４２桥梁建设２００９年第６期文章编号：１００３—４７２２（２００９）０６—００４２—０４九堡大桥组合结构桥梁的技术构思与特色邵长宇（上海市政工程设计研究总院，上海２０００９２）摘要：杭州九堡大桥跨越钱塘江，全长１８５５ｍ，是一座全部采用组合结构的大型越江桥梁工程。主航道桥与非航道引桥分别采用大跨度连续组合拱桥和连续组合箱梁桥，组合拱桥与组合箱梁桥均采用多点同步顸推法施工技术。其中，引桥顶推施工时，８５ｍ跨间无临时墩；主桥顶推施工时，２１０ｍ跨间仅设置１座临时墩。该桥的建设方案展现了新的理念、技术以及创新点。关键词：组合拱桥；组合箱梁；技术构思；顶推施工；设计原则；双层组合；体外索；桥梁设计中图分类号：Ｕ４４８．２２文献标志码：ＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎａｎｄＦｅａｔｕｒｅｓｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢｒｉｄｇｅｓｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＪｉｕｂａｏＢｒｉｄｇｅｉｎＨａｎｇｚｈｏｕＳＨＡＯＣｈａｎｇ－ｙｕ（ＳｈａｎｇｈａｉＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｐａｎｎｉｎｇｔｈｅＱｉａｎｔａｎｇｊｉａｎｇＲｉｖｅｒ，ｔｈｅＪｉｕｂａｏＢｒｉｄｇｅｉｎＨａｎｇｚｈｏｕｔｏｔａｌｓ１８５５ｍｉｎｌｅｎｇｔｈａｎｄｉｓａｍａｊｏｒｒｉｖｅｒ－ｃｒｏｓｓｉｎｇｂｒｉｄｇｅｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｕｓｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｓｈｉｐｐｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｂｒｉｄｇｅａｎｄｔｈｅｎｏｎ—ｎａｖｉｇａｂｌｅｓｐａｎａｐｐｒｏａｃｈｂｒｉｄｇｅｓｏｆｔｈｅＢｒｉｄｇｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｍａｋｅｕｓｅｏｆｔｈｅｌｏｎｇｓｐａｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｒｃｈｂｒｉｄｇｅｓａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏｘｇｉｒｄｅｒａｒｅｂｒｉｄｇｅｓｔｈａｔａｌｌｅｒｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｍｕｌｔｉ—ｐｏｉｎｔａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌａｕｎｃｈｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｕｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｆｏｒｔｈｅａｐｐｒｏａｃｈｂｒｉｄｇｅｓ，ｔｈｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌａｕｎｃｈｉｎｇｅｒｅｃｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｗｉｔｈｏｕｔｕ—ｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｏｒａｒｙｐｉｅｒｓｉｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｒ８５ｍｓｐａｎｓｗｈｉｌｅｆｏｒｔｈｅｍａｉｎｂｒｉｄｇｅ，ｏｎｌｙｔｅｍｐｏｒａｒｙｐｉｅｒｉｓｓｅｔｏｎｅａｉｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ２１０ｍｓｐａｎ．ＴｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＢｒｉｄｇｅｈａｓｅｘｈｉｂｉｔｅｄｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔｓ，ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｒｃｈｂｒｉｄｇｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏｘｇｉｒｄｅｒ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ；ｉｎｃｒｅｍｅｎ—ｔａｌｌａｕｎｃｈｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｎｇ；ｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇｓｔｒａｎｄ；ｂｒｉｄｇｅｄｅｓｉｇｎ１概况九堡大桥属于钱塘江上规划建设的１０座大桥之一，大桥道路等级为城市快速路，设计行车速度８０作用。桥址水域潮流动力异常强劲，河床冲淤剧烈，涌潮的最大可能高度达２．５ｍ，相应流速可达６～９ｍ／ｓ。桥区航道考虑内河船舶和江海联运船，代表性船队为内河ｌ０００吨级船舶。大桥全长１８５５ｍ，孔跨布置为：５５ｍ＋２×８５ｍ＋９０ｍ（北引桥）＋３×２１０ｍ（主航道桥）＋９０ｍ＋９×８５ｍ＋５５ｍ（南引桥），见图１。ｋｍ／ｈ，设计汽车荷载为城一Ａ级。大桥设双向６车道及两侧各宽３ｍ人行道，标准桥面总宽３１．５ｍ，主桥因结构需要加宽至３７．７ｍ。工程所在河段处于钱塘江河口沙坎顶端附近，受潮流和径流共同收稿日期：２００９—０９—１７作者简介：邵长字（１９６３一）．男，教授级高工，１９８４年毕业于同济大学桥梁工程专业，工学学士。２００２年于中南大学桥梁与隧道工程专业研究生班结业．２００７年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业．工学博上（ｓｃｙ６００２＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｒｎ）。万方数据九堡大桥组合结构桥梁的技术构思与特色邵长宇４３单位？ｍ图ｌ九堡大桥总体布置２方案构思２．１主航道桥方案经论证主航道桥采用主跨３Ｘ２１０ｍ的连续组合拱桥，基本覆盖整个主槽摆动范围，并且能够满足１０００吨级内河货船通航水深要求。主航道桥的施工按照常规方案，在水上搭设大量支架，进行桥面系与拱肋结构安装。如此，在钱塘江涌潮及河床冲淤剧烈区域，不仅代价高而且现场工作量大、安全与质量风险高。如果能够变水上施工为岸上施工，不仅可以免除江中大量临时墩和支架、减少施工对环境及航运的干扰，还可避免水上高空拼装拱肋的风险与困难、为提高工程质量创造了最佳条件。基于对建设环境与结构特点的细致分析和判断，设计创新采用梁拱组合体系与结构方案并推出顶推施工法。２．２非航道引桥方案为减小对河势水文影响，要求非航道引桥尽可能增大跨度、降低基础阻水率。虽然采用跨度８５ｍ的ＰＣ连续箱梁、分墩分幅方案，可以满足要求，但在这一跨度范围内组合箱梁不仅经济上具有竞争力，而且采用整幅结构形式的连续组合箱梁，下部结构合二为一、基础规模显著减小，可以最大程度地减小桥梁对河势的影响。另外，组合箱梁的钢梁采用顶推法施工，无需在江中设置临时墩，较之常规采用的ＰＣ箱梁结构、对称悬臂现浇的传统结构形式与施工方法，为提高工程质量创造了条件并减少了对环境的影响。２．３顶推工艺与设备主航道桥与非航道桥的顶推施工，有别于国内常用的推动或拖动梁体在支点上滑移的方法，常规方法往往需要对钢梁进行特别加强，才能满足顶推时局部受力与稳定要求，这将导致对钢梁加强的费用远高于采用新顶推工艺与设备所增加的费用。有鉴于此，设计时明确提出要以合理的顶推设备与工艺以及同步和平衡控制技术，保证结构受力安全可靠，顶推施工方案要实现无需对钢梁进行特别加强。其目的在于通过推动顶推施工技术进步，进而实现万方数据组合结构桥梁总造价最经济；目前的工程进展不仅表明完全达到了预期目标，而且顶推施工工艺与设备技术是组合箱梁桥获得良好经济性的关键技术之一。２．４桥梁耐久性混凝土桥面板居于桥梁顶层易受侵害，又直接承受车轮作用，混凝土桥面板能否经受百年考验令人担忧。对于桥梁的耐久性问题，目前尚不能进行准确评估，因此，需要从设计理念与具体的技术上积极尝试。对于组合箱梁桥，如果要求桥面板的使用寿命设计达到与其下的钢结构相同，可能会大大提高建造成本。然而，组合箱梁的混凝土桥面板可以设计为可更换结构，该桥将通过研究桥面板更换与修补对结构受力的影响，力求以最小代价获得最大的可实施性，为实现大桥的百年寿命作出尝试。３主航道桥３．１总体布置主桥采用３×２１０ｍ连续组合拱桥，主墩采用Ｖ形墩，墩身外形轮廓的线形顺接主拱曲线，以求得较好的景观效果，Ｖ形墩与梁体实际是分开的，其间设置支座。上部结构采用梁一拱组合体系，由钢一混凝土组合结构桥面系和钢拱结构组成，为跨径（１８８＋２２＋１８８＋２２＋１８８）ｍ的连续结构。主墩基础采用１６根直径２ｍ的钻孔桩。３．２梁拱结构钢拱系统由主、副拱肋及其连杆组成，拱桥横截面见图２。主拱肋轴线为二次抛物线，处于同一平面内但外倾１２。，立面矢高４３．７８４ｍ，是主要承载构件；主拱肋为高３．２ｍ、宽２．２ｍ矩形钢箱截面，板厚１６～２２ｍｍ。副拱肋轴线为空间曲线，立面矢高３３ｍ；副拱肋为１．５ｍＸ１．５ｍ正方形截面，板厚１２～１６ｒｎｍ、局部１８ｍｍ。主、副拱肋之间设有横向连杆，为间距８．５ｍ的圆钢管，拱顶段３道横向连杆加强以满足拱肋稳定需要。组合桥面系全宽３７．７ｍ，由混凝土桥面板和钢梁组成，截面中心处梁高４．５ｍ。一般截面如图３４４桥梁建设２００９年第６期所示。钢梁的两侧主纵梁为２．２５ｍ×３．９６ｍ窄锚于主纵梁、上端锚于主拱肋，吊杆为平行钢丝索体系，均为１２ｌ声７ｍｍ。箱，箱顶面中心间距２７．６ＩＴｌ，主纵梁之间设有间距４．２５ｍ的１形横梁；人行道为全钢结构、置于主纵３．３结构性能特点连续组合拱桥的桥面板后期施工降低了主体钢结构的施工难度；混凝土桥面板有利于桥面铺装的经济性与耐久性。从受力角度看，只要钢结构部分完好，即使桥面板失效，整体结构仍然是安全的，这使桥面板的更换修补切实可行。从施工角度看，这种结构形式不仅可以采用顶推法施工，还可采用常规的支架法或缆索吊配合支架法以及整孔吊装法施工，这为结合具体情况选择合理的施工方案提供了更大的空间。３．４施工方案与技术特色主航道桥的施工总体上可分为钢结构和桥面板２部分。钢结构包括桥面系钢梁及钢拱，均在岸上拼装，采用多点同步顶推法施工。顶推时分散在各墩（含临时墩）的设备同步起升、推进，除主桥与引桥桥墩外，在３个主跨间各设１座临时墩，在拼装台座处设置３座临时墩。顶推时在桥面系钢梁与拱肋之梁外侧，其横向加劲肋与Ｉ形横梁对应设置；为便于桥面板分块预制，设２道小纵梁。桥面板采用Ｃ５０混凝土、厚２６ｃｍ，桥面板无预应力束，纵向按允许桥面板开裂、控制裂缝宽度的原则设计。主图２拱桥横截面Ｉ．！！：！望．１Ｌ旦—生．｛———里堂———卜——生坠——＿＋玉堕一间设有临时杆件，以便在顶推过程共同受力。每拼装完成１孔顶出１孔，直至３孔全都顶推到位，见图４。桥面板采用预制板，横向分为３块、以小纵梁为分割点，纵向以４．２５ＩＴＩ间距的钢横梁为分割点。钢结构顶推完成之后，按照设计规定的顺序，张拉吊杆并拆除临时拱梁间杆件，再铺设预制桥面板并浇注接缝混凝土，完成后续施工。拱桥顶推施工且２１０ｍ跨间仅设置１座临时图３拱桥组合桥面系截面示意拱梁钢结构均采用Ｑ３４５ｑＤ钢材。粱拱之间设置吊杆，纵向间距８．５ｍ，吊杆下端圈４拱桥顶推过程示雹墩，无疑是一次新的尝试。组合拱桥除去桥面板之后，钢结构的承载能力与其自重相比具有较大的可利用空间。通过在钢拱肋与钢纵梁之间设置临时杆论技术与经济均具有显著的优点和竞争力。４非航道引桥４．Ｉ总体布置引桥采用整墩、整幅梁结构。南北两侧引桥支承跨径分别为２３ＩＴｌ＋７８ｒｎ＋９Ｘ８５ｍ＋５５ＩＴＩ和５５直径１．８ｍ的钻孔桩，桥墩为空心钢筋混凝土结构。上部为等高度单箱单室大悬臂钢一混凝土组合箱梁，梁高４．５ｍ，桥面宽度３１．５ｍ。件，可以合理有效地发挥钢结构整体的承载能力，无４．２箱梁结构大悬臂组合箱梁由钢梁和桥面板２部分组成，其跨中截面示意见图５。钢梁采用Ｑ３４５ｑＤ钢材，中心槽形梁顶宽１３ｍ、底宽１１ｍ，以纵向４．２５ｍ的标准间距设置横隔系；横隔系由腹板内侧竖向和底板横向的Ｔ形加劲肋、上缘横向Ｔ形系杆以及箱内外钢管撑杆组成；在支承处的箱内横隔系有所变化，靠近两侧纵腹板处采用实腹组合板；中心槽形粱的腹板上、下各设置ｌ道纵向闭口肋，在２道横隔系ｍ＋２Ｘ８５ｒｎ＋７８ｍ＋２３ｍ，其中２３ｒｎ梁段位于主航道桥边主墩上。标准８５ｍ跨桥墩每墩布置５根万方数据九堡大桥组合结构桥梁的技术构思与特色邵长字图５组合箱梁桥跨中截面示意之间根据需要设有竖向加劲肋、支点附近最多设２道；中心槽形粱的底板设置纵向板式肋，横向闻距约８０ｃｍ，中间支点处的板式肋开孔，兼作连接件使用。桥面板采用Ｃ５０混凝土预制板，行车道范围厚度为３０ｃｍ、人行道范围厚度由３０ｃｍ变化到２５ｃｍ，预制桥面板横向分为３块、以２道腹板上翼缘为分割点，纵向以４．２５ｍ问距的钢横隔系为分割点。在中支点附近采用双层组合结构［１］，即在纵向１０ｍ＋１２．７５ｍ范围，设有厚度６０～３５ｃｍ的混凝土板与钢梁底板结合，通过混凝土参与受压，达到减小钢板厚度、调节结构受力分布等目的。此外，考虑到支点处由于支座局部集中荷载与体外束锚固作用而受力复杂，采用组合横隔板，以实现提高结构性能并降低造价的目的。组合箱梁按允许桥面板开裂、控制裂缝宽度的原则设计，桥面板体内配有横向预应力束、无纵向预应力柬。在箱梁内部配有拳８１５．２—２７体外预应力束，在支点和跨中处分别布置在截面上、下缘，其间设有转向器。配置体外束的目的，不在于避免负弯矩区桥面板开裂，而在于利用预应力的高强性能，改善整体结构受力状态以及负弯矩区桥面板受力，实现减少钢材用量以及改善结构性能的目的。４．３结构性能特点桥宽３１．５ｍ的大悬臂整幅截面形式［２］，其少腹板中心钢箱结构显著提高了钢材的利用效率，因可以减少次要杆件而使结构更加合理；横隔系由匹配设置的腹板与底板加劲肋、上翼缘横系杆以及箱内外斜撑构成，特别在预制桥面板安装阶段，横隔系的受力呈现以轴向拉压为主的桁架行为，体现了受力的高效性。尽管整幅箱梁宽达３１．５ｍ，仍然充分展现了结构的经济性。组合箱梁先钢梁再桥面板的施工顺序，结构自重主要由钢梁承受，这客观上为桥面板更换提供了基础；桥面板纵向无体内预应力的设计，在方便施工的同时，也为桥面板可更换提供了条件。此外，体外柬也可辅助调节结构内力分布，适应桥面板更换或修补。万方数据４５４．４施工方案与技术特色施工总体上分为钢梁与桥面板２部分。南北两侧引桥钢梁均在岸上拼装，采用多点同步顶推法施工，从岸侧向河中进行，以１孔梁长为单位逐孔进行，直至一联多跨钢梁全部顶推到位。预制桥面板的施工总体上采用负弯矩区桥面板滞后结合的施工方法——皮尔格法［３］，以减小中间支点处桥面板所受拉应力为原则并兼顾施工方便，确定安装预制桥面板及浇筑接缝混凝土的顺序。桥面板的安装采用专用桁车与运梁台车配合进行，专用桁车与运梁台车的轨道设置在对应钢梁腹板处。在桥面板安装前，先完成支点处组合横隔板及下缘的混凝土浇筑施工。组合箱梁顶推施工的显著特点在于８５ｍ跨间无临时墩。组合箱梁桥面板的重量约为钢梁重量的３倍，在施工期钢梁要单独承受自身及桥面板的重量荷载，和桥面板组合后还要承受二期恒载及运营荷载作用。因此，钢梁顶推时其承载能力具有很大的富裕，这正是能够实现无临时墩顶推施工的关键所在。５结语九堡大桥作为一座全部采用组合结构的越江桥梁，遵循组合结构桥梁的特点，充分利用钢与混凝土两种材料的优点，力求使结构设计、施工、维修更趋合理。不言而喻，随着我国综合国力的增长，材料与人力成本的变化以及制造与施工技术的提高，钢结构及组合结构桥梁的竞争力将会日益提高。发展组合结构桥梁，可以使中小跨度桥梁的建设与发展更具多样性，更好地探索提高桥梁耐久性与全寿命经济性的问题，这正是九堡大桥采用组合结构桥梁的目的与期望所在。参考文献：［１］ＲｅｉｎｅｒＳａｕｌ．ＢｒｉｄｇｅｓｗｉｔｈＤｏｕｂｌｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅＡｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９６，（１）：３２—３６．［２］邵长宇．大跨连续组合箱梁桥的概念设计口］．桥梁建设，２００８，（１）：４１—４３．（ＳＨＡＯＣｈａｎｇ－ｙｕ．ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＬｏｎｇＳｐａｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅＢｏｘＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅ／Ｊ］．ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２００８，（１）：４１—４３．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］谢红兵．斯本莱恩和威尔考一哈斯劳钢组合梁无纵向预应混凝土桥面板的设计与施工［Ｊ］．国外桥梁，１９９９，（１）：２９—３２．
