贵溪大桥主桥设计和施工(一).doc

贵溪大桥主桥设计和施工（一）总体吴小云（北京建达道桥咨询有限公司驻赣办 330002） 摘 要：贵溪大桥桥型新颖、独特，建成后已成为贵溪市的标志性建筑。现就贵溪大桥桥位、桥型和总体设计、施工的要点和关键问题进行较为详细的介绍。关键词：桥梁工程；桥位；桥型；施工方法0 前 言贵溪大桥为直线桥梁，主桥跨径209.6m+50m+40m；引桥跨径430m，桥梁全长439m（图1）。主桥为跨径209.6米的独塔无背索斜拉桥，上部构造主梁采用混合梁型式，塔侧及主孔1号辅助墩侧主梁采用预应力混凝土箱梁，其余为封闭式流线形扁平钢箱梁，长174m；边孔采用预应力混凝土箱梁。主桥下部构造主塔处采用圆形实体挖孔桩基础；辅助墩采用薄壁墩，桩基础。引桥采用先简支后连续预应力混凝土小箱梁，实体薄壁墩，肋板式桥台，桩基础。该桥于2006年3月动工建设，2009年1月6日竣工通车，建成时其主跨跨径为同类桥梁中全国第一，大桥主体工程造价约9000万元。图1 总体布置图 单位：m1 主桥结构受力特点常规斜拉桥由于塔两侧均有斜拉索，在恒载作用下两侧斜拉索水平力可保持平衡，仅在活载及附加荷载下主塔结构承受一定的水平力及弯矩。无背索斜拉桥桥塔上仅有单侧斜拉索，索塔受力表现为倾斜的悬臂梁，通过单侧拉索将自身的自重力矩来平衡主梁重量产生的力矩。整体平衡示意如图2 图2 整体平衡示意图式中：-拉索区段塔及梁的重量;-拉索区段塔及梁重心到固结点O的距离;则自重作用下有拉索区段塔及梁分别对固结点O的力矩为：若要求在自重作用下整体结构平衡，则：合力矩得整体平衡公式：以上就是无背索斜拉桥整体受力平衡的基本公式。该公式表明，此类桥型主梁的截面形式、自重集度、支承位置等均和索塔的倾角、自重集度、截面刚度、无索段的长度等有关。一般斜拉桥主塔两侧的梁重可基本平衡，主梁重量的增减主要影响索塔截面的法向应力，而无背索斜拉桥主梁重量的增减就直接影响到索塔结构的整体布置和截面尺寸。因此，如果是相同跨径的一般斜拉桥，完全可以采用混凝土主梁，而选用无背索斜拉桥，就不能不绝大部分采用钢主梁。上述基本公式只是反映该桥型的受力特点，在具体设计中还必须考虑结构承受的各种永久的、可变的和偶然的荷载作用，而且在这些荷载作用下还必须具有足够的安全度，故在初拟结构各部分尺寸后，计算分析结果不够满意，又需次调整相应尺寸和设计参数，故设计是一个反复调整和计算过程。经反复计算确定了以下数据：索塔水平倾角640，拉索水平倾角240，梁上索距13m，在此基础上，通过计算确定索塔截面如图3，截面四角进行了倒角，以利降低风振的影响。图3 索塔截面（单位：m）根据梁塔平衡的基本要求，确定了钢箱梁长度174m，索塔斜向长度为128.8m，其垂直高度为111.8m。2 总体布置2.1 桥位地形、地质条件贵溪大桥跨越信江，桥位在贵溪铁路大桥上游约300m处，处于信江最狭窄的河段上，桥位上游0.6km处和下游2.6km处河道均有弯曲，桥址河段顺直，复式断面，西岸地势较高，为红砂岩露头的岗阜；东岸地势较平坦，洪水时漫滩，土质岸线明显，汛期滩流较小。桥址区属平原微丘地貌，桥址区覆盖层为第四系全新统冲积层，下伏中生代白垩纪和第四纪岩层，岩性为红砂岩、砂砾岩。2.2 跨径和结构布置由于桥址河段系信江最狭窄的河段，汛期水位变幅大，流速高，故主跨采用了基本一跨过江的跨度209.6m。为提高主跨的刚度和行车平顺性，主桥部分增加了与主跨连续的50m+40m辅助跨，采用预应力混凝土整体箱梁，既利于结构受力，亦使信江主槽边部仍有较大的泄洪跨径。由于东岸在洪水时漫滩较严重，在滩地上布置了430m引桥，采用先简支后连续预应力混凝土小箱梁结构。由于大桥位于城区，从景观考虑，辅助跨墩和过渡墩均设计成“宝瓶”式。2.3 主梁设计为了使桥跨结构布置和结构整体受力更趋与合理，本桥设置了两个钢混结合段，钢-混分界线的位置选择在主跨的东侧10m ，西侧19m主梁受力和变形相对较小处。由于增大了支点附近主梁的刚度和重量，有利于主跨内力和变形，由于减短了钢箱梁长度，也节省了不少造价。钢箱梁标准梁段横断面为整体式箱形断面，由中部闭合箱与两边悬臂组成，梁顶宽28m，底宽11.2m，中心梁高3m，悬臂长4m，标准节段长13m，横隔板间距3.25m，悬臂部分的腹板与箱内横隔板相对应，钢箱梁的连接采用全焊形式。混凝土箱梁为变截面，与钢梁的连接处外形与钢箱梁保持一致，为单箱四室断面，辅助墩顶梁高4m，边跨跨中及边跨端部梁高2m。在平面上，大桥在平面上按直线布置，桥面总宽28.0m；由于横向宽度5m的索塔及拉索布置在桥面中心线处，占据了部分机动车道，故在主塔处将桥面变宽至34m，采用曲线形式绕避主塔；在1号辅助墩和2号辅助墩之间桥面宽度由28m变宽至26.5m，以使主、引桥衔接平顺。2.4 拉索设计大桥拉索布置采用竖琴式单索面，顺桥向平行排列12对索，除考虑拉索垂度影响的调整外拉索倾角完全相同，远眺宛如一把巨型的竖琴。考虑日后维修换索受力的需要，把一根拉索分成间距0.9m的两根拉索。由于拉索采用竖琴式布置且倾角较小，因而拉索用钢量较多，加大塔高可以减少拉索数量，但为满足 的景观效果和减少索塔工程量，还是采用了这种布索形式。由于主梁采用了自重较轻的钢箱梁，梁上索距有些稀疏，但由于拉索已一分为二，使这12对斜拉索既显得轻盈、简洁，却也不觉单调。2.5 索塔设计索塔是突出本桥景观效果的主体，所以索塔的造型就成了设计中考虑的重点了，索塔的设计主要包括立面倾角（竖直夹角）和立面尺寸。索塔采用矩形空心截面，索塔立面倾角的设计，主要考虑受力、景观及施工等方面。从材料数量来看，主塔的材料数量与塔的倾角密切相关，设计时进行了多次试算。主塔倾角越大，主梁恒活载挠度减小，桥梁整体刚度就越大，但索塔的材料用量就需要增大，以至于使得塔体过于“肥胖”而影响外观，主塔倾角减小，桥梁整体刚度也随之减小，经综合比较，本桥索塔水平倾角取64o。索塔立面尺寸的设计，在保证索塔倾角、塔高基本一致的条件下，进行了变截面和等截面两种方案的对比，发现变截面方案会出现近塔冠处索塔刚度偏小，挠度偏大的现象。采用等截面方案则使塔根部应力增大，而采用增加塔根部截面的方法又不利于景观协调。基于两种方案的利弊分析，最后采取在索塔根部“分肢”的等截面形式，这样，不仅有效的解决了索塔根部应力过大，又保持了等截面方案控制塔顶变形的优点，也极大的提高了施工“裸塔”的高度（可施工约70m高）。3 施工方法简介3.1 主跨施工贵溪大桥主桥涵盖了钢梁斜拉桥、现浇连续梁桥的施工工艺，如64度斜塔、超大挖孔灌注桩、深（浅）水、旱地基础及承台、现浇预应力混凝土梁、钢箱梁等。基础、墩台等施工与一般桥梁基本相同，但索塔、主梁的施工工序步骤却有其特殊性，与其它无背索斜拉桥不同。国内先后建成了一批无背索斜拉桥的施工工艺统计如表1。表1 各地无背索斜拉桥施工工艺对比桥名主跨（m）辅助跨（m）塔倾角(度)塔高度（m）施工方法长沙洪山大桥2063058136.8先梁后塔合肥铜陵路桥66306054.8先梁后塔昆山夏架河桥52无5340.9先梁后塔哈尔滨太阳桥140无609305先梁后塔湖北孝南互通桥140157077.6先梁后塔景德镇白鹭大桥120无5873先梁后塔江西贵溪大桥20950+4064111.9先梁后塔从上表可看出，尽管索塔、主梁的截面形式各有不同，由于索塔有530-700的倾角，其施工本身就是难度较大的，国内此类桥梁基本上采用的是先梁后塔的施工方式，以降低施工的风险，但却需要增加临时工程建设费用和延长工期。对于倾斜索塔施工方法的考虑，是本桥设计的一个重点和难点。鉴于本桥位于水深、流速大的河段上，在深水中搭设大量的支架或顶推临时墩不仅花费巨大，而且施工时渡洪亦具有较大的风险。考虑只要索塔能够及时升高，使索塔自重产生的力矩可以平衡逐段加长的主梁，则采用悬臂施工方法仍然可行，故最后采用了索塔节段浇筑和主梁节段吊装交错的施工工艺，钢箱梁实际是一般斜拉桥的悬拼施工法，主塔则需根据事先设计好的施工程序在钢箱梁悬拼过程中逐段浇筑，为应对施工过程可能遇到的大风等危险情况，在主梁悬臂施工到一定长度时对主梁加设了临时锚碇桩。由于塔重需梁重平衡，施工中必须严格控制主塔、箱梁逐段增加的重量和施工荷载，以控制主塔塔内力变化。通过实践表明，无背索斜拉桥采用塔梁交错作业的的悬拼施工法，虽然对设计、施工、监控、监理之间的技术协同工作提出了更高的要求，但极大的铺开了施工工作面，缩短了合龙工期，减少了大量建设费用。3.2 索塔施工索塔塔高111.8m，为钢筋混凝土结构，采用爬模施工，由于索塔下部分肢使截面变化较大，利用专项设计的爬模进行索塔分节段浇筑，索塔每节段浇筑的竖直高度3.5m，在“裸塔”状态下浇筑了6个节段后再挂设斜拉索吊装钢箱梁。3.3 钢箱梁施工钢箱梁标准节段13m，采用在加工厂内分单元制作，运至施工现场后组拼焊接并采用32的预拼装方式进行加工制造，通过信江采用自浮式运至安装位置后利用桥面吊机进行悬拼安装。单个钢箱梁安装完成后配合挂索、张拉索力及吊机前移等调整施工。3.4 斜拉索施工斜拉索采用平行钢丝束，共计26根（含两根临时索）。挂索采用软牵引和刚牵引相结合的方式。斜拉索张拉采用分级张拉的方式，根据现场桥梁施工线型和桥面荷载情况对设计张拉索力值进行调整，而后张拉以确保桥梁应力及线型。3.5 基础及承台施工桩基础均采用冲击正循环钻的施工工艺。大桥1#墩基础为高桩承台形式，采用钢套箱围堰施工工艺；2#墩基础处于河水中较浅处，采用拉森板桩围堰施工工艺；3#墩位处于岸边，采用反压套箱围堰的施工工艺。3.6 施工平台施工考虑该桥工程地质及水文条件，河西岸侧主桥钢箱梁和河东侧现浇箱梁的施工平台均采用以钢管桩为基础、以军用梁为纵梁、工字钢为横梁的水上平台体系。3.7 现浇箱梁施工现浇箱梁采用全支架现浇施工工艺，采用等效荷载压载法（灌水法）消除支架体系的非弹性变形影响，同时计算消除支架弹性变形影响的箱梁预抛值，保证箱梁成桥线型。4 结 语贵溪大桥主桥桥型新颖，结构设计和施工均具有一定的复杂