劲梁采用双梁模拟 中跨加劲梁仍采用单梁模拟；边跨双梁问采用横梁连接拱肋连接采用普通横梁。全桥共有节点897个，单元847个，裁面特性96种。五上海卢浦大桥临时索 塔体系的设计与施工 1.工程概况 上海卢浦大桥为中承式钢结构拱桥，主跨550m，横跨黄浦江。为不影响通航，主拱采取悬臂的方法进行逐段拼装，为抵抗大跨度悬臂施工所产生的巨大应力，卢浦大桥主拱采用扣索法施工即在浦东浦西各设置l缶时索塔体系，以满足施工需要(见图I)。除辅助河跨拱肋施工外，在河跨桥面板吊装以及水平索安装和内调整期间，lI缶时索、塔体系还起到辅助拱肋受力、避免拱肋局部变形过大，逐步将荷载由索塔向拱肋转移、完成受力体系转换的作用；同时，该系统还具有在施工期间的抗风及稳定作用。因此，索塔体系尽管属l临时措施，但其设计和施工参照大桥永久构件的标准进行。 2.临时索、塔体系的设计作为主桥施工过程中的最关键设施，临时索、塔的设计首先必须确保其施工期间的安全可靠，但同时它毕竟只是一项临时措施，因此设计时应尽可能考虑安装和拆除的方便以及相应钢结构重复利用的可能性。 (1) 塔高 主拱施工工艺类似斜拉桥施工，塔高决定于斜拉索的布置方式。斜拉桥斜拉索与桥面板的最小夹角一般在22。左右，考虑到本工程属临时结构，顶部斜拉索使用时间短，同时主拱本身具有很强的刚度和抗压性能，而且成弓状，因此在受力允许的情况下可以适当减小夹角。经过理论计算。只要夹角在5。以上受力即可稳定，但此时索力太大，单侧将达到10000kN之多。在经过对100m、125m、150m和180m四种塔高(均为桥面以上高度)的综合比较后，决定采取最为经济合理的128m塔高，此时拉索最小夹角为156。 (2) 基座形式及与桥面的连接方式 为传力顺畅，基座采取“回”字型结构，四根主立柱分别对应于回字的四个角点，将所受压力通过扩大和加强处理后的9 桥面板及大立柱周边钢板相连，基喳与9 板焊接固定；另外加设预应力索将基座与桥面板以及大立柱连成整体以增加锚固性能，同时将基座、9 桥面板相对应部分以及大立柱周侧浇注填芯混凝土以增结构刚度和强度，作为安全储备。 (3) 临时索布置方式及锚箱形式 临时索开始时考虑均设置在临时塔顶部，但后出于施工方便性以及临时索塔施工期间稳定性的需要，将临时索从上至下分13层布置，间隔4m，分别对应于主跨2O 8假拱肋；另外在塔高64m处设置临时索一对，为三角区6 拱肋施工所用，三角区合龙后即可拆除，同时该对索也起到辅助临时塔施工过程稳定的作用。锚箱(即拉索锚固钢梁)是为平衡每对斜拉索的水平分力并将垂直力传递给临时塔而设置的空间非标构件，它由钢板焊接而成；为操作方便，避免主边跨施工相干扰，锚箱设置成“z”型结构。 (4) 临时索体系 (5)临时索形式比较及选择 另外加设预应力索将基座与桥面板以及大立柱连成整体以增加锚固性能，同时将基座、9 桥面板相对应部分以及大立柱周侧浇注填芯混凝土以增加结构刚度和强度，作为安全储备。 (6) 临时索布置方式及锚箱形式 临时索开始时考虑均设置在临时塔顶部，但后出于施工方便性以及临时索塔施工期间稳定性的需要，将临时索从上至下分13层布置，间隔4m，分别对应于主跨2O 8假拱肋；另外在塔高64m处设置临时索一对，为三角区6 拱肋施工所用，三角区合龙后即可拆除，同时该对索也起到辅助临时塔施工过程稳定的作用。锚箱(即拉索锚固钢梁)是为平衡每对斜拉索的水平分力并将垂直力传递给临时塔而设