万州长江二桥总体专项方案设计.doc

万州长江二桥总体方案设计王东民（铁道第一勘察设计院桥隧处 兰州 730000 ）内容摘要 重庆市万州区地处长江三峡水利枢纽工程库区腹地，长江二桥在城市总体计划中占相关键地位，其工程建设实施将有利于迁建安置计划顺利实施、促进经济高速发展、完善城市交通布局，同时工程实施必需考虑三峡工程一期蓄水对大桥建设紧迫要求，受地形、蓄水、通航等条件制约，本桥建筑高度很高、主桥要求跨度大，对投资控制及工期等方面也提出了很高要求，主桥不管采取何种桥式方案均为大跨桥梁结构，技术难度大、要求高。关键词 万州长江二桥 桥位及桥式方案比选 结构设计特点 方案实施设想一、工程概况重庆市万州区地处长江中上游结合部、著名三峡水利枢纽工程库区腹地，濒临举世著名长江三峡，是四川省及重庆市通往长江中、下游关键通道，素有“川东门户”之称，一向是渝东、陕南、鄂西、黔东北等地域物资集散地和水陆交通枢纽，是长江流域关键港口之一，川江第二大港。万州区上距重庆市主城区327km，下距湖北省宜昌市321km，地理位置为东经1075222至1085325，北纬302425至311458之间。 万州区依山傍水，是一座风景优美江城，其建制始于东汉，迄今已经有1800多年历史，曾是文人荟萃之地，也是兵家必争之地，历经沧桑，遗流下不少含有历史价值文化古迹，历史文化悠久，自然景观、人文景观交相辉映。万州之“万”字始于北周之万川郡，因地处四川盆地东缘，长江流经至此，聚集盆地西部诸水由夔门东下，杜甫诗云：“众水汇涪万，瞿塘争一门”，作为万川必集之地，所以名万川郡，历史上又几易其名（万州、万县等），1997年成立重庆直辖市后成为重庆市关键一个区，建设目标是成为重庆直辖市第二大城市。万州区东有全部历山、西背太白岩、南临翠屏山、北依天城山，长江干流自西向东横穿全境，河网密度大，水利资源丰富，境内地势改变极大、高低悬殊，以山区地貌为主，形成群山怀抱、长江穿城而过自然景观，长江蜿蜒曲折、气势磅礴，以丰富独特景观展现了含有江城特色和山城风貌城市特点，全区幅员面积3457km2，1998年底全区总人口为165.1万人。 长江三峡水利枢纽工程是举世瞩目标跨世纪工程，该工程建成后将在中国国民经济建设中发挥巨大作用，伴随三峡工程开工建设，也给万州经济发展带来了前所未有历史发展机遇，三峡工程建成后，因为水位升高，水深、流态和航行条件改善，万州港将成为长江上游深水港口，万吨级船队可直抵万州。三峡大坝距万州城区约290km，三峡工程正常蓄水后万州辖区范围各项关键实物淹没指标均占全库区三分之二，人口迁移数量占三峡库区移民总人数四分之一以上，建成区面积将淹没70以上，淹没损失极大，移民搬迁安置任务繁重。围绕城市迁建而开展一系列工程建设，不不过确保三峡工程顺利实现各期蓄水及发电要求关键组成部分，而且使万州城市布局、基础设施得到较大改善，促进万州产业结构调整和发展。 三峡工程开工建设以来，作为该项工程成败关键之一库区淹没范围移民搬迁安置工作也在有序进行，取得了显著成就，不过，因为万州区地处山区，城市布局沿长江两岸依山而建，人口众多，地形狭长，而现在仅有一座长江大桥（属上海拉萨318国道改建工程跨江需要所建桥梁，关键功效为过境桥梁）现实状况根本无法满足城市建设发展需要，对搬迁安置工作也造成很不利影响，进行第二座长江大桥建设已十分必需和紧迫，将为城市继续稳步发展和交通体系基础完善提供必需确保，是实施万州总体计划关键组成部分，有利于拉开城市格局，扩大城市范围，改善交通布局，扩展移民安置容量，减轻动迁难度，并有利于万州港口合理布局。 二、关键技术规范、参考标准及技术标准 、关键技术规范、参考标准 1、公路工程技术标准( JTJ00197) 2、公路桥涵设计通用规范( J T J 0 2 1 8 9 ) 3、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ02385 ) 4、公路桥涵地基和基础设计规范( JTJ02485) 5、公路桥涵钢结构及木结构设计规范( JTJ02586) 6、城市桥梁设计准则(CJJ93) 7、公路路线设计规范(JTJ01194) 8、公路路基设计规范(JTJ01395) 9、城市道路设计规范(CJJ3790) 10、公路水泥混凝土路面设计规范(JTJ01295) 11、公路斜拉桥设计规范( 试行) (JTJ02796) 12、公路工程抗震设计规范(JTJ00489) 13、大跨度悬索桥主缆股技术条件(征求意见稿)中国交通部 14、公路桥梁抗风设计指南人民交通出版社 15、公路桥涵施工技术规范（JTJ041-89）16、钢结构设计规范（GBJ1788）、关键技术标准 1、道路类型: 城市快速主干道 2、行车速度: 60km/h 3、设计荷载: 汽车超20级；验算荷载: 挂车120 4、桥面宽度: 15m 23m（桥型结构宽度） 5、桥面纵坡及横坡: 纵坡3 ，横坡为向外双向横坡2 6、通航水位: 按三峡水库正常蓄水位同时推算桥址处回水 8、通航标准: 一级航道，通航净空高度24m，净宽300m 9、地震烈度: 度，考虑本桥为特殊关键大桥，按度设防 10、本工程采取北京坐标系统及黄海高程系统 三、桥位选择 围绕本桥性质及其使用功效要求，在桥位方案选择中，因为已建长江大桥（万县长江大桥，318国道过境桥梁）在万州区长江上游，所以，本桥不宜再向上游选择桥位，设计中结合城市布局及发展计划要求，在已建长江大桥下游约20km范围内进行了大范围桥位方案比选。依据城区地形特点、发展现实状况及远景发展计划、移民安置计划等特点，结合水文及工程地质条件、通航、路网计划、接线关系、施工条件、投资等方面进行全方位综合比较，经比较筛选后分别选择了聚鱼沱、袁家登及青草背三个桥位方案进行关键方案比选。 经综合比较，将聚鱼沱桥位作为推荐桥位方案，该方案很好地表现了建桥目标，有利于两岸枇杷坪及陈家坝两个小区土地开发，满足库区三期移民安置需要，桥位处江面较窄，主桥跨度相对较小，桥长较短，工程地质条件相对很好，工程投资较低，且桥位方案已避开港区，有利于万州码头建设，符合城市远景计划要求，该桥位也是城市远景计划桥位方案，其它两个桥位从建桥后作用、建设条件、和计划港区关系等方面综合考虑，不含有竞争优势。 针对推荐桥位方案，勘测设计中又进行了细致局部方案比较，努力争取使桥位方案（桥轴线）确实定愈加合理可行，既要考虑地形地质条件，尽可能避开或降低两岸大量存在滑坡体、变形体等不稳定山体对桥梁结构影响，符合企事业搬迁及移民安置工作整体计划安排，降低征地拆迁影响，尤其是要控制淹没线以上范围征地拆迁工作量，确定合理桥位轴线方案。四、自然概况 万州区在中国二级阶地东侧，长江中上游结合部，为四川盆地向秦巴山地和云贵高原过渡区，山间丘陵地形，长江横穿万州城区，沿长江及其支流近岸地带地势低缓，稍远则逐步抬高，区域内地形差异较大。万州长江二桥推荐聚鱼沱桥位方案两岸为缓倾河谷斜坡，自然坡度1525 ，两岸边基岩裸露形成陡坎，枯水期河床宽度约350m 。长江在万州境内长约20km，本河段属大型山区河流稳定地段，河道较为顺直，多年平均流量13700m3/s，年平均径流量4335亿m3，三峡水库蓄水后，桥址处正常蓄水位为175.2m（吴淞高程）。 万州境内山峦起伏，岭谷相间，其地形基础特征是浅切宽谷山间丘陵地形，地貌单元关键有侵蚀堆积河漫滩、阶地和结构剥蚀低山丘陵两种地貌类型，受地层岩性影响，区域内地形差异较大，受深切冲沟及宽缓沟谷切割形成台状和条带状地貌，因为区域地壳上升及洪水期江水冲刷掏蚀，使得江边大部分地段岸坡坍毁后移，砂岩多形成陡坡或陡崖，粘土岩则形成宽缓平台或缓坡，部分地段河槽紧束，江面较为狭窄，是修建跨江建筑较为理想地段。河床高程通常低于100m，长江两岸基础为冲刷岸，分布一级阶地，稍高部位发育滑坡体及现代变形体，沿长江两岸大量分布，桥位区地层砂岩中裂隙比较发育，在部分高陡边坡，经风化卸荷作用，砂岩垂向裂隙发育，形成较多危岩和坍毁体等，地表卸荷及风化作用加大了纵剪裂隙和横张裂隙规模。 推荐桥位方案北岸大多基岩裸露，南岸除部分钻孔揭示覆盖层较深外，其它较薄，桥位区地质结构相对稳定，未发觉断层和规模较大破碎带，裂隙关键出现在砂岩中，但岩体破坏轻微，强风化带厚度相对较小。北岸枇杷坪滑坡处于稳定状态，对大桥影响不大，聚鱼沱变形体和大桥分属不一样地质单元，其稳定是否对大桥无影响，康家坡变形体离桥轴线近，但它变形方向背向大桥，对大桥影响不大，两岸其它滑坡体、变形体对大桥均影响不大。 五、桥式方案选择比较 、总体设想 依据地形地貌、工程地质及水文条件，同时考虑计划、通航要求及接线条件进行桥跨方案合理选择，方案选择中关键遵照以下标准进行： 1、满足通航、立交、接线及其它相关计划要求 2、结构新奇、造型美观、经济实用、施工相对简单，并努力争取在结构形式上和万州区已建长江大桥及“万宜”铁路跨越长江大桥有显著区分 3、降低或避免水中基础施工，加紧施工进度，降低施工费用 4、优化多种设计施工方案，控制工程投资及施工工期 在本桥可行性研究及初步设计阶段，进行了多个桥跨结构形式综合研究比较，依据工程特点，主桥关键考虑悬索桥及斜拉桥设计方案，引桥以40m跨度型简支梁为主。已建长江大桥主桥为钢筋混凝土箱形拱桥，为避免桥型雷同，本桥不再进行类似结构比较，同时拱桥结构也会增大船舶撞击拱圈可能性，本桥地形特点也不宜修建拱桥，其它桥型从结构受力、跨越能力、工程投资等方面考虑也不宜采取。本桥对工程投资控制十分严格，而主桥投资在整个工程中占有很大比重，在确保安全前提下，结合桥梁技术特点采取切实可行设计施工方法，将对控制整个工程投资起到关键保障作用。 、桥式方案及关键结构特点1、主桥悬索桥方案 依据地形、地质及水文等条件，对主桥悬索桥方案进行了多个跨度方案比较，为控制工程投资，均按单跨悬索桥进行设计，各桥位方案悬索桥跨度合理选择范围在500m720m之间，蓄水位影响及锚碇设置位置是其关键控制条件，对推荐桥位则分别考虑了500m和580m两种桥跨方案。依据悬索桥技术特点及本桥具体条件考虑，主桥加劲梁方案合理是否对确保整体设计方案优异合理含有十分关键作用，需作关键研究比较，从使用性能要求、施工条件、工期要求、航道管理等方面综合考虑，加劲梁采取钢结构方案，均按整节段制造、现场节段架设连接方案进行设计，设计中分别就扁平钢箱梁、钢桁梁和空间钢管桁架三种各具特点结构形式综合研究比较： 、扁平钢箱梁加劲梁在中国外大跨度悬索桥设计中得到了广泛应用，技术成熟、结构整体性好、抗风阻力小、空气动力稳定性好、上部结构整体重量轻，有利于其它相关工程量有效控制，但钢箱梁整体用钢量大，单位加工制造费用高，对对应桥面铺装易开裂、施工复杂及费用高问题也需高度重视。 、钢桁梁也是常见悬索桥加劲梁结构形式，应用于本桥设计时结构用钢量大大低于钢箱梁，单位加工制造费用也显著较低，虽上部结构整体重量大于钢箱梁方案，造成相关工程量增加，但本桥拟采取隧洞式锚碇结构，锚碇在总体工程量及投资中所占比重相对有限，和采取重力式锚碇悬索桥其锚碇所占比重甚大有较大区分，所以，钢桁梁方案在本桥含有很好应用条件，对控制桥面铺装开裂也有很大好处，且对其铺装层技术要求远低于钢箱梁方案，施工相对简单、费用较低。 、空间钢管桁架含有良好空气动力性能，同时其结构用钢量显著低于钢箱梁，也低于钢桁梁，从本桥关键技术经济指标合理控制及桥梁技术发展考虑，设计中将此方案作为关键推荐方案进行了大量研究比较工作，在其它钢管桁架桥梁应用基础上，对杆件节点采取空心钢球以实现理想铰结，避免了在杆件空间交汇处复杂数控切割工序，杆件次应力小，加工制造简便，同时采取深入改善节点局部应力条件结构处理方法，为加强结构整体刚度，拟将桥面板和网架结构连为整体，参与结构整体受力及变形要求，提升其使用性能指标条件。 主缆采取预制镀锌平行钢丝束股，横向部署于两侧人行道以外，两缆索中心距依据结构所需确定，为确保锚碇间合理间距控制要求，主缆在锚跨设置一定向外水平偏角，经过不一样矢跨比结构受力、变形、材料用量等方面所进行综合比较，确定矢跨比采取1/10.5，主缆安全系数采取K2.5；对吊杆进行了预制镀锌平行钢丝束及钢丝绳两种方案技术经济比较，确定采取预制镀锌平行钢丝束，吊杆间距依据加劲梁方案及结构特点合理确定，通常采取713m，吊杆安全系数K3.0；大缆及吊杆锚固连接均采取热铸锚具，索夹、索鞍及连接套筒等均采取铸钢结构，其中索夹分两片制造，安装中采取高强螺栓连接，为控制运输及吊装重量，索鞍鞍座分两半制造，塔顶再行拼装；依据受力及变形控制要求，主桥梁端处分别设置竖向设拉压支座及横向设抗风支座。桥塔采取钢筋混凝土门式框架结构，各方案塔高130170m左右，依据地质条件，基础均采取钻孔灌注桩基础；为有效控制工程投资，同时考虑地形地质条件，本桥锚碇采取隧洞式锚碇，但必需考虑地下水及蓄水影响，为预防岩石裂隙和节理面因渗水可能造成岩石软化，需对应采取严格防水处理方法，相对而言，对同一桥位，采取较大跨度可使锚碇稳定条件得到有效改善，但对应上部工程量及投资将大幅增加。2、主桥斜拉桥方案 各桥位对主桥斜拉桥方案进行了多个跨径组合综合比较，依据地形地质条件，除袁家登桥位采取三塔四跨斜拉桥外，其它均为双塔三跨斜拉桥，其主孔跨度合理选择范围在380m500m之间。大桥采取空间双索面、扇形密索体系，桥面处索间距通常8m左右，斜拉索采取镀锌钢丝组成平行钢丝束，PE材料防护，冷铸墩头锚具锚固；加劲梁采取预应力混凝土结构，空间飘浮体系，就梁体进行了边主梁及双箱梁断面形式综合比较，依据跨度不一样其梁高采取2.53.5m，并就是否设边跨辅助墩进行了具体比较分析；桥塔为呈宝石型钢筋混凝土结构，主塔自梁体以上部分为“A”字型，不一样方案塔高在210m230m之间，建筑高度很高，基础均采取钻孔灌注桩基础。 3、引桥及其它相关设计 依据地形地质及桥梁建筑高度，从方便设计施工，控制工程投资及施工工期，各桥跨部署方案中引桥通常采取预应力混凝土型简支梁，跨度按25m40m考虑，引桥桥墩采取双柱式桥墩，桥台通常按“”形桥台或肋板式桥台进行设计，桥台过高时需作特殊研究，基础均采取钻孔灌注桩基础。另外，对主桥为单跨悬索桥方案而言，其引桥长度较长，桥梁建筑高度很高，结合地形特点及地质稳定条件，设计中也进行了对应大跨连续结构方案综合研究比较，为方案决议提供科学依据。 主桥及引桥行车道板及人行道板等均以预制构件为主，以加紧施工进度，方便施工质量控制；依据当地工程通例并从预防铺装开裂考虑，桥面铺装采取钢纤维混凝土，铺设施工后要求进行锯缝处理；为确保造型美观及合理控制工程投资，人行道栏杆及照明灯杆均采取钢结构方案，材料选择采取复合钢管结构，表层为不锈钢，内层为通常钢材，满足相关刚度要求，在投资上考虑景观照明特殊要求；依据通航论证结论要求，考虑导航灯设置、港务监督、航道管理等方面具体要求；受山区地形及其它条件制约，其接线条件十分困难，制约原因较多，设计中分别进行了平交及立交方案综合比较。、方案比较及推荐意见（关键针对推荐桥位方案）1、使用功效要求 各桥式方案均可满足车辆、行人、及桥下通航要求，相比较而言，主桥采取较大跨度或增加主桥长度可使通航条件愈加好，航运条件得到有效改善，本桥设计考虑两种主桥桥型方案从景观效果上各具特点，难分高下，建成后均可成为当地关键一景；各桥式方案两岸均和计划道路衔接并对线路高程起控制作用，接线条件较为困难，设计中分别考虑了平交和立交方案，但立交方案增加投资较多，也可考虑分期实施。2、桥梁结构特点 主跨悬索桥方案均采取单跨悬索桥， 其跨度相对较大，但两侧引桥不具通航条件，锚碇设置是确定其主桥合理跨度关键控制原因，需依据地形地质条件、蓄水位、备缆角度等合理选择；设计中针对全桥起关键控制作用主桥加劲梁方案分别进行了扁平钢箱梁、钢桁梁、空间钢管桁架三种加劲梁结构形式综合比较，相比较而言，钢桁梁及空间钢管桁架方案对本桥更具竞争优势；悬索桥主桥长度相对较短，桥塔高度显著低于斜拉桥，且从桥塔设置位置考虑受长江洪水影响很小，其施工基础不受洪水影响，加之加劲梁采取工厂制造，其投资、工期等更具确保条件。 斜拉桥方案主孔跨度均小于对应桥位悬索桥方案，但主桥总长度显著较长，总体投资较大，加劲梁为现场灌注施工预应力混凝土结构，梁部施工控制难度也较大，工期相对较长，因地形及结构要求限制，桥塔高度均大于200m，施工技术难度大，基础施工易受长江洪水影响，工期不易得到充足确保。 3、推荐意见 依据对本桥各桥式方案从使用功效、桥梁造型、结构受力、工程投资、施工技术条件、工期要求等进行综合比较，推荐主桥采取580m单跨悬索桥设计方案，引桥采取跨度较为适中40m左右T形简支梁，两岸接线按平交考虑以控制投资。 4、采取桥式方案及实施条件 经过本桥可研及初步设计阶段大量工作，对应阶段文件审查中教授对推荐桥位及桥式方案给了充足肯定，同时，针对主桥加劲梁方案，依据本桥技术特点及投资控制情况，同意不采取扁平钢箱梁方案，而其它两个方案工程投资及技术难度相差不大，鉴于球节点空间钢管桁架还未在大跨悬索桥中得到应用，而三峡库区相关迁建项目要求必需采取成熟技术，审查要求采取钢桁梁方案，引桥采取通常简支结构。施工图设计过程中，依据判定意见及两岸道路计划及实施过程中调整改变要求，确定最终桥式方案以下： 740m简支T梁580m悬索桥740m简支T梁，全桥长1141.46m。 本桥地处万州区市区范围之内，南岸地势相对较缓，有利于进行施工场地部署，北岸相对较陡，但在万州石油站完成搬迁后，也可有较大施工场地部署条件，两岸全部有现有道路直通桥下，两岸间交通可经过现有长江大桥或小型船只进行沟通，可基础满足工程施工需要，大桥工程于年底正式开工，估计8月建成通车。