1工程概況
重慶朝門長江大橋是連接重慶市南岸與江北兩區的中央商務區、溝通長江兩岸的重要通道之一,位于重慶朝天門兩江(長江與嘉陵江)交匯處下游1.71km。大橋包括主橋和南北兩側引橋,全長1741m,其中主橋長932m,采用190m+552m+190m的中承式連續鋼桁系桿拱橋(圖1);北引橋長314m,南引橋長495m,均為預應力混凝土連續箱梁橋。
大橋采用雙層交通布置,上層橋面為雙向六車道和兩側人行道,橋面寬度36.5m;下層橋面中間為雙線城市輕軌,兩側為雙向兩車道(圖2)
圖1朝天門長江大橋主桁布置圖
圖2朝天門長江大橋主斷面及橋面系構造圖
2設計概要
2.1橋位選址
1)實現城市路網規劃構想:建立主城區東西向快速交通,便捷連接長江兩岸的江北城中央商務區和彈子石中央商務區,解決其內外部交通通道,以交通建設帶動兩區經濟發展,緩解主城區道路交通壓力,逐步完善城市道路和軌道交通體系,加快北岸新城區建設,帶動南岸老城區改造,促進社會和諧進步。
2)順應自然:通過河勢研究和行洪論證以及通航凈空尺度和技術要求分析等,選擇河道順直、河床穩定、江面較窄、不受三峽水庫蓄水后行洪和淤積影響、地質構造簡單、通航安全的河段。
3)與周邊協調:大橋雖在重慶機場航空飛行走廊內,但高度遠遠低于飛行凈空限界,對飛行安全不構成威脅;大橋避開港口港池水域,對船舶作業不存在影響;橋區范圍沒有文物,不涉及文物保護問題。
2.2確定橋型
1)公軌兩用的橋梁,結構受力復雜,需有足夠的強度與剛度,在主跨跨度滿足雙向通航安全要求的同時,橋跨豎向變形要小。
2)橋位處于長江與嘉陵江兩江交匯處的下游,既是山城重慶的門戶大橋,也是乘船進入重慶主城區的第一座橋梁,景觀方面橋梁造型要與朝天門弧形廣場呼應,突出“門”的效果;南北中央商務區通過本橋實現陸路聯系。
3)重慶主城區已經建成的橋梁中,缺少鋼桁系桿拱橋,為豐富橋梁型式、實現重慶打造成為國內橋都的夢想有重要意義。
2.3主要技術標準
公路道路等級為主干道Ⅰ級;設計行車速度為60km/h;橋面車道布置為上層橋面雙向6車道,下層橋面雙向2車道;道路凈空高度≥5m;一個車道寬度為3.75m;人行道寬度為2×2.5m;軌道交通標準為雙向軌道交通,線間距4.2m;設計行車速度為80～100km/h;軌道交通限界為凈寬≥9.2m,軌頂以上凈高≥6.5m;設計基準年限為100年。
2.4設計荷載
2.4.1永久荷載上層橋面鋪裝為22kN/m;下層橋面鋪裝為12kN/m;上層橋面護欄為1.35kN/m;下層橋面護欄為2.7kN/m;人行道鋪裝為0.6kN/m;人行道欄桿為1.0kN/m;下層軌道交通明橋面(含檢查走道)為8.0kN/m。
2.4.2可變荷載汽車荷載:計算荷載為公路-Ⅰ級,并按照城-A荷載驗算。軌道交通荷載:采用B型地鐵車,5輛車編組,車輛最大軸重P=140kN。
群荷載:總體計算時荷載集度采用2.5kN/m2,人行道局部構件計算時荷載集度采用4.0kN/m2。
風荷載:設計風速按照平均最大風速為26.7m/s。溫度荷載:設計為最高45℃,最低-5℃,體系溫度按20℃計,溫差按照±25℃考慮。偶然荷載:地震基本烈度為Ⅵ度,結構物按Ⅶ度設防。
2.5結構設計
2.5.1結構總體布置
考慮通航孔雙向通航條件,主橋為190m+552m+190m三跨連續鋼桁系桿拱橋,中間主跨通航,兩側邊跨不通航,鋼梁全長934.1m(包括端縱梁),全寬36.5m,主梁采用兩片主桁,桁寬29m,兩側邊跨為變高度桁梁,中跨為鋼桁系桿拱。拱頂至中間支點高度為142m,拱肋下弦線形采用二次拋物線,其矢高為128m,矢跨比為1/4.3125;拱肋上弦部分線形也采用二次拋物線,并與邊跨上弦之間采用R=700m的圓曲線進行過渡。
邊跨節間布置為8×12m+1×14m+5×16m,中跨節間布置為5×16m+2×14m+28×12m+2×14m+5×16m,中跨布置有上下兩層系桿,其中心間距為11.83m,上系桿不貫通主桁,僅與拱肋下弦相連接,下系桿與加勁腿處中弦及邊跨下弦貫通。上層系桿采用“H”形斷面,下層系桿采用“王”形斷面+輔助系索的組合結構,鋼結構系桿端部與拱肋下弦節點相連接,下層輔助系索錨固于系桿端節點處。設置輔助系索的目的在于降低下層鋼結構系桿桿力,使桿件設計尺寸及板厚控制在適當范圍之內,減少用鋼量,取得較好的經濟技術指標。
2.5.2支承體系拱橋
按照外部結構支承體系可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱3種,其中三鉸拱為靜定結構,結構計算最為簡單,但由于其結構整體剛度相對偏小,因此一般工程結構設計中多采用后兩者。朝天門長江大橋主橋邊支點布置均采用縱向活動鉸支座,中間支點一側采用固定鉸支座,另一側采用活動鉸支座,為典型的兩鉸拱結構支承體系。結構通過中跨上下層橋面設置的系桿來平衡拱的推力,使得兩座主墩不承受水平推力,構成無推力中承式鋼桁架系桿拱橋。縱向支承體系布置為江北側中支點(P7墩)設置固定鉸支座,其余各墩均設置活動鉸支座;橫向支承體系布置為中支點均設置固定支座,邊支點設置橫向活動支座,邊支點下橫梁中心設置兩個橫向限位支座。采用兩鉸拱支承結構方案,具有上下部結構體系受力明確、對基礎不產生推力、溫度力對結構影響很小、施工期間可對結構進行位移調整而不影響結構受力等優點,但需要設置大噸位支座。
2.5.3上下弦拱桿件及構造
主桁采用變高度的“N”形桁式,拱肋桁架跨中桁高變化幅度較大,為使腹桿布局合理同時考慮主桁景觀的協調性,全橋采用變節間布置,共有12m,14m,16m三種節間形式。主桁弦桿為焊接箱形截面,截面寬度有1200mm和1600mm兩種,截面高1240～1840mm,板厚24～50mm。桿件按照四面拼接設計,拼接處桿件高度、寬度均相同,不同寬度和高度桿件之間采用變寬(高)度設計,對于同一桿件,寬度和高度不同時變化。腹桿采用箱形、“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,桿件端部按照兩面拼接設計。主桁桿件所采用的最大板件厚度50mm,最大長度44m,最大安裝吊重80t。
2.5.4橋面桁式
朝天門長江大橋采用雙層橋面布置,設計上對于用吊桿吊掛在鋼桁拱肋上的中跨橋面,其主桁采用上下平行弦系桿結構,依靠豎桿聯結上下節點,不設置斜腹桿,與大橋主桁形成剛性拱柔性梁體系。這種結構形式具有系桿桿力均勻、利于結構設計與制造、下層橋面行車遮擋少、景觀效果好、較設置斜腹桿方案節省材料的優點。對于上述之外的主桁加勁弦及其外側的邊跨范圍的橋面,設計上將橋面通過橋面橫梁直接與主拱桁梁聯結。上層系桿采用焊接“H”形截面,高1500mm,寬1200mm,板厚50mm;下層系桿采用焊接“王”形截面,截面高1700mm,寬1600mm,板厚50mm。
2.5.5主桁節點構造
鋼桁架橋梁主桁節點構造形式主要有拼裝式節點和整體節點兩種,其特點參見表1。
表1主桁節點構造形式比較表
這兩種節點形式在國內鋼桁梁中均有較多的應用實例,制造技術均較為成熟。結合朝天門大橋的技術特點,為降低制造難度、節省工程投資,設計上優先考慮采用拼裝式節點。但由于中間支承節點受力非常集中,相鄰桿件尺寸和板厚均較大,采用整體節點可以大大減小節點板尺寸。因此主桁節點在設計上除中間支承節點(E15)采用整體節點外,其余均采用拼裝式節點。節點板最大厚度80mm(E15節點),最大規格為5570mm×7620mm(E18節點)。
2.5.6橋面系
上層行車道和下層兩側行車道橋面采用正交異性鋼橋面板,橋面板厚16mm,采用“U”形閉口肋。沿縱橋向設置橫隔板,其間距不大于3m;沿橫橋向:上層行車道布置6道縱梁,下層兩側行車道每側布置2道縱梁;在主桁節點處設置一道橫梁。下層橋面中間輕軌雙向通行區段采用縱、橫梁體系,其橫梁與兩側鋼橋面板橫梁共為一體,共設置兩組輕軌縱梁,其中心間距為4.2m,每組輕軌縱梁由兩片縱梁組成,兩片縱梁通過平聯和橫聯連為一體,縱梁端部通過魚形板和連接角鋼與橫梁連接。上層橋面在主桁節點外側設置人行道托架,上置“∏”形正交異性鋼人行道板。
2.5.7聯結系
下層橋面平縱聯為交叉型設置,桿件采用焊接“工”形構件,下層橋面橫梁同時作為下平聯的撐桿。因主桁桁寬遠大于節間長,為避免平聯斜桿夾角過小,拱肋上、下弦平縱聯采用菱形桁式,加勁弦平縱聯采用“K”形桁式。由于相鄰節間的平聯間均存在一定的夾角,平聯節點板采用彎折方式進行過渡。主桁拱肋每兩個節間設置一副桁架式橫聯,位于拱肋上下平縱聯“米”字形形心處,可增強拱肋的空間剛度同時大大減小平聯斜桿的計算自由長度;加勁弦區段每個節間均設置一副桁架式橫聯。
2.5.8大噸位支座
朝天門長江大橋主橋中間支點最大支點反力達145000kN,所采用的大噸位支座是目前國內外承載力最大的支座,要求材料等級高、加工工藝精細,需要通過一系列科研、試驗,確保大噸位支座的正常使用,是本橋的主要技術特點和難點之一。大噸位支座目前在國內外均有較多的工程應用實例,已知投入使用的鑄鋼鉸軸支座最大支座承載力達134000kN(日本港大橋)、球型支座最大支座承載力達130000kN(沈陽富民橋),均接近本橋的技術要求,為本橋大噸位支座的采用提供了經驗,承載力達145000kN的大噸位支座在技術上是完全可行的。目前國內外承載力在100000kN以上的支座主要有兩種形式,一種是傳統的鑄鋼鉸軸支座,另一種是新型的球形支座。兩種支座各有其技術特點,現分析參見表2。
表2支座技術特點分析
本橋的總體布置上對支座的建筑高度要求較為嚴格,如支座建筑高度過大,勢必要降低支座下座板高程,有可能受到洪水浸襲,同時綜合考慮安裝能力和工程造價等因素,確定采用球形支座。
2.6結構分析
2.6.1結構平面受力分析[7]結構平面受力分析采用中鐵大橋勘測設計院有限公司編制的程序SCDS進行計算,按照平面桿系僅對主桁結構進行建模,同時考慮桿件的剛度。主要計算成果詳見表3。
表3結構平面靜力計算成果
由表3的分析成果可以看出:1)對于本橋所設置的雙層系桿來說,起主要作用的仍然是下層系桿,而上層系桿拉力尚不到系桿總拉力的30%;2)結構中跨靜活載作用下的撓跨比(1/1730)遠小于規范的規定值(1/800)。因此,可以認為,鋼桁拱橋一般具有較大的結構豎向剛度,結構豎向剛度不是其控制結構設計的主要因素。
2.6.2結構靜力穩定性分析
本橋的結構穩定性計算采用空間有限元法進行,有限單元法采用通用的空間分析程序ANSYS進行計算。計算模型按照結構構件的空間布置進行模擬,所有構件均采用空間梁單元,對于上下層橋面板,將其剛度與質量等效分配到縱橫梁上,模型邊界條件按照成橋支承體系設置,結構空間計算模型參見圖3。
圖3主橋結構空間計算模型
結構靜力穩定性分析結果表明成橋狀態的穩定安全系數為6.8,滿足規范中的有關規定,主橋成橋狀態失穩模態圖見圖4。
圖4主橋成橋狀態計算結果和失穩模態圖
2.6.3結構動力特性分析
結構動力特性分析采用與靜力穩定性分析相同的模型。主要分析成果詳見表4。扭彎頻率比ε=f11/f2=2.42。
表4主橋成橋狀態動力特性
2.7鋼梁的防腐涂裝
鋼梁的防腐涂裝主要參照采用《鐵路鋼橋保護涂裝》(TB/T1527-2004)中的有關涂裝體系,并對部分涂裝體系的油漆種類、涂裝道數和干膜厚度進行適當調整。鋼梁主體結構所采用的涂裝體系詳見表5。
表5鋼梁主體結構防腐涂裝體系
2.8鋼梁的安裝
邊跨采用部分膺架結合臨時墩的伸臂法架設。安裝時首先利用墩旁塔吊在膺架上架設兩個節間的鋼梁,并在鋼梁上弦拼裝架梁吊機,然后利用架梁吊機結合臨時墩分別伸臂36m,50m,80m架設鋼梁至中間墩,伸臂架設時在錨跨適當壓重,以保證抗傾覆安全系數大于1.3。
中跨采用兩側對稱的全伸臂輔以吊索塔架的施工方法,在跨中合攏。中跨安裝時鋼梁先整體安裝至108m,隨后僅架設拱肋桁架及吊桿直至跨中合攏。吊索塔架高100m,共設兩層拉索,前索錨固點分別位于144m和216m,后索錨固點分別位于166m和178m,塔架頂部錨固點間距2m。
中跨伸臂架設過程中還對邊跨端部48m范圍內進行逐步壓重,以保證抗傾覆安全系數大于1.3。拱肋桁架合攏時先合攏下弦再合攏上弦。待拱肋跨中合攏后,安裝臨時系桿并張拉,完成結構的體系轉換,然后逆序逐根撤除拉索及吊索塔架,架梁吊機同時后撤。再利用橋面吊機在上層橋面走行,逐節間安裝其余上、下層系桿和上層橋面橫梁直至跨中合攏,系桿中跨合攏時先合攏上系桿再合攏下系桿,系桿合攏完成后拆除臨時系桿。然后橋面吊機由跨中后撤并逐節間吊裝下層橋面橫梁、平聯、輕軌縱梁和上、下層鋼橋面板。
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