蘇通長江公路大橋總體設計

蘇通長江公路大橋總體設計

1主要施工特點蘇通長江大橋（以下簡稱蘇通大橋）位于江蘇省蘇州市和江蘇省蘇州市。下游距長江河口約108公里，上游距江陰長江公路大橋約82公里。它是國家海岸走廊的重要組成部分。蘇通大橋采用雙向六車道高速公路標準,橋梁標準寬度34m;主橋主孔通航標準為凈寬不小于891m、凈高不小于62m;采用100年10%、100年4%兩種水平抗震設防標準;橋位10m高度處100年設計重現(xiàn)期基本風速為38.9m/s;經(jīng)船舶撞擊力標準專題研究,主橋索塔基礎采用的船舶撞擊力標準為橫橋向約130MN。蘇通大橋在建設條件方面有氣象條件相對較差、水文條件復雜、基巖埋藏深、通航標準高等四大特點,在設計施工方面有超長跨及長索上部結構、高塔、大規(guī)模深水基礎等方面的特點與難點。工程由北接線、跨江大橋、南接線組成,其中,跨江大橋長8146m,由北引橋、主橋、南引橋組成。主橋采用主跨1088m雙塔雙索面斜拉橋,其跨徑布置為100m+100m+300m+1088m+300m+100m+100m=2088m,如圖1所示。2主要配套工具的結構特點(1)蘇通大橋主跨達到1088m,是世界上第一座正式實施并已建成通車的主跨超過千米的斜拉橋,也是當今世界上建成通車的最大跨度斜拉橋。(2)塔梁連接采用額定行程和阻尼抑震功能相組合的裝置系統(tǒng)。(3)根據(jù)扁平流線形鋼箱梁不同部位的受力特點,采用了不同材料規(guī)格和不同強度等級的鋼材。(4)斜拉索采用高強耐久型平行鋼絲拉索體系,其設計壽命為50年,采用的平行鍍鋅鋼絲是自主開發(fā)的?7、強度等級為1770MPa的國產(chǎn)材料。(5)斜拉索在塔上的錨固采用鋼錨箱錨固結構。(6)主塔采用131根直徑280cm/250cm變截面鉆孔灌注樁超大型群樁基礎。(7)在設置VTS船舶航行管理系統(tǒng)、采取船舶防撞主動措施條件下,主塔采用由承臺施工吊箱、變厚度封底、承臺及變截面群樁基礎組成的整體結構自身防撞系統(tǒng)。3蘇通大橋梁間及主要橫向布置對于橋梁結構來說,選擇合適的塔梁連接方式是改善結構靜動力荷載作用下內(nèi)力和位移反應,減小伸縮縫、支座等裝置的位移量和動力磨損,增加橋梁結構極限靜動力荷載作用下安全度的重要措施,這對特大跨度橋梁尤為重要。蘇通大橋主塔梁間的相互依存關系見表1。由表1可知,蘇通大橋索塔與主梁間橫向設置抗風支座、縱向設置額定行程功能的阻尼器,不設豎向支座。額定行程功能的阻尼器具有如下功效。(1)動力荷載作用時,裝置阻尼耗能,有效地減少索塔動力荷載反應;同時,將主梁縱向位移控制在額定行程內(nèi)。(2)靜力荷載作用時,主梁縱向位移不容許超出額定值;在額定行程內(nèi),裝置不約束主梁縱向位移。阻尼限位裝置系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。一個塔梁連接處安裝4個裝置,全橋共8個。4鋼箱梁設計4.1材料表面鋼箱梁鋼板厚度較大和關鍵受力區(qū)段構件,采用Q370qD鋼種,其他部位采用Q345qD鋼種。4.2主梁和標準梁段含風嘴全寬41.0m,不含風嘴頂板寬35.4m,底板寬為(9.0+23+9.0)m,中心線處高度4.0m。主梁構造如圖2所示。主梁節(jié)段標準長度16m,邊跨尾索區(qū)節(jié)段標準長度為12m。標準梁段采用橋面吊機施工,最大起吊重量約450t;邊跨梁段將幾個梁段焊接為一體后,利用大型浮吊大塊件吊裝,最大起吊長度57.9m,最大起吊重量約1300t。4.3水平子系統(tǒng)加勁肋(1)針對目前鋼箱梁頂板和橋面鋪裝病害,將加勁肋適當加高加厚,有利于提高橋面板剛度和抗疲勞性能,更好地應對重交通荷載帶來的不利因素,減少橋面鋪裝病害的發(fā)生。(2)為保證其具有足夠的抗壓屈能力,設置了2道300mm×36mm(外腹板厚36mm)、300mm×30mm(外腹板厚30mm)平板加勁肋。拉索錨固附近增設2道220mm×20mm平板加勁肋,以增大外腹板剛度。(3)為改善橫隔板的受力性能,考慮工藝可能性,設計采用對接式橫隔板。加工時,考慮設備能力,采用整體式橫隔板。(4)鋼箱梁內(nèi)設置2道縱隔板,豎向支承區(qū)、壓重區(qū)和索塔附近采用實腹板式,其他部位采用桁架式;桁架式縱隔板由T型鋼和角鋼組成,實腹板式縱隔板采用整體式。(5)為減小主梁的渦激振動,在梁底檢查車軌道的兩側設置了導流板。導流板標準段長3.9m,設2道縱向加勁肋,板厚4mm。導流板不參與橋梁受力,節(jié)段間設有100mm斷縫。5斜索設計5.1高強、低松馳絲斜拉索采用平行鋼絲拉索體系,所用鋼絲為7mm鍍鋅高強度、低松馳鋼絲,抗拉強度為1770MPa;全橋共4×34×2=272根斜拉索,最長577m,最大規(guī)格為PES7-313,單根最大質量為59t。5.2新型錨具防腐涂層要求斜拉索設計壽命為50年,并考慮其可更換性。通過下列措施提供斜拉索的耐久性能。(1)索體。采用耐久性極好的氟化膜(PVF)膠帶,索體的防護體系為:鋼絲鍍鋅+PVF膠帶+雙層熱擠聚乙烯護套。(2)針對螺母承壓式錨具,開發(fā)了新型錨具防腐涂層技術,使錨具外表面鋅層達80～120μm。(3)為了確保索體護套與錨具之間的密封性能,采用了新型密封技術。(4)進行了嚴格的水密性試驗和拉彎疲勞試驗研究。5.3振動的允許幅值由于拉索很長,自振頻率較低,在風或行車荷載的激勵下極易產(chǎn)生振動,需加以控制。斜拉索減振的目標是將拉索振動的幅度控制在可接受的范圍之內(nèi)。從滿足拉索的二次彎曲強度、疲勞強度和使用者的視覺安全三個方面考慮,確定本橋拉索振動的允許幅值控制在其長度的1/1700以內(nèi)。根據(jù)拉索減振的有關專題研究結論,為使拉索的風/雨激振和渦激振動得到抑制,蘇通大橋將采用阻尼器、氣動措施并用的綜合減振方案。要求阻尼器能夠為斜拉索提供至少3%以上的附加阻尼。6斜拉索平衡索力檢測結構及剛度斜拉索在塔上的錨固,第1～3對直接錨固在混凝土底座上,第4～34對采用鋼錨箱錨固。鋼錨箱共30節(jié)(第4、5對斜拉索錨固在同一節(jié)鋼錨箱上),每節(jié)鋼錨箱長7.118～8.517m,寬2.40m,高2.30～3.55m,鋼錨箱節(jié)段之間采用高強螺栓連接。鋼錨箱為箱形結構,由側面拉板、端部承壓板、腹板、錨板、錨墊板、橫隔板、連接板、加勁肋等構件組成。其中側面拉板主要承擔斜拉索水平拉力,板厚40mm;端部承壓板與混凝土塔壁相連,板厚30mm,寬2700mm,表面焊有剪力釘,剪力釘采用直徑22mm的圓柱頭焊釘,長200mm,水平間距200mm和100mm,豎向間距150mm。鋼錨箱水平向受力分析考慮混凝土由于徐變、收縮、裂縫等因素的影響,剛度變化很大,把鋼和混凝土作為組合結構分析時,采用了對鋼錨箱和混凝土索塔各自的最不利工況;對鋼錨箱獨立分析時,認為斜拉索平衡索力全部由錨箱承擔,不考慮混凝土參與作用。鋼錨箱豎向受力分析,根據(jù)有關剪力釘剪切試驗結果,單根22mm剪力釘在正常使用荷載下剪切剛度為220MN/m,充分考慮剪力釘實際剪切剛度與試驗值(220MN/m)可能的偏差,計算時采用了多種剪力釘剛度進行計算,包括無限剛性、220MN/m、110MN/m等值。剛度不同反映了豎向分力通過鋼錨箱和塔混凝土壁方向傳遞的比例。7索塔組堆棧結構設計7.1基礎構造設計設計充分考慮了樁—土相互作用和群樁效應的影響,通過理論分析和試驗研究,對樁的布置形式、樁基承載效率、承臺結構形式等重大關鍵技術問題進行了研究比較和優(yōu)化設計?；A構造形式見圖3。采用131根D2.8m/D2.5m鉆孔灌注樁基礎(鋼護筒內(nèi)徑2.8m),梅花形布置;樁長115m左右,按摩擦樁設計;承臺為啞鈴形,在每個塔柱下承臺平面尺寸為50.55m×48.1m,其厚度由邊緣的5m變化到到最厚處的13.324m;兩承臺之間采用12.65m×27.1m系梁相連,系梁的厚度為6m。7.2種方法計算結果對比群樁的受力按照“m”法進行計算,同時采用三維有限元建立承臺、樁的空間模型等方法進行復核,還進行了考慮樁土共同作用的數(shù)值模擬分析,并進行了離心模型試驗,以檢驗計算成果和群樁內(nèi)力分布規(guī)律。圖4表示了三種不同方法計算結果樁豎向力的橫向分配。樁-土共同作用的計算情況前面已描述;平面桿系計算結果采用“m”法計算出一排樁的剛度并進行結構模擬后用平面桿系程序進行計算得到;“m”法計算結果采用規(guī)范給定的方法進行計算得到。三種計算方法對邊界條件考慮的差異見表3。顯然,土對樁支承剛度的不均勻性的考慮是三種計算方法出現(xiàn)較大誤差的重要原因。7.3鋼護筒和樁身的安裝(1)由于地震荷載和船舶撞擊力對單樁強度要求較高,通過采用變截面樁并考慮鋼護筒作用提高了單樁強度。(2)根據(jù)結構受力和鉆孔灌注樁施工需要,索塔基礎采用2.8～2.5m變直徑鉆孔灌注樁。為減輕樁身自重,并使鋼護筒有效參與樁身的受力,樁徑2.8m段鋼護筒的內(nèi)徑即為2.8m,樁徑變化的位置和鋼護筒的埋置深度根據(jù)沖刷深度、受力要求、地質條件和施工要求綜合確定。在鋼護筒范圍之外,樁身直徑變化為2.5m。(3)為了加強基礎抵抗水平力的能力,索塔基礎樁身埋入承臺40cm,樁身頂部沿鋼護筒外周邊均勻焊接32道2根1束的直徑為32mm的Ⅲ級鋼筋以及厚度為25mm的與鋼護筒同材質鋼板伸入承臺內(nèi),以加強鋼護筒與承臺的連接。鋼護筒壁厚不小于25mm。(4)針對橋址區(qū)地層特點,通過試驗研究,采用樁底壓漿提供足夠的單樁承載力。8防船撞擊設計的基本原則蘇通大橋所在河段是航運最繁忙的長江河段之一。根據(jù)蘇通大橋實際情況,防船撞設計采取主動防撞和被動防撞相結合的原則,即建立橋區(qū)船舶航行管理系統(tǒng),對過往船舶進行有效的管理。同時,采取結構措施,有效抵御預期的設計船舶撞擊力。8.1船舶撞擊撞擊力計算方法的確定本橋在確定船舶撞擊力的計算參數(shù)時,參照了美國AASHTO規(guī)范,具體計算船舶撞擊力時,對大型海輪、大型長江駁船隊采用經(jīng)驗公式計算法、碰撞動力模擬法、瞬態(tài)非線性動力有限元分析法進行分析比較確定。經(jīng)對工況分析比較,取主塔基礎船舶撞擊力橫橋向為130MN、縱橋向65MN。8.2最高通航水位4.3m采用以主體結構自身防撞為主結合船舶航行管理系統(tǒng)輔助防撞的綜合防撞系統(tǒng)設計,并通過構造措施,利用施工用鋼吊箱和封底混凝土,使結構自身有效地抵御船舶撞擊力,取得了顯著的技術經(jīng)濟效益。對高水位狀態(tài),不利條件是最高通航水位4.3m時代表船型壓載撞擊承臺表面而繼續(xù)前移撞擊下塔柱,如圖5所示。該撞擊過程為“碰撞—擱淺—碰撞”,屬于復雜的非線性動力響應問題。計算得到船舶在撞擊承臺表面后繼續(xù)前行并撞擊下塔柱。球首對下塔柱的水平撞擊力為26MN,首樓對塔柱的水平撞擊力為14MN?？紤]上述撞擊力,對下塔柱一定高度范圍內(nèi)進行了局部加強。對低水位狀態(tài),撞擊時球首破壞有可能對封底下的樁構成威脅。為了避免外側樁不因船撞擊而破壞,并減輕結構自重,對床底標高較低的4號塔基礎考慮采用變厚度封底混凝土,即,外圈厚度為5.5m,內(nèi)圈厚度為3.0m,如圖6所示。同時,利用吊箱的厚度加大鉆孔樁的襟邊寬度,保證船舶不直接撞擊承臺和外排樁。8.3顯式非線性有限元分析分析過程類似于結構的抗震分析。船舶