扬州新万福大桥设计方案与施工技术研究_张斌.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）1工程简介与设计方案万福大桥主桥主跨为双塔自锚式悬索桥，跨度布置为（94+188+94）m，主跨188 m混凝土主梁自锚式悬索桥，为同类型桥梁国内第二；缆索系统采用斜拉与悬 吊 的 复 合 吊 挂 系 统，主 缆 采 用1695 mm镀锌高强钢丝索，为国内目前最粗的索股，国内第二次使用；主缆垂跨比达14.1，为国内最陡的自锚式悬索桥；主索鞍采用整体铸造，结构自重74 t，为国内最重的整体吊装鞍座；桥塔兼桥头堡功能，塔内设计建筑结构，塔顶建双层金光阁仿古建筑，承台以上建筑高度为116 m1。2012年市建设局市政建设处面向全球征集大桥设计方案，筛选出6个可供参考的设计方案，方案1：一帆风顺，百舸争流；方案2：双龙邀月，三分明月；方案3：南秀北雄，万福塔桥；方案4：琼花梦蝶，人文长廊；方案5：琴箫合奏，广陵绝响；方案6：创新扬州，异性拱桥。最终“南秀北雄，万福塔桥”方案从众多设计方案中脱颖而出。2设计概况、特点、难点及解决方案2.1基本概况桥梁全长664 m，包括东引桥、主桥、西引桥。2座桥塔兼桥头堡功能，塔内设计建筑结构2，塔顶建双层金光阁仿古建筑，主缆垂跨比14.1（时年国内最陡），房建面积11 585 m2。大桥为双层桥梁，上层为车行道，下层为人行桥及非机动车道桥，如图1所示。扬州新万福大桥设计方案与施工技术研究张斌（江苏扬建集团有限公司，江苏扬州225100）摘要文章以扬州新万福大桥为例，主要从设计方案比选及创新、难点及解决方案、施工中遇到的难题及处理方案等方面着重介绍。基于新颖复杂的结构形式、景观功能需求、苛刻的环境因素、工期限制等，建立了能够融合桥梁和建筑规范的塔楼一体化桥梁设计新理念，形成了塔、楼一体化的自锚式悬索桥成套设计施工技术，顺利完成了国内首座双层自锚式悬索景观塔桥的设计和施工，取得了良好的经济和社会效益。关键词双塔自锚悬索桥；景观桥梁；预应力张拉；钢管贝雷梁系统；仿古建筑中图分类号U448.25文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0057-05Research on Design Plan and Construction of the New Wanfu Bridge of YangzhouZHANG Bin（Jiangsu Yangjian Group Co.,Ltd，Yangzhou Jiangsu 225000 China）Abstract：This paper takes Yangzhou New Wanfu Bridge as an example,mainly from the design schemeselection and innovation,design difficulties and solutions,construction problems and treatment schemes andother aspects of the focus.Based on a novel complex structure,landscape function demand,harshenvironmental factors,time limit and so on,established can fuse Bridges and building codes towers,integrationof the new concept of bridge design,formed the tower,building integration since the anchor complete designand construction technology of suspension Bridges,successfully completed the first domestic double since theanchor cable tower bridge landscape design and construction,Good economic and social benefits have beenachieved.Key words：double-tower self-anchored suspension bridges；landscape bridges；prestressing tensioning；steeltube bailey beam systems；antique buildings收稿日期2022-09-29作者简介张斌，男（1968-），江苏扬建集团有限公司，高级工程师，从事施工技术和工程管理工作。57江苏建筑2022年第6期（总第225期）图2桥梁和桥头堡同步施工2.2设计特点特点1：桥型新颖。大桥是国内首创的景观桥梁类型，采用塔楼一体化自锚式悬索桥，该桥既能承载交通和建筑美学功能，又能承载高空观景并自成景致，在构造上做到了桥梁与建筑的完美融合。特点2：塔楼截面尺寸大。采用了井字形四肢塔柱，塔柱周身尺寸为从塔底52.5 m32.8 m至塔顶33 m15 m。承台以上一体化塔楼高86.2 m（不含古建），相当于20层楼。桥塔是高层建筑体量，在国内暂无先例。特点3：双层布置结构体系新。大桥刚柔分配的下层人非通道构造，实现了机动车道与人非通道的竖向分离。设计了上刚下柔的双层体系主梁，通过特殊构造提供了可靠的纵横向连接及隔震措施，保证了下层柔性桥面系的动力特性和行人舒适度3。特点4：专业融合多。大桥融合了建筑、桥梁、景观、美术等各个专业，设计过程中融合了国内多专业跨行业的设计规范及理论。特点5：荷载重，主缆规格大。主缆采用的1695 mm镀锌高强钢丝索是国内目前最粗的主缆索股，整个大桥共有78根索股，总长32 813 m，两侧主缆最大能承受60000 t的拉力。2.3设计难点及解决方案难点1：塔楼一体自锚式悬索桥设计方法及设计标准。此类桥型在现代桥梁建设中尚无先例，无论是桥梁行业规范还是建筑行业规范中均未对该类跨行业桥梁作出相应的设计规范条款规定。解决方案：通过对两个不同行业设计参数的系数调整，达到同时满足两个行业规范的目的，解决了跨行业桥梁设计难题，主塔最终采用劲性钢结构巨型框架体系。难点2：附有建筑阁楼的桥塔结构安全性设计。如何合理设计主塔，使之能满足桥梁静力及动力要求，同时满足建筑楼板的安全，是本次项目设计的第二大难点。解决方案：确定了一种既能改善结构受力又能改变传力模式的主塔结构形式，并且通过塔内设置劲性钢骨架，解决了大体积塔身导致的河道防洪问题和桥梁建筑共同设计难题。通过研发关键构造节点，解决了桥塔与建筑楼板的位移协调和受力安全兼容的问题。难点3：主缆垂跨比大于常值，主缆出塔处坡度较陡，设计施工困难。为达到景观效果，大桥桥塔承台以上高度达到86.2 m，其中桥面以上高度达67.11 m，桥塔高度大，造成主缆垂跨比大于常值、主缆出塔处坡度较陡，给主缆、索夹、索鞍等主桥缆索体系设计和施工带来了较多困难。解决方案：研究国内外悬索桥的主缆体系设计，针对本桥主缆、索鞍、索夹受力的特殊性，通过合理参数选取和特殊尺寸设计、异形构造设计等解决了高垂跨比主缆、索鞍、索夹、吊杆的受力问题。3施工难点及技术创新3.1难点分析难点1：桥梁和桥头堡多个专业施工，专业碰撞，工期紧。如何把桥梁和房建施工科学地组织，首先是统一思想，形成统一的组织机构，统一指挥，一体化施工编排网络进度计划。从2013年9月30日打栈桥第一根桩，到2015年9月20日通车，用了720 d。难点2：施工技术难度大。桥头堡基础为水下基础，水深6 m，人货电梯及塔吊的基础定位要求精确；在考虑塔吊附墙及人货电梯附墙可实施性的前提下，需考虑附墙不能与人货电梯梯笼位置冲突，如图2所示。难点3：场地狭小，施工难点大。围堰为哑铃型结构，长约66 m，宽约50 m。东西栈桥是联系外部的唯一通道，为了赶在汛期到来图1主桥桥型布置图（单位：mm）58江苏建筑2022年第6期（总第225期）前完成水下部分施工，打通行洪通道，参建单位夜以继日地施工，单个围堰取土方量超过2.5万m3，如图3所示。难点4：结构复杂、施工体量大。2014年4月3日完成主桥墩1 288根超长钢板桩插打，土层硬，采用大桩锤旋挖钻机钻。该围堰采用超大异形钢板桩围堰，钢板桩为长24 m的拉森VI型钢板桩，是国内规模最大的钢板桩围堰。单个承台面积达3 300 m2，是润扬大桥承台面积的4倍。承台厚度达5 m，为钢筋混凝土结构，钢筋量约为1 600 t，混凝土采用C40级混凝土，单个承台混凝土量约为1.2万m3，整个浇筑过程为24 h不间断浇筑，共连续浇筑了三天两夜，如图4、图5所示。难点5：主塔施工异常困难。万福桥主塔兼做桥头堡建筑结构的基础，单个主塔的4个塔肢内需设置钢骨柱及钢骨梁，每个塔肢内设置4根钢骨柱，4根钢骨柱之间采用钢支撑连接，通过纵横梁及剪刀撑组成整体。4个塔肢的钢骨柱之间又通过钢骨梁连接，形成高层建筑的钢结构框架。钢骨柱、钢骨梁分节吊装，安装精度要求高，且为空间三维结构，最大的节段重量达16 t。难点6：多专业同时施工，施工组织和管理难度大。桥梁与桥头堡等多专业同时施工，工作面集中且位于水上，主梁分段同步施工、主梁主塔同步施工、桥梁主塔与房建异步施工，多层立体交叉作业；梁尺寸较大且基本为劲性梁，钢梁加工时如何确保梁腰筋及预留套筒的精准定位，异步施工塔柱结构预留给结构对接位置很难精确，施工时排架的质量控制及劲性梁的混凝土浇筑质量控制等均为技术难点。难点7：空中预应力张拉影响后续工期施工。上横梁、中横梁预应力张拉。预应力钢绞线采用两端同时张拉的施工工艺。张拉预应力采取以张拉力控制为主，张拉吨位与张拉延伸量双控，实测延伸量与计算延伸量的允许误差在6%以内。3.2采用的措施措施1：场地运输布置足够的运输设备保证工作效率。现场布置4台250 t塔吊、500 t浮吊调运单件74 t鞍座、履带吊栈桥辅助调运、人货电梯。措施2：排架模板系统措施之一，钢管贝雷梁系统桥体施工，解决了水上施工通道及水上支模的问题，如图6所示。措施3：排架模板系统（水下钢管排架）施工。围堰拆除水下钢管排架的运用，针对开闸泄洪时水草对排架系统的威胁，清除水草也是工作的重要内容。图3塔吊布置图4围堰内施工图5承台底层图6钢管贝雷梁系统桥体施工59江苏建筑2022年第6期（总第225期）图7钢管外脚手架措施4：在桥梁4个塔柱之间没有竖向结构，塔柱之间最大的间距达到了30 m，外脚手架的附墙设置难度较大；每个楼层有的缩进有的外伸，基本每个楼层都需要对外架进行调整，同步考虑对后期幕墙施工的影响，如图7所示。措施5：各专业界面交叉协调作业。因技术间隔的因素，土建与桥梁采取的施工步骤为异步施工，桥梁塔柱先行施工，土建楼层结构跟进施工；此施工安排造成了钢梁的安装无法按照正常施工步骤，采用大型钢管支架、塔吊辅助方法空中拼装焊接，如图8所示。工程房建结构依附于主塔结构，共同受力，下宽上窄，逐渐收缩，电梯安装经4层设转换层，异步施工是重要措施，但难度加大。3.3创新总结创新点一：针对1695 mm大规格主缆特征，设计了新型主索鞍和长索夹，发明了主缆紧缆工装结构及猫道施工方法，成功解决了高垂跨比非常规主缆体系设计及施工难题。创新点二：独创井字形桥塔设计，解决了塔楼一体建设导致的高空大质点抗震设计难题6，实现了塔楼一体建设的双重功能设计，如图9所示。创新点三：巧妙选用土压力计算理论，合理优化施工工艺，成功实现了取土平面面积约3 000 m2的特大异形单排钢板桩围堰施工。创新点四：提出桥梁与塔楼建筑多工作面同步施工方案，采用MIDAS模型基于施工阶段的模拟，优化施工步骤和施工工艺，成功缩短了塔楼一体化桥塔建造周期，降低了建筑混凝土楼板受主塔横梁预应力张拉的影响。创新点五：基于无应力状态控制法，采用吊杆从塔根向跨中张拉并对主梁进行压重的方案，仅用19 d实现了国内首座双层通行结构的预应力混凝土结构自锚式悬索桥体系转换。创新点六：结合水域环境特点，提出因地制宜的景观塔桥装饰施工方案，提升了装饰工程观感质量，解决了水上建筑装饰耐久性差的问题。创新点七：为实现传统文化古城对桥梁景观设计的特殊要求，提出了具有新颖性和独创性的双层自锚式悬索景观塔桥，将传统文化中的楼阁与现代悬索桥有机结合，如图10、图11所示，桥塔既为自锚式悬索桥的主塔，又为建筑阁楼，形成了一座独特的塔楼一体建设的新型悬索桥，如图12所示。图8钢梁吊装图9万福大桥地震分析模型图10GRC椽条图11塔楼宝顶60江苏建筑2022年第6期（总第225期）效果良好，可为类似工程施工提供经验。参考文献1李大庆.浅析钢结构设计中的常见问题J.江苏建筑，2012（S1）：32-34.2朱恒怡.型钢混凝土梁在我国的研究进展J.江苏建筑，2013（04）：36-40.3高伟，陈忠范.型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力研究J.江苏建筑，2021（01）：14-17+764史高林，王琨，智海祥，顾明君，刘宏潮.型钢混凝土结构组合框架节点抗震性能研究综述J.江苏建筑，2017（02）：22-24.5袁金虎,陆彬.超高层建筑钢结构施工安全问题分析及对策研究J.江苏建筑，2018（01）：81-83.6钢结构设计规范：GB 500172017S.北京：中国建筑工业出版社，2017.7钢筋机械连接技术规程：JGJ 1072016S.北京：中国建筑工业出版社，2016.8混凝土组合结构施工规范:GB 509012013S.北京:中国建筑工业出版社，2013.9钢结构工程施工规范：GB 507552012 S.北京：中国建筑工业出版社，2012.10李杰，李奎明.钢筋混凝土短肢剪力墙结构非线性分析研究J.建筑结构学报，2009，30(01):23-30.11窦鹏.浅论型钢混凝土框架结构优化设计方法J.建材与装饰，2016（02）：82-83.4结语基于工程实践和科技总结，获授权发明专利2项，实用新型专利4项，省部级工法7项，各项创新技术的应用，建造出国内首座塔、楼一体化自锚式悬索桥，实现了桥梁与建筑的完美融合，工程获得“国家优质工程奖”、上海优秀设计一等奖等；通过研究、总结具体工程实践的经验和做法，形成了针对该桥型的成套建造技术，为今后同类型桥梁建设提供有力的技术支持。参考文献1周德，张羽龙，王宁波，等.独塔对称自锚式悬索桥简化解析解研究J.铁道科学与工程学报，2022，19（03）：760-767.2朱锋.自锚式悬索桥仿真模拟实例分析J.市政技术，2022，40（06）:17-21.3周德，张羽龙，黄方林，等.大跨度独塔自锚式悬索桥桥面结构形式的对比研究J.铁道科学与工程学报，2022，19（04）：1024-1031.4林佳漫.高速公路大跨度自锚式悬索桥工程中的主缆架设施工工艺J.工程建设与设计，2022(16):134-136.5黄浩.BIM技术在双塔自锚式悬索桥施工中的应用J.土木建筑工程信息技术，2022，14（03）：97-103.6黄剑锋，徐洲，彭鹏.自锚式悬索桥“先缆后梁”施工临时锚碇方案研究J.桥梁建设，2021，51（05）：130-137.图12整体图（上接第46页）61