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1、r 重庆菜园坝长江大桥设计关键技术剖析 摘 要： 文章着重介绍重庆菜园坝长江大桥主桥设计在各种外在影响因素下的设计构思，以全新的设计理念，提出一种把场地条件、功能需求、材料特性、结构受力、景观需求自然融合的刚构、钢桁梁、系杆拱组合结构的创新体系，并介绍其主要关键技术。 关键词： 公轨两用；刚构；钢桁梁；系杆拱；组合结构 1 工程概况 重庆菜园坝长江大桥工程是 1996 年国务院批准的重庆市总体规划中拟在“十五” 期间修建的一座特大型城市桥梁，是重庆市“半小时主城”控制工程。工程地处重庆市主城区中心地带，北接渝中区两路口中山三路和重庆火车站广场前的菜园坝各条道路，南接南岸区苏家坝的海铜路，并通过
2、引道、隧道连接南岸腹心高新区大石路立交。大桥工程由主桥、南北引桥、菜园坝立交、苏家坝立交、南城隧道等几部分组成，路线全长 4000 米，大桥总投资约 20 亿。其中 800 米长的刚构、钢桁梁、钢箱系杆拱组合结构主桥是大桥工程的重要组成部分，是一座公、轨两用的特大桥梁，主桥通行荷载为六车道公路交通和双线轨道交通，另在桥面两侧各设有 2.5 米宽人行道。 大桥主桥主要设计技术标准： 行车速度：公路车辆 V=60km/h；轨道交通 V=75km/h 桥面宽度：桥面净宽 B=2.5+12.25+1.0+12.25+2.5=30. 5m 轨道交通下层通行，净宽 B=8.6m 设计荷载：城市 A 级；跨
3、座式单轨列车 352t；人群 2.4kN/m2 替换词语烈度：基本烈度度，按度设防 设计基准年限：100 年 2 方案设计的影响因素 菜园坝大桥地处重庆市区繁华地段，需衔接的路线接口多，且与石板坡长江大桥和鹅公岩长江大桥相邻，所选桥型除满足通航及交通运输功能外，还应要求结构新颖、外型美观，同时也应与城市环境相协调，能够与路网总体规划相衔接，能够适应今后的轨道交通过江需求。 2.1 通航净空的影响 菜园坝长江大桥桥孔通航等级按国家天然河道级标准设计。大桥所处河段航道弯曲、分汊，洪枯水位落差 20 余米，水流向变化大，并与石板坡长江大桥相距较近，通航条件不理想，桥跨及桥墩位置的确定至关重要。桥位河
4、床深泓区靠近南岸河岸，北岸大部分为河滩，枯水季节的水面宽在南岸的 300 米范围内，而中、洪水季节，江面宽阔。根据枯、中、洪水位航迹线及水流流向调查资料，上行船只靠南岸岸边行走，下行船只则在离南岸 280350 米区域行走，并且上下行船只在菜园坝大桥与石板坡大桥之间交叉行走。因此，在通航净宽方面，大桥的跨径不宜太小，墩位不应布在航迹线附近，以防船只碰撞桥墩。根据桥位通航净空论证，大桥主跨不宜小于 400 米。 在通航净高方面，主桥桥面设计高程从 135.0 米以 0.59纵坡向南延伸，而河床呈宽平的“” 型断面，河滩区高程约 163 米，常年水位变化约在 162182 米范围，设计通航水位（2
5、0 年一遇）为 189.33 米，桥下通航净高富裕。 2.2 轨道交通三号线的影响 轨道交通三号线南起二塘，北接龙头寺火车站，是重庆主城区南北向的轨道交通干线，双线通行。根据大桥工程可行性研究从运营安全性、施工难易性、工程投资、大桥景观、线路走向与高程等方面进行的综合研究结果，轨道交通将以菜园坝长江大桥为过江载体，两个工程共建，且公路交通上层通行、轨道交通下层通行，形成公轨两用的特大跨径桥梁工程。 2.3 景观的影响 菜园坝长江大桥下游约 1.2 公里处有石板坡长江大桥，为主跨 174 米的 T 型刚构桥；上游约 3 公里处有鹅公岩长江大桥，为主跨 600 米的钢箱梁悬索桥。另外重庆市区内长江
6、、嘉陵江两江上还有双塔斜拉桥、独塔斜拉桥、连续刚构桥、钢桁架连续梁桥等桥型。新建大桥在力求采用新桥型、新结构、新材料的基础上，必须体现良好的景观效果，要能适应周边环境，要与上下游两桥相协调，要能体现现代城市风貌，成为城市标志性建筑。另外在任何水位涨落状况下，大桥能表现完美的景观效果。 3 方案设计 3.1 设计构思 根据通航净空的描述以及大桥为公轨两用且轨道交通下层通行的特点，方案设计中确定了大桥主跨为 420 米，主梁结构为透空的钢桁架结构，使轨道交通的乘客过江时有开阔的视野和明亮的光线。由此基本的使用功能和桥位的基本通航条件，进行方案的总体构思。 1）目前，在重庆市区长江和嘉陵江两江上众多
7、桥型中，还没有一座大跨径拱桥，在经济、技术有一定可比性的条件下，选择拱式结构必定为两江增辉。但常规有推力拱桥水平推力大，需设置庞大的桥墩，扰流碍航，在水位落差巨大且不能一跨过江的重庆长江段不适宜。若采用无推力拱桥，则能有效解决此问题，且外形上能与引桥梁式结构协调衔接。因此，选择了中承式系杆拱桥为基本方案。 2）由于本桥是轨道交通和城市道路交通的混合交通结构，其先决条件必须满足轨道交通在变形上极其苛刻的要求，而且轨道交通与公路交通分为两层，公路交通在上层，轨道交通在下层，其结果必定要采用一个有足够高度和刚度的主梁。为了让轨道交通的乘客在过江时有宽阔的视野并能欣赏江面景色，设计采用了开敞的钢桁架梁
8、结构。 3）为满足轨道交通通行的净空需要，主梁梁高需大于 11 米，这就形成了刚度很大的连续主梁结构。由于主梁的自身刚度大，作为共同参与受力的拱结构的刚度要求就可以降低，所以，大桥的拱肋可以做得相对柔弱；另外，如果主梁和拱都采用桁架结构，大桥外型就会显得杆件零乱，扰乱江面的视觉景观。因此，拱肋设计为断面纤秀的等截面提篮式钢箱拱肋。采用钢箱拱肋，还能减轻拱肋自重、方便施工、缩短工期。 4）一般的中承式拱的边跨设有立柱以支承主梁的重量，这些立柱，由于是压杆，外形往往粗大笨重。如果能把立柱去掉，边跨透视空间会更明朗，全桥更加轻盈。由于菜园坝大桥主梁高度大于 11 米，依一般设计概念，11 米高的主梁
9、可允许约 220 米的跨径满足变形要求。因此，在满足边、中跨布跨协调的前提下，控制好边跨跨径，设计上取消桥面下的拱上立柱。 （见图 1） 图 1. 边跨无拱上立柱区示意 5）在去掉桥面下的拱上立柱后，桥面下的中、边跨拱段可改为直线，成 V 字形，看起来更协调、稳定。再采用预应力混凝土结构，并与桥墩连接为整体，通过两端部张拉水平系杆，将使之成为一个稳定的 Y 型刚构，刚劲有力。同时，混凝土材料又能最大限度地发挥其耐久、耐压、经济的特点，使刚构部分便于常规施工、巨大的体量有利于提高结构防撞能力，在水位不断涨落下不需要象钢结构一样进行特别养护，也不影响大桥整体景观。同时，对桥面上的中跨钢箱拱也设置水
10、平系杆，这就实现了无推力的中承式系杆拱结构。 6）由上述构思而产生出重庆菜园坝长江大桥主桥方案，一座主跨 420 米、两边带有 88 米侧跨和 102 米边跨、总长 800米的公轨两用的刚构、钢桁梁、钢箱系杆拱组合结构，属无推力结构体系。从外型上看与常规中承式拱桥类似，然则其突出的特点在于结构主体是由三个子结构组成，即由一对预应力混凝土 Y 型刚构边跨和一个 320 米的钢箱提篮拱中跨组成的组合结构。三个相对分离的子结构通过中跨系杆和边跨系杆连接成主跨 420 米的系杆拱桥，这在大跨径拱桥的实际应用中属首次应用，这种刚构、钢箱系杆拱组合结构体系可最大限度地利用混凝土材料所具有的耐久、耐压、经济
11、的特性和钢材所具有的轻质、高强的特性，把合理的小跨结构组合成大跨结构，使安全、实用、经济、美观的设计思想得以充分体现。结构简洁、舒畅，是场地条件、功能需求、材料特性、结构受力、景观协调自然结合的产物。为平衡“Y”型刚构段的钢桁主梁的内力及挠度，两岸各延伸一跨 88 米侧跨，并使钢桁主梁连续。 （见图 2） 图 2. 大桥方案总体布置 3.2 施工方法及施工流程 大桥基础以上主体结构可分为混凝土墩身及 Y 型刚构、钢桁主梁、钢箱拱肋三大部分。混凝土墩身采用常规滑模施工，刚构采用搭设支架现浇混凝土施工，钢桁主梁及钢箱拱肋则采用缆索吊装设备分段吊运安装，以成熟的常规桥梁施工方法即可实现这种新型桥梁的
12、建设。大桥施工流程如下： 1) 施工桥墩基础及墩身、刚构横梁； 2) 架设吊装钢桁梁、拱肋所需的塔架、承载绳、牵引绳、起重设备；架设 Y 型刚构及边、侧跨主桁梁临时支架； 3）支架上分节段浇筑预应力混凝土 Y 型刚构，张拉刚构悬臂预应力钢束，刚构支架脱架直至形 成 Y 型刚构； 4）吊装并在临时支架上拼装侧跨 88 米及边跨 Y 型刚构范围 152 米桁梁； 5）张拉部分边跨系杆索，转换边跨及侧跨桁梁支撑体系，使桁梁支承于刚构及桥墩； 6）缆索吊装主拱肋，施加临时扣索，调整边跨系杆力及扣索索力，完成主拱肋施工； 7）吊装中跨主桁梁节段并用吊索扣于拱肋，调整相关扣索索力直至主桁梁中跨合拢；安装、
13、张 拉中跨段系杆索，拆除部分扣索； 8）调整边跨及中跨系杆索张力，拆除全部扣索，拆除施工塔，完成桥面系工程。 图 3. 大桥施工典型过程示意 4 主要关键技术 4.1 空间的 Y 型刚构体系 大桥方案充分利用公轨两用的功能要求所必需的强大主梁的特点，根据场地条件、结构受力和材料特性，巧妙构思出刚构、钢桁梁、系杆拱组合结构体系，其一对边跨预应力混凝土刚构和一个中跨钢箱提篮拱三个相对分离的子结构通过中跨系杆及边跨系杆连接成 420 米的系杆拱。对于边跨混凝土 Y 型刚构，由于取消了主梁下的支撑立柱，并将 Y 构悬臂直线化，其受力特性已从拱的特性转化为梁的特性，杆件受力从受压为主变为受弯为主，构造设
14、计也发生了根本变化，采用了预应力结构；特别是为了实现空间的提篮拱结构，Y 型刚构也设计成了前后悬臂端在平面上内收的、悬臂断面扭转的空间结构。Y 型刚构由前、后悬臂、主横梁、前、后次横梁、前、后主横梁及系杆索锚固件等结构组成，在主墩顶部与刚构的底部设异形过渡块，过渡块横桥向侧面为接顺刚构，内、外侧侧面均为曲面。刚构前、后悬臂均为变截面空心薄壁结构，前悬臂在前端设置了系杆索锚固键及一道前次横梁，系杆锚固件是分别设置边、中跨系杆的锚固处，前次横梁则是为了满足 Y 构空间稳定、分担 Y 构横向分力、设置桁梁与 Y 构交叉处的支点吊索的重要构件，前次横梁与刚构连接部设置为砼牛腿，中间段为方便施工采用钢结
15、构撑梁；后悬臂端部在边墩墩顶实心部设置了系杆索锚固结构，是边跨系杆的锚端，同时也设置了竖向预应力拉杆，把后悬臂端部与边墩连在一起，这一拉杆设置，使得对刚构施工及成桥后的内力进行主动控制成为可能。在上、下游两墩顶部，设置有造型为六边宝石形的主横梁结构，连接主墩及两侧刚构。 这一空间的 Y 型刚构体系，外形美观，结构轻盈，受力明确，功能齐全，其设计和施工的精度和技术要求极高。它的实现，将是钢箱拱肋准确定位、钢桁主梁有效支撑、全桥系杆有效施力的重要保障。 4.2 Y 构与拱肋结合部的钢混接点设计 随着大桥建设中使用功能的提高、跨越能力的增大、结构体系的优化，充分发挥材料特性、实现结构最优组合并降低造
16、价，其材料的节段组合是今后大桥建设的必然发展趋势。由于菜园坝大桥拱肋采用了等截面钢箱结构，其必然与混凝土 Y 构之间有一个过渡连接点，这就是钢拱肋与混凝土 Y 构的钢混接点，是大桥的又一关键构造。该接点不仅要承受成桥后巨大的压力和反复弯矩，而且抵抗较大的施工荷载内力，钢、混材料又有其不同的材料特性，因此，不同材料的有效结合并共同受力的可靠性显得尤为重要，本接点设计的合理性直接影响着主拱肋及大桥的使用状态和结构安全。 4.3 大节段整体钢桁梁的设计 目前,我国大跨径钢桁架桥梁的施工基本采用杆件拼装的方式架设，而重庆菜园坝长江大桥在国内首次采用了整体节段的设计理念，即把一个标准节段长为 16m、宽约 40m 的钢桁梁整体节段作为工地拼装的基本单元，要求把段内杆件、梁段、接点、正交异性桥面板片在厂内拼装成段，然后运至工地吊装拼接。这种整体节段设计，将使得许多工地的杆件拼接能在工厂内实现，进而更能保证结构节段内的质量,减少大量的杆件拼接成梁的施工工序，加快工地架梁的速度,增强在施工现场抵抗不利天候的能力
