[泰州]三塔悬索长江大桥设计及创新总结

1、泰州长江大桥设计及创新韩大章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。 镇江市扬州市扬中市常州市泰州大桥润扬大桥江阴大桥泰州市1. 项目概况及技术标准 泰州长江公路大桥位于江苏省长江的中段，处于江阴长江大桥和润扬长江大桥之间，北接泰州市，南联镇江市和常州市 项目全长62.088km，包括主江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。项目

2、区域地貌上属长江三角洲冲积平原区，地势平坦开阔 跨江大桥工程包括主江大桥工程和夹江大桥工程。 主江大桥的起点为北岸引桥桥台与北岸接线工程的交界点，起点桩号为K12+795.000；终点为南岸引桥桥台与南岸接线工程的交界点，终点桩号为K19+564.286；全长6769.286 m。 夹江大桥的起点在K22+597.75处，终点在K25+412.75，全长2815 m 1. 项目概况及技术标准 公路等级： 双向六车道高速公路 设计车速： 100 km/h 桥梁结构设计基准期： 100年 车辆荷载等级： 公路-I级 桥面净空及标准横断面：桥梁标准宽度：33 m，净空高度为5m1. 项目概况及技术标

3、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 通航净空尺度：760+220m，净高50m,24m1. 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 深泓在右侧、最深处河床高程-30m 2.0m高程水面线宽约2100m 左岸边坡较缓，一般在1：3 右岸的边坡较陡，接近1：2 河床断面一般情况桥位区水下地形桥位河床断面2. 主桥

4、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、建设节约型工程为根本出发点，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主跨悬索桥。 桥位下游长江北岸岸线利用设计阶段基础资料、专题及科研成果报告一览表 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日本来岛大桥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美国旧金山奥克兰海湾大桥日

5、本南、北备讚濑户大桥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。莫桑比克Save河桥 1965年莫桑比克建成的Save河桥2（见下图）是目前在正式文献中唯一见到的已建多跨悬索桥，在莫桑比克独立前

6、由其宗主国葡萄牙设计和建造。该桥为五跨连续无加劲斜吊索悬索桥，跨径布置为110+3210+110m，全长870m，桥宽10.6m 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。 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未实际展开。 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

7、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 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 结构方案设计三塔悬索桥跨布置三塔悬索桥墩位 右岸岸坡较陡，主塔距水边的距离稍许加大，以避免主塔基础施工堆载对边坡造成不利影响 。右岸坡较陡，右边塔不宜向江中移动，如主跨跨度减小为2x1040m，由于南边塔控制点不动北边塔塔向江中移动80m，主跨跨度减小3.7%，主塔基础设置在-2.0m的浅水中，

8、施工大为不便。 桥位处2.0m高程水面线宽度2100m 3. 三塔悬索桥设计 3.2 结构方案设计北锚碇位置选择 南锚碇位置选择 北锚前沿距大堤最小水平距离134m，另一个方向175m。考虑到结构对称性和景观上的需要，南岸边跨也取为390m。 南锚碇前沿距大堤堤顶的水平距离较北岸大，为193m，三塔悬索桥跨布置3. 三塔悬索桥设计 3.2 结构方案设计 桥跨结构合理的竖向刚度 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）关键结构行为特点3. 三塔悬索桥设计 3.2 结构方案设计三塔悬索桥结构比选

9、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. 三塔悬索桥设计 桥跨竖向刚度合适 主缆与鞍座间抗滑移问题得到较好的解决 中塔强度安全有保障 中塔稳定满足规范要求 中塔及中塔基础工程规模较小 比选一般原则 A型塔 I型塔 人字型塔中塔考虑塔型 中塔方案比选3. 三塔悬索桥设计 中塔方案比选 结论：方案一作为中塔推荐方案。3. 三塔悬索桥设计 结论：与中塔推荐方案对应的方案一作为边塔推荐方案。边塔方案比选 3. 三塔悬索桥设计 边塔刚度比较 边塔刚度对主要构件内力和变形基本没有影响。3.

10、 三塔悬索桥设计 中边塔高度比较 塔高比较的主要结果3. 三塔悬索桥设计 中边塔高度比较 塔高比较的主要结果塔高比较结论 经多方面综合比选,再考虑景观因素，最终采用中塔较边塔高20m（第三方案）的主塔高度方案。 3. 三塔悬索桥设计 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、但设竖向限位挡块的支承方式。通过上下游竖向限位挡块联合作用，使主梁的扭转振动得到一定程度的约束，对于减小风荷载作用下扭转振动的振幅有所帮助。3. 三塔悬索桥设计 支承体系比选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

11、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 3. 三塔悬索桥设计 支承体系比选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3. 三塔悬索桥设计 支承体系比选结论：不采用设中央扣方案。3、中央扣优点：减小加劲梁纵向活载位移只设置一对中央扣，效果不显著设三对中央扣，对抗滑移及加载跨的挠度有改善缺点：存在卸载、疲劳破坏隐忧主梁上的锚固构造比较复杂弹性索的拉力有较大增加3. 三塔悬索桥设计 矢跨比比选随主缆矢跨比的减小： 主缆丝股的抗滑安全系数 K 有所增加，但增加幅度不大 对中塔截面的应力影响不大 主梁

12、挠度同步增加 主缆、锚碇的工程数量增加3. 三塔悬索桥设计 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。 矢跨比比选3. 三塔悬索桥设计 加劲梁梁高比较 加劲梁高度的变化，对活载挠度有轻微影响对其他指标基本没有影响。3. 三塔悬索桥设计 加劲梁梁高比较 梁高增大，对提高抗风稳定性十分有利。3.5m比3.0m增加的钢料有限结论：综合静动力比较，初步设计加劲梁高度取3.5m。 3. 三塔悬索桥设计 中塔基础比选 圆形沉井 矩形沉井 群桩基础 118根3.1m/2.8m钻孔灌注桩

13、。桩长105m。 长宽高58.644.5 76m直径64m,高76m3. 三塔悬索桥设计 中塔基础比选经综合比较, 圆角矩形沉井优于圆形沉井。3. 三塔悬索桥设计 中塔基础比选经综合比较, 推荐沉井方案。3. 三塔悬索桥设计 锚碇基础方案比选矩形沉井基础北锚碇52.0m58.857m；南锚碇50.0m56.851m。矩形沉井3. 三塔悬索桥设计 锚碇基础方案比选圆形沉井基础北锚外径65m，南锚外径63m，沉井高分别为57m和51m。 圆形沉井3. 三塔悬索桥设计 锚碇沉井基础方案比选矩形沉井布置紧凑，与锚碇外形良好匹配，纵向刚度大，受力合理。 结论：推荐矩形沉井基础方案。 矩形沉井与圆形沉井工

14、程数量比较(以北锚为例) 3. 三塔悬索桥设计 不同持力层沉井工程数量比较表浅埋：由于软塑的亚粘土（北锚）和稍密的粉砂（南锚）承载力太低，易沉降，不宜作为持力层。故不考虑该方案。中埋、深埋的比较：虽然深埋于中砂层的地基承载力较中埋于粉砂层要大，但由于锚碇受力的特点决定了沉井的最小平面尺寸是由基底的偏心距控制的。深埋时沉井平面尺寸为52.850m，深度65m，因此工程数量、施工难度和费用均大于中埋方案。 3. 三塔悬索桥设计 锚碇沉井埋深比选主要计算结果 锚碇沉井埋深比选3. 三塔悬索桥设计 锚碇基础方案比选地下连续墙外形尺寸与沉井相同，墙体锚固于基底以下29m（北锚）和26m（南锚）南锚墙体高

15、77m，北锚墙体高86m。3. 三塔悬索桥设计 锚碇基础方案比选结论：推荐矩形沉井基础方案。 3. 三塔悬索桥设计 主桥结构方案主要比选一览表3. 三塔悬索桥设计 支承体系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

16、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。边塔基础 北边塔46根 3.12.8m钻孔灌注桩，桩长103m， 南边塔46根 3.12.8m钻孔灌注桩，桩长98m。 承

17、台平面尺寸为78.06m 32.8m，厚6m,为哑铃状。 3. 三塔悬索桥设计 3.2 结构方案设计锚体结构 南北锚碇结构相同。 后锚体高度为18.48米，锚碇长度50.3米，后锚体横向宽度47米。3. 三塔悬索桥设计 3.2 结构方案设计南锚碇基础 南锚碇采用52.0m67.9m，沉井高41m，平面布置了20个井孔。 沉井底节8m为钢壳混凝土，其余节为钢筋混凝土。3. 三塔悬索桥设计 3.2 结构方案设计北锚碇基础 北锚沉井采用52.0m67.9m，沉井高57m，平面布置了20个井孔 沉井底节8m为钢壳混凝土，其余节为钢筋混凝土。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

18、58m 44m 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 结构方案设计中塔防撞措施 根据船舶撞击数模分析及基础防撞研究报告： 低水位斜角度撞击时，球鼻艏可能直接撞击井壁； 高水位斜角度撞击时，船舶的艏部前端结构可能直接撞击墩身 。5万吨级船舶低水位45度角撞击分析 5万吨级船舶高水位斜角度撞墩身分析 3. 三塔悬索桥设计 为避免塔身遭到大型船舶的撞击，考虑在井冒外加钢质套箱，钢质套箱的设置有以下二个方案： 中塔防撞措施 3. 三塔悬索桥设计 主要施工步骤

19、 钢沉井制造、拼装、下河 钢沉井浮运、在墩位或拼装码头处接高，墩位锚碇定位 压水着床、钢沉井井壁砼填充 沉井钢筋砼井壁接高、下沉 沉井封底、承台施工 中塔大型沉井基础施工 3. 三塔悬索桥设计 中塔大型沉井基础施工 3. 三塔悬索桥设计 中塔大型沉井基础施工 3. 三塔悬索桥设计 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 中钢塔设计3.2 结构方案设计 中塔主要构造顺桥向：

20、塔顶 6.6m 10.6m 10.6m 15.54m 6.0m 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 中钢塔设计3.2 结构方案设计 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D5：495t D5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 中钢塔设计3.2 结构方案设计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

21、了节段现场接缝数量， 加快了施工进度。3.2 结构方案设计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。中钢塔设计3.2 结构方案设计吊臂与吊重范围起吊能力与节段划分 3. 三塔悬索桥设计 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。3.2 结构方案设计为增加节段长度，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 中钢塔设计3.2 结构方案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 竖向拼接大样竖向拼接大样中钢塔设计3.2 结构方案设计 塔顶纵向不平衡力

22、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 中钢塔设计3.2 结构方案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对承台的受力较有利不采用推荐采用 塔底锚固方式构思3. 三塔悬索桥设计 中钢塔设计3.2 结构方案设计 塔柱与承台的连接 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 中钢塔设计3.2 结构方案设计上部结构主要施工流程3. 三塔悬索桥设计 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全新的大跨径桥梁结构形式 泰州大桥主桥为世界第一的21080m特大跨径三塔两跨悬索桥，是悬索桥结构体系的一次大胆创新，世界上至今尚无长大跨径的多塔连跨悬索桥建成的实例，没有现成的设计、施工经验可循，存在着大量的工程技术难题。4. 关键技