苏通大桥的关键技术与创新

1、苏通大桥的关键技术和创新张雄文（江苏省苏通大桥建设指挥部，中国南京210006）摘要：横跨长江的苏通大桥是一座主跨为1088m的斜拉桥。本文概述大桥在设计和施工方面的技术挑战、关键技术及创新，比如桥墩冲刷防护、钢围堰下沉、施工平台搭建、斜拉索制作与减震、钢箱梁安装与控制等。关键词：苏通大桥 关键技术 创新 结构体系 基础 桥塔 斜拉索 钢梁1. 工程概况 在中国东部沿海地区，一条自沈阳出发，经上海、苏州和杭州，到海口城市的高速公路正在建设中。苏通大桥是这条路线上跨越长江的一个重要工程（图1）。大桥位于长江三角洲，连接苏州和南通这两座城市。它的建立将进一步加强长江三角洲之间的联系，促进中国经济的

2、发展。图1.苏通大桥的位置苏通大桥总长8146m，由北引桥、主桥、专用航道桥和南引桥组成。南北引桥总长分别为1650m和3485m，均采用30、50和75米预应力混凝土连续梁。专用航道桥总长923m，由跨度布置为140m+248m+140m的连续刚构组成。苏通大桥主桥为七跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布置为100+100+300+1088+300+100+100=2088m（图2）。该桥是世界上首座跨径超过1000m的斜拉桥。本文主要考虑大桥的主桥部分。 图2.总体布局2. 总体结构12.1 索塔基础索塔基础采用131根直径为2.8/2.5m变截面钻孔灌注桩基础（图3），按桩长为117m的摩擦

3、桩进行设计。承台为哑铃型，每座索塔下承台的平面尺寸为51.35m×48.1m，厚度由边缘的5m变化到最厚处的13.324m。 图3.索塔基础构造图2.2 索塔索塔采用倒Y形混凝土结构，总高300.4m，其中上塔柱高91.4m，中塔柱高155.8m，下塔柱高53.2m。塔柱采用变截面空心箱形截面，底部设实体段，索塔在64.3m处设置横梁。斜拉索锚固在索塔钢锚箱上（图4），钢锚箱共30节，用来锚固30对斜拉索，锚箱标准节段高2.32.9m，总高73.6m。钢锚箱与混凝土塔壁用剪力钉连接，其中每个剪力钉直径为22mm，长度为200mm。 图4.钢箱梁图图5.钢箱梁构造图2.3桥面板苏通大桥

4、主梁采用具有良好空气动力学特性的流线型扁平钢箱梁。全梁总宽41m，中心线处高4m。拉索锚固在主梁的锚箱上，桥面板下面布置高度为300mm的U型纵肋。钢箱梁内设置了整体式横隔板，两道横隔板除竖向支承区，压重区和索塔附近粱段采用实腹板式外，其余均为桁架式（图5）。2.4斜拉索苏通大桥斜拉索采用7mm高强镀锌平行钢丝斜拉索。全桥共272根斜索，其中最长的斜索达577m。主梁和索塔分别每隔16m和2m将斜索锚固。3 结构体系3.1 结构体系的概念总体而言，斜拉桥有三种结构体系，即漂浮体系、约束体系和固结体系。对于苏通大桥而言，如果采用漂浮体系，粱端势必产生大位移，且索塔底部也将产生很大弯矩。如果采用固

5、结体系，温度作用和地震作用将使结构产生很大的次内力。因此，约束体系成为了大桥合理的结构体系。这种体系能够约束动力响应，然而静力风荷载将要产生粱端大位移和塔底大弯矩。这样，考虑安装阻尼装置来减少这种位移与次内力。3.2 阻尼装置的选择常见的阻尼装置包括粘滞阻尼器和液压缓冲器。比较分析表明，粘滞阻尼器比同种条件下的液压缓冲器产生包括内力和位移在内的更小的地震响应，且粘滞阻尼器所需阻尼力是液压缓冲器的1/6，因此，选择粘滞阻尼器降低了阻尼装置的设计和制造要求。综合考虑到阻尼器的力和位移，其中塔顶位移和塔底弯矩的大小将随阻尼参数而变化，此参数由粘滞阻尼器阻尼系数C(C=15000KN/（m·

6、s）-0.4)和速度指数决定2。3.3限位大小的确定为了确定位移限制数值，活载、温度作用、地震作用和风荷载均要考虑。计算表明结构最大位移值为±745mm，因此粘滞阻尼器额定行程量设置为±750mm。3.4结构体系的选择苏通大桥共设置了8个粘滞阻尼器，主桥部分每个塔梁处设置4个（图6）。索塔和梁之间设置抗风支座限制塔处主梁的横向位移。主梁与过渡墩及辅助墩之间设置纵向滑动支座，并限制横向相对位移。 图6.塔和桥面分离的半漂浮体系3.5创新基于动力和静力荷载下苏通大桥的反应特性，设计采用和发展了这种刚性限位与粘滞阻尼器相组合的结构体系。该体系解决了大跨度斜拉桥，在地震作用下粱端与

7、塔顶位移太大、在温度作用下塔底内力太大的难题。采用阻尼器限位的理念丰富了其内涵。4 群桩基础4.1 搭设施工平台3施工平台搭建的一般方法是用小直径的钢管桩作为支撑桩，采用这种方法将降低平台的刚度，安全储备和精确度。为了解决这个问题，苏通大桥采用大直径钢护筒以增加单根桩的承载能力和平台的刚度。在苏通大桥北塔墩处，水较深且流速大，有必要自上游到下游搭设施工平台。平台平面尺寸为154m×57m，由起始平台、辅助平台和钻孔灌注桩平台组成。起始平台和辅助平台分别由12和10根直径为2.54m钢管桩支撑。钻孔灌注桩平台由131根直径为2.85m的钢护筒支撑（图7）。施工平台的搭设步骤如下:在承台

8、上游利用直径2.5m的大直径钢管桩搭设起始平台，在起始平台上安装特制的悬臂式导向架，对钢护筒进行导向定位，保证钢护筒的打设精度。采用两台并联的APE400振动锤完成钢护筒的打设。将已打设的钢护筒平联成整体，并移动导向架，自上游向下游逐根打设剩余的钢护筒，形成新的施工平台。南塔墩处水深相对较浅，因此，用直径2.85的钢护筒来搭设钻孔灌注桩平台，用小直径的钢管桩搭设工作平台。在顺着打桩船水流方向的间隔处，起始平台由9行钢护筒中的5行作为支撑。由此，在起始平台上用特制的导向架和打桩锤打设剩余的钢护筒，最后搭设成钻孔灌注桩施工平台。在搭设好起始平台之后，分别用13根和25根直径为1.42m钢管桩搭设上

9、游施工平台和下游施工平台。 图7.施工平台搭设方案4.2 大型承台钢套箱下沉钢套箱是永久保护结构防止船只撞击的一个必要构件，同时，它也是一个阻水结构，以确保承台处于一个干燥的环境。因此钢套箱必须高精度下沉，然而因钢套箱规模大、复杂的施工因素和钢套箱下沉距离大等，造成钢套箱高精度下沉十分困难。整体施工的南塔墩钢套箱，长117.35m、宽51.7m、高16.9m，结构重量约5800t。实际施工时对12个吊点、40台千斤顶按位移同步、荷载均衡的原则用计算机集中控制，高差超过1cm时吊放就自动停止，进行调整。在钢套箱外侧和内侧设置限位和导向装置，防止钢套箱在水流作用下的摆动。钢套箱竖向定位是通过周边钢

10、护筒上安装的32个竖向定位反压牛腿实现的。竖向定位完成后，选择在低潮位时调整钢套箱的平面位置，并加以固定。钢套箱（北塔墩）长118m、宽52.3m、高18.5m，整体分三部分下沉就位。第一部分高6.6m，重2615t。16台千斤顶组成的液压控制系统控制钢套箱的下沉，两台诡杆起重机和浮式起重机同步对称地拼装和扩大钢套箱节段。拼装工作完成后，向室内注水使钢套箱下沉。下沉过程中，在钢围堰的内壁与转轴壁之间调节橡胶护舷控制钢套箱的平面位置，垂直度利用绞车或连锁块进行调整。进而向双壁内注水以缓缓地调整钢套箱的平面位置。4.3 冲刷防护群桩基础必须确保嵌入土层足够的深度，周围的冲刷却使这个深度不断减小。局

11、部冲刷实验表明苏通大桥北塔墩冲刷深度最大，20年一遇水流作用下冲刷深度达21.5m；300年一遇的水流作用下冲刷深度达27.2m，而且最大冲刷有可能在一次大水作用下就形成。为了满足船舶撞击和地震要求，必须采取措施进行冲刷防护。苏通大桥采用施工预防护与永久防护相结合的方案以避免运营期间常规的维修养护。永久冲刷防护的理念是：通过抛投沙袋、级配碎石、护面块石等材料改变基础区域河床底质，减小冲刷深度，达到护底抗冲目的（图8）。根据水流特性对不同区域防护采用不同防护结构，分层次进行防护，保证防护工程的耐久性。冲刷防护分四步进行：第一步是抛投沙袋，护底防冲，核心区沙袋层厚度为2.0m，永久防护区和护坦区为

12、1.0m，在平台搭设和钻孔桩施工前进行；第二步是进行钢护筒打设和平台搭设；第三步是抛投厚度为1.0m的级配碎石反滤层，在钢护筒打设完成后立即进行；第四步是抛投护面块石，形成永久防护结构。核心区和永久防护区护面块石层厚度为1.5m，护坦区内侧护面块石层厚度为1.89m，外侧厚度为3.15m。图8.冲刷防护结构4.4 创新苏通大桥基础工程的创新如下：1）开发了用钢护筒作为支撑桩搭设施工平台的新技术，并且发明了确定钢护筒平面位置与打设精度的悬臂式导向架这一新装置。2）开发了在电脑控制下，利用多台千斤顶实现超大型钢套箱整体同步下沉的新技术。这项技术使500t重量的钢套箱整体地、同步地和精确地下沉就位变

13、为现实。3）提出和实现了永久冲刷防护的新理念，进而形成了完备的一套冲刷深度预测、设计、施工、检测、监控和维护于一体的冲刷防护技术。5 索塔的施工和控制5.1 施工方法4索塔采用自动液压爬模系统进行施工，共分为668个施工节段，标准节段高4.5m。索塔横梁采用支架现浇，与塔柱异步施工。钢锚箱采用工厂制作、预拼、现场安装、栓接的施工方法。在中下塔柱每隔一定高度设置水平支撑，施加主动顶撑力，以消除由于塔柱倾斜产生的应力和变形。由于塔很高，塔柱倾斜，索塔空间几何位置、线性和精度的控制不仅仅是一道日常程序也是一项极其重要的任务，苏通大桥的问题在于施工测量和几何位置控制。5.2 施工测量为了解决施工测量问

14、题，技术人员研究和开发了追踪棱镜法。该方法的原理是精确地测量已竣工节段的位置，同步修正和补偿温度和风等环境因素对施工测量的影响。基于已竣工节段，采用相对坐标进行施工放样，在白天设置棱镜参考点进行全天候施工。这种方法的优点：可以把必须夜间进行的施工放样工作在白天进行，白天放样、测量不需要进行温度和风修正，可以减少计算、数据传达等一系列工作的处理时间，大大提高工效。5.3 施工控制钢锚箱安装误差控制是上塔柱施工控制的关键。钢锚箱采用螺栓连接，一旦连接形成整体后，很难对索塔线性进行调整。因此采取了以下两种措施：第一是严格控制钢锚箱制作精度。每个钢锚箱节段垂直度误差要控制在1/5000以内，钢锚箱预拼

15、整体倾斜度误差控制在1/4000以内。第二是严格控制首节钢锚箱安装精度。首节钢锚箱倾斜度的容许误差为1/3000，钢锚箱安装于4个独立的水平承压钢板上，安装时控制承压钢板相对高差不大于0.42mm。尽管如此，安装误差调整在所难免，因此安装时必须进行必要的调整和控制。对已安装好的钢锚箱的精度进行测量和评估，并预测后续节段误差趋势，确定调整时机；每隔4个钢锚箱阶段设置一块厚度为12mm的垫板，根据需要对垫片进行精美机械加工，调整倾斜度误差。5.4 创新苏通大桥的索塔工程的创新如下：1）基于大桥采用的追踪棱镜法，开发了300m高的钢筋混凝土索塔的施工控制技术。通过这个技术，白天放样与测量成为现实，显

16、著提高了工作效率。2）开发了钢锚箱安装与控制技术。这一技术解决了300m高处安装钢锚箱所存在的严重环境干扰问题。6 长拉索的制作、架设和减震6.1 钢丝材料5用于苏通大桥斜拉索材料的高强度镀锌平行钢丝在中国被研发和生产。这些钢丝的性能指标如下：抗拉强度1770Mpa；屈服强度1450Mpa；弹性模量（1.952.10）×105Mpa。斜拉索专用盘条选用级别为B87MnQL。6.2 长拉索的制作斜拉索采用多重防腐系统以确保其使用寿命。钢丝表面镀锌，丝股外表面涂抹着PVF（聚氟乙烯），此外，采用双层热挤压高密度聚乙烯用于防腐。锚头选择冷铸锚，由铸钢球、环氧树脂、固化剂、稀释剂、增韧剂和填

17、充材料等组成（图9）。用热镀锌层保护锚头。为了保证长拉索的制作精度，选择特制钢丝作为测量线用来测量弹性模量，测量线在工作台上以高于1/23000的精度特殊制作。 图9.斜拉索构造6.3 长拉索的架设根据索的不同长度和质量，两种不同的搭设方案如下：120#索最大拉力160t，最大提升重量25t，因此选择从塔末端开始架设的张拉方案。2134#索张拉力和张拉距离相对较大，34#索锚具端拉力甚至达到430t。拉索从塔端对称张拉计划很难实施，因此最终选择了从粱端开始张拉锚固方案。6.4 长拉索的减震苏通大桥斜拉索振动振幅控制在拉索长度的1/1700以内，运用一种阻尼器和空气动力学措施相组合的方法来减小振

18、动。阻尼器可以减小涡激共振，并提供拉索3%的额外阻尼力。拉索表面凹坑与安装一些空气动力学措施可以减小风雨振。结构抗风性研究显示已竣工的斜拉桥不会产生涡激共振，也没必要担心参数共振和内部线性共振。因此辅助拉索无需设置。为结构安全起见，用合理的方式设置嵌式结构型辅助索以提高体外索的承载能力。在大桥最大平衡悬臂的情况下，参数共振和内部线性共振将会发生，安装临时拉索以减小振动。1#15#拉索每根拉索架设完成后用临时拉索将斜索与钢箱梁固定住。对16#34#拉索而言，斜索锚固于钢箱梁上，两相邻斜索通过操纵螺杆以减小临时振动。6.5 创新苏通大桥长拉索工程的创新如下：1）发明了高强度、低松弛和抗扭转的钢丝材

19、料。建立了拉索材料的生产线，从而取代了该材料的进口。2）研发了斜拉索耐久体系，索寿命延长至50年。3）发明了一种完备的长拉索制作的机械设施与技术，使长拉索制作精度接近1/20000。7 钢箱梁的架设与控制7.1 钢箱梁的架设6图10.边跨架设图 图11.主跨架设 根据钢箱梁的位置和施工条件采取了不同的架设方法。边跨、辅助跨与索塔附近大箱梁节段采用大型浮吊架设（图10），边跨、主跨标准节段与合拢段利用桥面吊机架设（图11）。靠近辅助墩与过渡墩位置安装临时支架保证大箱梁节段的稳定，在边跨距塔197m远处设置临时墩。 桥面吊机由中国制造，最大起吊重量为450t，最大起吊高度为80m，平均其中速度为4

20、0m/h，节段定位精度为1mm。起吊时容许最大风速为20m/s，在桥面上移动时容许最大风速为25m/h。 7.2 跨中合拢苏通大桥中跨合拢借助了顶推架设系统。该系统由顺桥向的水平交叉拉索、竖向拉索和钢支墩以及横桥向为水平抗风支座组成。合拢期间，将竖向拉索拉力解除一半，然后通过张拉和放松水平拉索，将半跨钢箱梁向岸侧拉移10cm，扩大合拢口。提升合拢段进入龙口。在夜间温度变化相对均匀时，再向江侧拉移钢箱梁体，调整匹配端位置，同时打码连接，并迅速解除塔梁临时固结，实现体系转换。 图12.跨中合拢段7.3 施工控制苏通大桥采用了几何控制法。施工控制实施主要分为三个阶段：计划阶段、制造阶段以及安装阶段。

21、在计划期间通过建立三维有限元模型对全桥结构进行计算分析，得到各构件的无应力尺寸和各梁段安装时的位置从而得到安装的目标线形。在不利条件下验证结构的安全，进行针对成桥状态的参数敏感性分析并解决主要误差因素。在制造阶段，评估和确认制造过程的可靠性与精度。检查并接收已制造的构件，建立每个阶段的误差数据库，对模型参数进行及时更新与修正。在安装阶段，在索塔施工、边跨大块梁节段架设和斜拉索与箱梁节段安装期间，建立架设点和施工控制的几何监测系统。7.4 创新苏通大桥钢箱梁工程的创新如下：1）建立了千米级苏通大桥完整的自适应几何控制系统，有助于精确地控制索塔、钢梁、斜拉索及其大桥全部关键构件。2）为了克服环境干

22、扰与不改变钢箱梁无应力条件下的目标长度，采取了一种顶推操作的主跨跨中合拢的架设方案，在此方案下梁体内力和大桥目标线形得到精确控制。3）发明了桥面吊机起吊系统，提高了施工中节段安装精度与结构安全。8 结语苏通大桥建设于2003年6月，于2008年5月正式通车。整个施工过程持续约5年，比预定计划提前一年。它激励着工程项目管理的进一步发展，同时也使大桥本身牢固地建设成为一项有发展眼光的工程。不论以何种标准，苏通大桥工程在桥梁工程方面无疑是一项唯一的、有近代卓越成就的工程，清晰地诠释着技术创新、材料创新、高审美价值以及与自然环境的和谐。参考文献1 Zhang Xigang，Yuan Hong，Pei Minshan ，et al. General design of Sutong BridgeJ. Engineering Sciences，2009，7（1）：