泰州长江大桥设计及创新

泰州长江大桥设计及创新,韩大章华新单宏伟,江苏省交通规划设计院有限公司,1.项目概况及技术标准2.主桥方案选择3.三塔悬索桥设计4.关键技术问题及创新,汇报内容,1.项目概况及技术标准,泰州大桥位于江苏省长江中段，北接泰州市，南连镇江市和常州市，大桥上游距润扬大桥66km，下游距江阴大桥57km。全长62.088km，包括主桥大桥和夹江大桥及相应引桥接线工程。项目总投资93.7亿元，项目总工期为5年半。,泰州市,公路等级：双向六车道高速公路设计车速：100km/h桥梁结构设计基准期：100年车辆荷载等级：公路-I级桥梁标准宽度：33m,1.项目概况及技术标准,纵坡：3%横坡：2抗震设防标准：,抗风设计标准：运营阶段设计重现期：100年施工阶段设计重现期：1030年，根据具体情况采用设计洪水频率：主桥、引桥1/300跨江大桥设计水位：(85国家高程系统),1.项目概况及技术标准,通航净空：主通航孔76050m,副通航孔22024m,1.项目概况及技术标准2.主桥方案选择3.三塔悬索桥设计4.关键技术问题及创新,桥位区大部分河床面高程在-15-20m间桥位处河床呈扁W形，右侧最深，最深处水深约30m，中间稍浅，江中心水深约17m2.0m高程水面线宽约2100m,河床断面一般情况,桥位区水下地形,桥位河床断面,2.主桥方案选择,桥型方案构思,2.主桥方案选择,2.主桥方案选择,桥型方案比选,2.主桥方案选择,桥型方案比选,结合大桥桥位河床断面特性及桥位处的自然环境条件，以最大限度保障通航、保障长江深水岸线利用同时控制工程规模为根本出发点，主桥最终选择了三塔两跨悬索桥方案，跨径布置为390+1080+1080+390m。为世界首次建造千米级三塔两跨悬索桥。,桥位下游长江北岸岸线利用,1.项目概况及技术标准2.主桥方案选择3.三塔悬索桥设计4.关键技术问题及创新,3.三塔悬索桥设计,3.1多塔悬索桥国内外设计及研究现状,以前，在需连续大跨布置时，多将两座或三座悬索桥联袂布置，中间共用锚碇。,位于法国中部的Chateauneuf桥是一座五跨悬索桥，建于1840年，1937年重建，桥宽7m，跨径布置为49.15m+3x59.50m+49.15m。,3.三塔悬索桥设计,3.1多塔悬索桥国内外设计及研究现状,19世纪和20世纪上半叶，欧洲建造了多座小跨径多塔悬索桥，大部分采用塔顶纵向水平束来提高结构刚度。,1961年7月建成日本小鸣门桥两个主跨均为160m，总长为441.4m，桥宽为7m，中塔为钢筋混凝土A形塔。主缆在中塔顶断开，直接锚固于塔顶鞍座上。,3.三塔悬索桥设计,3.1多塔悬索桥国内外设计及研究现状,智利Chacao海峡悬索桥主跨跨径为1055m+1100m，采用钢加劲梁，全宽23.3m，高3.5m，为双向四车道；主缆间距为21.6m；中间塔采用A型中塔，以保证其刚度。该桥因资金筹措原因至今施工图设计和施工均未开展。,智利Chacao海峡悬索桥加劲梁断面,3.三塔悬索桥设计,3.1多塔悬索桥国内外设计及研究现状,青岛海湾大桥的工可曾提出主跨2x1200m的三塔悬索桥方案。阳逻大桥的初步设计提出主跨2x700m的三塔悬索桥方案，中塔采用混凝土A型塔以上这些为大跨径多塔悬索桥方案研究及设计积累了一定的经验。,3.三塔悬索桥设计,3.1多塔悬索桥国内外设计及研究现状,桥跨布置为：390+1080+1080+390m,三塔悬索桥跨布置,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,1.江中只设一个主墩，两个主跨一跨过江，保证边塔无水施工。2.两端锚碇置于大堤背水侧，并有一定安全距离。3.纵向结构对称。,桥跨布置思路,桥跨结构有合理的竖向刚度主缆与鞍座间抗滑移安全中塔本身的强度及稳定安全尽量降低工程数量,主要目标,中塔的刚度（材料、外形、塔高）结构支承体系（支承模式、中央扣等）,关键,三塔悬索桥结构行为研究,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,中塔支承体系其它,塔型边中塔高差材料,结构比选,A型塔I型塔人字型塔,混凝土钢钢与混凝土混合,塔梁间纵、横、竖向连接中央扣,矢跨比边塔主梁高度中塔基础锚碇基础等,3.2结构方案设计,3.三塔悬索桥设计,结构体系,加劲梁约束体系中塔处设纵向弹性索限制加劲梁的纵向位移中塔处设竖向限位构造三个主塔处均安装横向抗风支座中塔处为减小加劲梁的负弯矩而不设竖向支座边塔下横梁上设竖向支座,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,主缆和吊索,每根主缆由169股索股组成，每根索股由91丝直径为5.2mm的镀锌高强钢丝组成。钢丝极限抗拉强度为1670MPa，单根索股无应力长约3100m。吊索采用高强平行钢丝，吊索标准间距为16.0m，钢丝标准强度为1670MPa。上下两端均采用销接式，锚头采用热铸锚。索夹采用销接式，索夹材料采用ZG20SiMn,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,主缆矢跨比采用1/9，主缆横向中心距为34.8m。,加劲梁,梁高3.5m，全宽39.1m，内侧普通车道和紧急停车带顶板厚14mm，并采用6mm厚U形肋加劲，外侧重车道6m范围内顶板厚16mm，并采用8mm厚U形肋加劲，采用Q345d钢。,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,中塔基础,平面尺寸为58m44m钢沉井高38m，砼沉井高38m，沉井总高76m。整个沉井基础将下沉到标高-70m的深度，施工中受水流、潮汐、大风、河床冲刷等不利因素影响，技术难度极大。,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,边塔设计,群桩基础，单桩直径2.8m，共46根，桩长98m（南塔）和103m（北塔），按摩擦桩设计；哑铃型承台，平面尺寸32.632.556m，厚6m；,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,混凝土索塔，塔高175.7m。,锚碇结构,重力式锚碇结构、沉井基础。锚碇沉井长和宽分别为67.9m和52m。北锚碇基础沉井高57m，南锚碇基础高41m。,3.三塔悬索桥设计,3.2结构方案设计,纵向人字型钢塔，塔高191.5m交点以上、以下塔高分别为122.0m和69.5m。两条斜腿在塔底的叉开量为34.75m。斜腿段倾斜度为1：4。设两道横梁。高程+135.04m以下采用Q420qD钢，其余节段及上下横梁均采用Q370qD钢。,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,中塔主要构造,顺桥向：塔顶6.6m10.6m10.6m15.54m6.0m横桥向:5m塔柱:单箱多室布置壁板厚:44mm60mm腹板厚:44mm60mm加劲肋:40mm48mm,直线,圆曲线,(下塔柱),(等宽),3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,塔柱节段的划分与连接,共21个节段节段长度：7.5m15m最大节段D5：495tD5段以上节段：140t以内传压力时：壁板、腹板各按50计，加劲肋按40计有拉应力时：全按高强度螺栓传递均采用M30摩擦型高强螺栓,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,下塔柱架设：浮吊大节段安装减少了节段现场接缝数量，加快了施工进度。,3.三塔悬索桥设计,上塔柱架设：塔吊安装保证了节段安装精度；确保了施工安全。,3.3中钢塔设计,起吊能力与节段划分,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,吊臂长度在22m左右，起吊重量限制在150t以下，加上8t吊具，实际有效吊重在142t以内。,为增加节段长度，减少横向拼接缝，考虑采用竖向分块方案,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,为取消竖向螺栓拼缝，增加景观效果，将竖向拼缝设于中腹板处,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,塔顶纵向不平衡力对塔底的力矩主要由两塔柱轴向力与张开距离予以平衡汽车一跨满载，一跨空载情况：截面纵向弯矩值最大；非加载侧有拉应力出现恒载及两跨满载作用时，塔柱轴向压力引起承台内的水平拉力,塔底锚固方案,塔根受力特点,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,塔柱与承台连接方式,铰接,固结,连接受力简单、承台受力明确,需设置大型钢支座，更换困难,不采用,螺栓锚固法,塔柱埋入法,承压板与承台顶面传递压力螺栓锚固承担弯矩引起的拉力,通过剪力件及砼受剪传力,易造成砼内部受拉，承台受力不利,截面拉应力由螺栓传递到承台底面改善承台的受力,不采用,推荐采用,塔底锚固方式构思,3.三塔悬索桥设计,3.3中钢塔设计,塔柱与承台的连接,将塔柱底节段延伸到了承台内埋入混凝土塔柱部分纵向用系杆连接塔底截面布置34根直径为130mm的40CrNiMoA螺栓单个螺栓预拉力为3500KN,3.3中钢塔设计,1.项目概况及技术标准2.主桥方案选择3.三塔悬索桥设计4.关键技术问题及创新,由活载引起的主梁挠度和梁端转角控制在合理范围内主缆与鞍座间抗滑移问题需得到较好的解决中塔本身的强度和抗疲劳安全应有充分保障,中塔刚度选择的制约条件,4.1设计关键技术,4.关键技术问题及创新,1、中塔塔型选择,中塔塔型选择实则就是中塔刚度的选择,中塔塔形比选,A型塔I型塔人字型塔,比选结论,人字形钢中塔较好的兼顾了抗滑移安全度、全桥刚度、塔柱截面应力、塔柱根部轴力等指标，是较合理的方案。,4.关键技术问题及创新,1、中塔塔型选择,4.1设计关键技术,2、三塔高度比较,经多方面综合比选,再考虑景观因素，采用中塔较边塔高20m的主塔高度方案。,4.关键技术问题及创新,4.1设计关键技术,3、支承体系比选,1）主梁与中塔的竖向连接竖向竖向支座设0吊索梁塔间竖向不约束结论：中塔处不设竖向刚性约束以减小加劲梁的负弯矩，但设竖向限位挡块来限制风荷载作用下加劲梁的过度扭转。,2）主梁与中塔的纵向连接纵向不约束弹性索约束刚性挡块约束梁塔间纵向设约束显著提高主缆与中主鞍座间抗滑移安全系数减小加劲梁竖向挠度改善中主塔受力极大的减小加劲梁纵向活载位移结论：主梁与中塔间设置纵向弹性约束，构造相对简单,4.关键技术问题及创新,4.1设计关键技术,3）中央扣不设中央扣设一对柔性中央扣设三对柔性中央扣,结论：不采用设中央扣方案。,4.关键技术问题及创新,3、支承体系比选,4.1设计关键技术,随着主缆矢跨比减小：扭转基频减小竖弯基频增加扭弯频率比减小颤振临界风速减小综合全桥静、动力分析比选，以减少工程数量为考量，三塔悬索桥方案主缆矢跨比采用1/9。,4.关键技术问题及创新,4、矢跨比,4.1设计关键技术,1、三塔悬索桥结构行为研究1）首次掌握多塔连跨悬索桥建设的核心技术2）解决了多塔连跨悬索桥结构选型关键技术，掌握了中间塔结构特征，提出了中塔鞍座抗滑稳定性评定方法与安全设计方法,4.关键技术问题及创新,4.2创新设计,4.关键技术问题及创新,2、钢中塔设计及制造、安装,4.2创新设计,多塔悬索桥的中间塔在设计及施工上面临着诸多难题，为多塔悬索桥的关键。泰州大桥中塔采用世界上高度第一的纵向人字型钢塔，节段的最大吊装重量达450t，设计无现成经验可循，加工制造和安装的精度要求极高，线型控制与风险管理缺乏可借鉴的工程实绩。,设计采用单箱多室的截面方案，成功地满足了全桥总体刚度要求与中塔自身的强度与刚度的要求；纵向与横向分块