都说重庆朝天门长江大桥主桥线形优美，婀娜多姿，你不服都不行

1工程概况

重庆朝天门长江大桥是连接重庆市南岸与江北两区的中央商务区、沟通长江两岸的重要通道之一,位于重庆朝天门两江(长江与嘉陵江)交汇处下游1.71km。大桥包括主桥和南北两侧引桥,全长1741m,其中主桥长932m,采用190m+552m+190m的中承式连续钢桁系杆拱桥(图1);北引桥长314m,南引桥长495m,均为预应力混凝土连续箱梁桥。

大桥采用双层交通布置,上层桥面为双向六车道和两侧人行道,桥面宽度36.5m;下层桥面中间为双线城市轻轨,两侧为双向两车道(图2)

图1朝天门长江大桥主桁布置图

图2朝天门长江大桥主断面及桥面系构造图

2设计概要

2.1桥位选址

1)实现城市路网规划构想:建立主城区东西向快速交通,便捷连接长江两岸的江北城中央商务区和弹子石中央商务区,解决其内外部交通通道,以交通建设带动两区经济发展,缓解主城区道路交通压力,逐步完善城市道路和轨道交通体系,加快北岸新城区建设,带动南岸老城区改造,促进社会和谐进步。

2)顺应自然:通过河势研究和行洪论证以及通航净空尺度和技术要求分析等,选择河道顺直、河床稳定、江面较窄、不受三峡水库蓄水后行洪和淤积影响、地质构造简单、通航安全的河段。

3)与周边协调:大桥虽在重庆机场航空飞行走廊内,但高度远远低于飞行净空限界,对飞行安全不构成威胁;大桥避开港口港池水域,对船舶作业不存在影响;桥区范围没有文物,不涉及文物保护问题。

2.2确定桥型

1)公轨两用的桥梁,结构受力复杂,需有足够的强度与刚度,在主跨跨度满足双向通航安全要求的同时,桥跨竖向变形要小。

2)桥位处于长江与嘉陵江两江交汇处的下游,既是山城重庆的门户大桥,也是乘船进入重庆主城区的第一座桥梁,景观方面桥梁造型要与朝天门弧形广场呼应,突出“门”的效果;南北中央商务区通过本桥实现陆路联系。

3)重庆主城区已经建成的桥梁中,缺少钢桁系杆拱桥,为丰富桥梁型式、实现重庆打造成为国内桥都的梦想有重要意义。

2.3主要技术标准

公路道路等级为主干道Ⅰ级;设计行车速度为60km/h;桥面车道布置为上层桥面双向6车道,下层桥面双向2车道;道路净空高度≥5m;一个车道宽度为3.75m;人行道宽度为2×2.5m;轨道交通标准为双向轨道交通,线间距4.2m;设计行车速度为80～100km/h;轨道交通限界为净宽≥9.2m,轨顶以上净高≥6.5m;设计基准年限为100年。

2.4设计荷载

2.4.1永久荷载上层桥面铺装为22kN/m;下层桥面铺装为12kN/m;上层桥面护栏为1.35kN/m;下层桥面护栏为2.7kN/m;人行道铺装为0.6kN/m;人行道栏杆为1.0kN/m;下层轨道交通明桥面(含检查走道)为8.0kN/m。

2.4.2可变荷载汽车荷载:计算荷载为公路-Ⅰ级,并按照城-A荷载验算。轨道交通荷载:采用B型地铁车,5辆车编组,车辆最大轴重P=140kN。

群荷载:总体计算时荷载集度采用2.5kN/m2,人行道局部构件计算时荷载集度采用4.0kN/m2。

风荷载:设计风速按照平均最大风速为26.7m/s。温度荷载:设计为最高45℃,最低-5℃,体系温度按20℃计,温差按照±25℃考虑。偶然荷载:地震基本烈度为Ⅵ度,结构物按Ⅶ度设防。

2.5结构设计

2.5.1结构总体布置

考虑通航孔双向通航条件,主桥为190m+552m+190m三跨连续钢桁系杆拱桥,中间主跨通航,两侧边跨不通航,钢梁全长934.1m(包括端纵梁),全宽36.5m,主梁采用两片主桁,桁宽29m,两侧边跨为变高度桁梁,中跨为钢桁系杆拱。拱顶至中间支点高度为142m,拱肋下弦线形采用二次抛物线,其矢高为128m,矢跨比为1/4.3125;拱肋上弦部分线形也采用二次抛物线,并与边跨上弦之间采用R=700m的圆曲线进行过渡。

边跨节间布置为8×12m+1×14m+5×16m,中跨节间布置为5×16m+2×14m+28×12m+2×14m+5×16m,中跨布置有上下两层系杆,其中心间距为11.83m,上系杆不贯通主桁,仅与拱肋下弦相连接,下系杆与加劲腿处中弦及边跨下弦贯通。上层系杆采用“H”形断面,下层系杆采用“王”形断面+辅助系索的组合结构,钢结构系杆端部与拱肋下弦节点相连接,下层辅助系索锚固于系杆端节点处。设置辅助系索的目的在于降低下层钢结构系杆杆力,使杆件设计尺寸及板厚控制在适当范围之内,减少用钢量,取得较好的经济技术指标。

2.5.2支承体系拱桥

按照外部结构支承体系可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱3种,其中三铰拱为静定结构,结构计算最为简单,但由于其结构整体刚度相对偏小,因此一般工程结构设计中多采用后两者。朝天门长江大桥主桥边支点布置均采用纵向活动铰支座,中间支点一侧采用固定铰支座,另一侧采用活动铰支座,为典型的两铰拱结构支承体系。结构通过中跨上下层桥面设置的系杆来平衡拱的推力,使得两座主墩不承受水平推力,构成无推力中承式钢桁架系杆拱桥。纵向支承体系布置为江北侧中支点(P7墩)设置固定铰支座,其余各墩均设置活动铰支座;横向支承体系布置为中支点均设置固定支座,边支点设置横向活动支座,边支点下横梁中心设置两个横向限位支座。采用两铰拱支承结构方案,具有上下部结构体系受力明确、对基础不产生推力、温度力对结构影响很小、施工期间可对结构进行位移调整而不影响结构受力等优点,但需要设置大吨位支座。

2.5.3上下弦拱杆件及构造

主桁采用变高度的“N”形桁式,拱肋桁架跨中桁高变化幅度较大,为使腹杆布局合理同时考虑主桁景观的协调性,全桥采用变节间布置,共有12m,14m,16m三种节间形式。主桁弦杆为焊接箱形截面,截面宽度有1200mm和1600mm两种,截面高1240～1840mm,板厚24～50mm。杆件按照四面拼接设计,拼接处杆件高度、宽度均相同,不同宽度和高度杆件之间采用变宽(高)度设计,对于同一杆件,宽度和高度不同时变化。腹杆采用箱形、“H”形及“王”形截面,箱形截面高1240～1440mm,板厚24～50mm;“H”形及“王”形截面高700～1100mm,板厚16～50mm,杆件端部按照两面拼接设计。主桁杆件所采用的最大板件厚度50mm,最大长度44m,最大安装吊重80t。

2.5.4桥面桁式

朝天门长江大桥采用双层桥面布置,设计上对于用吊杆吊挂在钢桁拱肋上的中跨桥面,其主桁采用上下平行弦系杆结构,依靠竖杆联结上下节点,不设置斜腹杆,与大桥主桁形成刚性拱柔性梁体系。这种结构形式具有系杆杆力均匀、利于结构设计与制造、下层桥面行车遮挡少、景观效果好、较设置斜腹杆方案节省材料的优点。对于上述之外的主桁加劲弦及其外侧的边跨范围的桥面,设计上将桥面通过桥面横梁直接与主拱桁梁联结。上层系杆采用焊接“H”形截面,高1500mm,宽1200mm,板厚50mm;下层系杆采用焊接“王”形截面,截面高1700mm,宽1600mm,板厚50mm。

2.5.5主桁节点构造

钢桁架桥梁主桁节点构造形式主要有拼装式节点和整体节点两种,其特点参见表1。

表1主桁节点构造形式比较表

这两种节点形式在国内钢桁梁中均有较多的应用实例,制造技术均较为成熟。结合朝天门大桥的技术特点,为降低制造难度、节省工程投资,设计上优先考虑采用拼装式节点。但由于中间支承节点受力非常集中,相邻杆件尺寸和板厚均较大,采用整体节点可以大大减小节点板尺寸。因此主桁节点在设计上除中间支承节点(E15)采用整体节点外,其余均采用拼装式节点。节点板最大厚度80mm(E15节点),最大规格为5570mm×7620mm(E18节点)。

2.5.6桥面系

上层行车道和下层两侧行车道桥面采用正交异性钢桥面板,桥面板厚16mm,采用“U”形闭口肋。沿纵桥向设置横隔板,其间距不大于3m;沿横桥向:上层行车道布置6道纵梁,下层两侧行车道每侧布置2道纵梁;在主桁节点处设置一道横梁。下层桥面中间轻轨双向通行区段采用纵、横梁体系,其横梁与两侧钢桥面板横梁共为一体,共设置两组轻轨纵梁,其中心间距为4.2m,每组轻轨纵梁由两片纵梁组成,两片纵梁通过平联和横联连为一体,纵梁端部通过鱼形板和连接角钢与横梁连接。上层桥面在主桁节点外侧设置人行道托架,上置“∏”形正交异性钢人行道板。

2.5.7联结系

下层桥面平纵联为交叉型设置,杆件采用焊接“工”形构件,下层桥面横梁同时作为下平联的撑杆。因主桁桁宽远大于节间长,为避免平联斜杆夹角过小,拱肋上、下弦平纵联采用菱形桁式,加劲弦平纵联采用“K”形桁式。由于相邻节间的平联间均存在一定的夹角,平联节点板采用弯折方式进行过渡。主桁拱肋每两个节间设置一副桁架式横联,位于拱肋上下平纵联“米”字形形心处,可增强拱肋的空间刚度同时大大减小平联斜杆的计算自由长度;加劲弦区段每个节间均设置一副桁架式横联。

2.5.8大吨位支座

朝天门长江大桥主桥中间支点最大支点反力达145000kN,所采用的大吨位支座是目前国内外承载力最大的支座,要求材料等级高、加工工艺精细,需要通过一系列科研、试验,确保大吨位支座的正常使用,是本桥的主要技术特点和难点之一。大吨位支座目前在国内外均有较多的工程应用实例,已知投入使用的铸钢铰轴支座最大支座承载力达134000kN(日本港大桥)、球型支座最大支座承载力达130000kN(沈阳富民桥),均接近本桥的技术要求,为本桥大吨位支座的采用提供了经验,承载力达145000kN的大吨位支座在技术上是完全可行的。目前国内外承载力在100000kN以上的支座主要有两种形式,一种是传统的铸钢铰轴支座,另一种是新型的球形支座。两种支座各有其技术特点,现分析参见表2。

表2支座技术特点分析

本桥的总体布置上对支座的建筑高度要求较为严格,如支座建筑高度过大,势必要降低支座下座板高程,有可能受到洪水浸袭,同时综合考虑安装能力和工程造价等因素,确定采用球形支座。

2.6结构分析

2.6.1结构平面受力分析[7]结构平面受力分析采用中铁大桥勘测设计院有限公司编制的程序SCDS进行计算,按照平面杆系仅对主桁结构进行建模,同时考虑杆件的刚度。主要计算成果详见表3。

表3结构平面静力计算成果

由表3的分析成果可以看出:

1)对于本桥所设置的双层系杆来说,起主要作用的仍然是下层系杆,而上层系杆拉力尚不到系杆总拉力的30%;

2)结构中跨静活载作用下的挠跨比(1/1730)远小于规范的规定值(1/800)。因此,可以认为,钢桁拱桥一般具有较大的结构竖向刚度,结构竖向刚度不是其控制结构设计的主要因素。

2.6.2结构静力稳定性分析

本桥的结构稳定性计算采用空间有限元法进行,有限单元法采用通用的空间分析程序ANSYS进行计算。计算模型按照结构构件的空间布置进行模拟,所有构件均采用空间梁单元,对于上下层桥面板,将其刚度与质量等效分配到纵横梁上,模型边界条件按照成桥支承体系设置,结构空间计算模型参见图3。

图3主桥结构空间计算模型

结构静力稳定性分析结果表明成桥状态的稳定安全系数为6.8,满足规范中的有关规定,主桥成桥状态失稳模态图见图4。

图4主桥成桥状态计算结果和失稳模态图

2.6.3结构动力特性分析

结构动力特性分析采用与静力稳定性分析相同的模型。主要分析成果详见表4。扭弯频率比ε=f11/f2=2.42。

表4主桥成桥状态动力特性

2.7钢梁的防腐涂装

钢梁的防腐涂装主要参照采用《铁路钢桥保护涂装》(TB/T1527-2004)中的有关涂装体系,并对部分涂装体系的油漆种类、涂装道数和干膜厚度进行适当调整。钢梁主体结构所采用的涂装体系详见表5。

表5钢梁主体结构防腐涂装体系

2.8钢梁的安装

边跨采用部分膺架结合临时墩的伸臂法架设。安装时首先利用墩旁塔吊在膺架上架设两个节间的钢梁,并在钢梁上弦拼装架梁吊机,然后利用架梁吊机结合临时墩分别伸臂36m,50m,80m架设钢梁至中间墩,伸臂架设时在锚跨适当压重,以保证抗倾覆安全系数大于1.3。

中跨采用两侧对称的全伸臂辅以吊索塔架的施工方法,在跨中合拢。中跨安装时钢梁先整体安装至108m,随后仅架设拱肋桁架及吊杆直至跨中合拢。吊索塔架高100m,共设两层拉索,前索锚固点分别位于144m和216m,后索锚固点分别位于166m和178m,塔架顶部锚固点间距2m。

中跨伸臂架设过程中还对边跨端部48m范围内进行逐步压重,以保证抗倾覆安全系数大于1.3。拱肋桁架合拢时先合拢下弦再合拢上弦。待拱肋跨中合拢后,安装临时系杆并张拉,完成结构的体系转换,然后逆序逐根撤除拉索及吊索塔架,架梁吊机同时后撤。再利用桥面吊机在上层桥面走行,逐节间安装其余上、下层系杆和上层桥面横梁直至跨中合拢,系杆中跨合拢时先合拢上系杆再合拢下系杆,系杆合拢完成后拆除临时系杆。然后桥面吊机由跨中后撤并逐节间吊装下层桥面横梁、平联、轻轨纵梁和上、下层钢桥面板。

为部分消除钢桥面板与主桁的共同作用影响,此前所安装的钢桥面板与横梁之间均采用临时连接,全部主构件安装完成后再进行钢桥面板与横梁之间的正式连接。主结构安装完成后安装并张拉辅助系索。全桥附属结构、桥面铺装等全部完成后,辅助系索和吊杆进行全面调索并达到设计要求。

3结语

若干年以前,我国在拱桥建设方面主要还是以建造石拱桥和钢筋混凝土拱桥为主,近年来,钢管混凝土拱桥和钢箱梁拱桥得到广泛应用,随着科学技术的进步和经济实力的增强,造型更加美观实用的超大型钢桁系杆拱桥逐步得到应用,如今朝天门长江大桥已成为世界上跨度最大拱桥,能够很好地造福重庆人民,也一定会在国内外拱桥建设史上重重写下一笔,谱写新的篇章。