上海市黄浦江卢浦大桥设计.pdf

上海市黄浦江卢浦大桥设计林元培 章曾焕 马 周 良(上海市政工程设计研究院)(上海市城市建设设计研究院)摘要:卢浦大桥为主跨 550m 的中承式拱梁组合体系钢拱桥。桥下通航净空 46 340m。桥面使用宽度 2918m(双向 6 车道)。该桥为目前世界上跨径最大的拱桥。本文介绍此桥设计的有关内容。关键词:钢拱桥;设计中图分类号:U448 文献标识码:A文章编号:1000-131X(2005)01-0071-07LUPU ARCH BRIDGE,SHANGHAILin Yuanpei Zhang Zenghuan Ma biaoZhou Liang(Shanghai Municipal Engineering Design Institute)(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute)Abstract:The Lupu Bridge is a steel hal-f through tied arch bridge with spans 100m+550m+100m.The rise of main-span arch is100m.The bridge has 6 lanes in twoways and thewidth of the deck for service is about 2918m.The bridge is theworld.s largest spanarch bridge at precent.This paper introduces on the design of this arch bridge.Keywords:steel arch bridge;design收稿日期:2004-11-041 工程概况鲁班路越江工程位于上海市区的南面,是市区穿越南北快速干道的重要节点,也是市区建设的黄浦江第七座越江设施。工程按规划走向,北起南北高架道路干线上的鲁班路立交北端预留接口,向南跨过黄浦江后与济阳路接顺,沿规划济阳路至外环线(环南一大道),主线基本为南北走向,工程范围全长 817km,全线红线宽度 40 50m。主桥桥位距下游南浦大桥3km,距上游徐浦大桥约 7km。2 主要设计技术标准道路等级:城市主干道。设计车速:60kmP h。最大纵坡:主线 5%,匝道 614%。主桥桥宽:双向六车道,车行道总宽 24150m;每侧观光人行道宽 210m。航道净空:净高 46m(含 2m 富裕高度),净宽340m。计算荷载:汽车-20 级,验算荷载:挂车-100。人群 荷载:4kNP m2,全桥均 布人群 荷载:214kNP m2。抗震:地震基本烈度 7 度。3 主桥总体设计311 建筑造型和主桥结构体系目前世界上已建成的大跨径拱桥如美国新河谷桥(跨径518m)和澳大利亚悉尼桥(跨径503m)均为桁架拱桥,从建筑造型角度看,箱型拱桥方案具有杆件数量少,构造简洁、美观等优点。施工图设计阶段,根据初设评审专家和国内著名建筑专家的意见,卢浦大桥主桥的设计方案又进行了数次优化、细化和深化。最终卢浦大桥主桥采用变高度钢箱型拱桥方案。优化后的卢浦大桥建筑造型更为美观、简洁、流畅。主桥桥型结构采用适合上海软土地基的中承式系杆拱桥。主桥两边跨端横梁之间布置强大的水平拉索,以平衡中跨拱肋的水平推力。加劲梁通过吊杆或立柱支承于拱肋之上。边跨加劲梁分别在中跨和边跨的拱梁交汇处与拱肋固结。中跨加劲梁的两端支承于中跨拱梁交汇处的横梁上,端支承为纵向滑动支座,横向和纵向设置阻尼限位装置。其结构体系见图 1所示。第 38卷 第 1期土 木 工 程 学 报Vol138 No 11 2 0 0 5 年 1 月CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALJan1 2005图 1 主桥结构体系示意图Fig11 Bridge elevation and plan312 主桥跨径组合与纵向线形设计桥位处黄浦江规划岸线宽度为 480m。主桥一跨过江、江中不设墩。主桥中孔跨径 550m、矢高 100m(矢跨比 fPL=1P 515),跨径组合:100m+550m+100m=750m。主桥桥面竖曲线半径:R=9000m。桥面最大纵坡:215%,横坡:2%。313 上部结构设计31311 拱肋拱肋截面形状为陀螺形,其截面见图 2 所示。中拱截面总高 910 610m,边拱截面总高 910 710m。拱肋上半箱为矩形截面:宽 510m,中跨部分从拱脚610m 高渐变至拱顶的 310m 高,边跨部分则为 610410m 高;下半箱为倒梯形截面:顶宽 510m,底宽310m,高 310m。中拱顶板厚 30 32mm,拱梁结合段加厚至65mm;底板厚 42 45mm,拱梁结合段加厚至65mm;腹板厚 22mm,拱梁结合段加厚至 32mm;中板厚 20mm,拱梁结合段加厚至 30mm;边拱顶板厚30mm,底板厚 40mm,腹板厚 20mm,中板厚 20mm。拱肋加劲采用T 型加劲。31312 系梁及横梁边跨三角区系梁截面为闭口钢箱梁,其截面见图3所示。箱梁宽 4110m,高 217m。顶板厚 13mm,U形加劲厚 6mm,底板厚 10mm,横梁间距 31375m。边跨系梁与拱肋、立柱、边拱末端横梁、中跨拱梁结合段横梁固结。边拱末端横梁、中跨拱梁结合段横梁是联系拱肋之间以及拱梁之间的重要构件,其构造设计分别见图 4、图 5。中跨系梁为开口钢箱梁,即双主梁(箱梁)+横梁结构体系,其截面见图 6 所示。箱梁宽 3915m,高217m。顶板厚 14mm,U 形加劲厚 8mm,横梁间距为图 2 拱肋截面Fig12 Section of arch rib31375m。中跨系梁通过吊杆支撑于拱肋之上。中跨系梁两端则通过支座与中跨拱梁结合段横梁相连接。31313 风撑桥面以上全桥共设 25 道一字形风撑,水平间距1315m,风撑为变高度矩形截面,顶底板分别与拱肋的顶板、中板对齐。桥面以上第一道风撑高约 413m,宽 411m,其它风撑高 41115 21942m,宽 211m。桥面以下每侧边拱、中拱分别设 2 道 K 撑。K 撑亦为矩形截面,高约 216m,宽 216 311m。风撑截面形式详见图 7。31314 立柱一侧边跨三角区系梁下共设 4 2 根立柱。立柱为矩形截面,其中主墩顶大立柱断面为 5m 5m,其小立柱断面为5m 215m。立柱截面详见图 8。#72#土 木 工 程 学 报2005年图 3 边跨系梁断面Fig13 Section of side span girder图 5 中跨横梁截面Fig15 Section of crossbeam at main span图 4 尾端横梁截面Fig14 Section of end crossbeam at side span图 6 中跨系梁断面Fig16 Section of main span girder图 7 风撑截面形式Fig17 Section of wind brace31315 吊杆与水平拉索中跨吊杆顺桥向间距 1315m,共 28 对,为双吊杆。吊杆横桥向与拱肋在一个平面内(对称倾斜1B5)。全桥共有二组水平拉索,布置在两片边拱拱端。每组由8 根拉索组成,拉索采用预制平行钢丝索、冷铸锚具。水平拉索的总索力约 19.6kN,用以平衡中跨拱肋的恒载水平推力。314 基础设计31411 主墩主墩 基 础 采 用 900mm 钢 管 桩,桩 尖 标 高-6310m-6710m。钢管桩数量:浦东主墩基础共计#73#第 38卷 第 1 期林元培等#上海市黄浦江卢浦大桥设计118 根,浦西主墩基础考虑雪龙港局部加强共计 128根。图 8 立柱截面形式Fig18 Section of column主墩承台高 315m。单个承台平面尺寸2712m(纵桥向)1814 2115m(横桥向)。承台横桥向中心距为51m,承台之间通过系梁连结。31412 地基加固为加强主墩基础对上部结构水平力的抵抗能力,并限制主墩在水平力作用下的变位,对主墩基础的一定范围进行了土体加固。土体加固采用格栅状布置的 700 水泥土搅拌桩,河向侧采用1000 旋喷桩方案,桩桩相连形成整体。31413 拱座设计拱座是中跨、边跨拱肋及大立柱的连接节点,同时又是上部钢结构与下部混凝土承台的连接节点。拱肋通过拱座传递的垂直分力和水平分力达 20 30kN。施工时拱座还传递大立柱的巨大垂直力。为克服 1 P 5倾斜拱肋产生的横桥向水平分力而施加的水平预应力也作用在拱座上,作为这些力系交汇点的拱座受力复杂,是设计的关键节点。拱座设计采用钢混凝土混合拱座,分上部钢拱座和下部混凝土拱座,即拱肋中板以上的矩形部分采用钢拱座将中跨与边跨连接,拱肋中板以下的梯形部分通过端板直接作用在混凝土拱座上。拱肋的大部分顺桥向水平分力直接通过钢拱座传递相互平衡,垂直分力及不平衡的顺桥向水平分力、弯矩则由钢拱座底板、中跨、边跨拱肋端板共同作用传递至混凝土拱座。横桥向水平分力通过承台系梁中的水平拉索平衡锚固在混凝土拱座上。大立柱的垂直力通过钢拱座传递给混凝土拱座及承台。4 卢浦大桥和世界上已建成的大跨径钢拱桥的用钢量指标比较 从表 1 中可以看出,卢浦大桥与世界上已建成的大跨径拱桥相比,用钢量基本相近。这里需要特别说明两点:(1)国外已建成的大跨径拱桥都是建造在岩石地基上的。而卢浦大桥则建造在软土地基上,因此为了平衡拱的水平推力,需额外增加强大的水平拉索及相应的锚固和支承构造等的用钢量。(2)随着跨径的增大,即使荷载保持不变,拱的受力(轴力为主)也将同步增大,因而用钢量指标也将呈上升趋势。表 1 卢浦大桥和其它大桥的用钢量比较Table 1 Comparisons between the Lapu and other bridges跨度(m)桥长(m)主拱间距(m)钢重(t)用钢指标(tP m2)New River Gorge518 11 92316桥宽21 1015503(Arch)11425Sydney Harbor502 19 5021948 183700011508卢浦大桥55075632 10(使用桥宽 2918)3449911426(11531)5 主桥施工概述卢浦大桥主桥为全焊钢拱桥,除钢拱合龙段拱肋端口采用一端栓接、一端焊接外,其余拱肋、立柱和桥面加劲梁的现场连接均采用焊接连结。主桥施工方法可以归纳为以下三种不同施工方法的组合。511 主桥三角区结构施工主要可以分成以下几个部分(1)钢拱座和大立柱采用 300t 履带吊机分段吊装,现场拼装焊接。(2)钢拱肋按不同的安装位置采用了两种施工工艺。a)岸上部分拱肋采用支架法,分别用 350t 或300t 履带吊机分段吊装。b)水上部分拱肋采用斜拉扣索法悬臂拼装,用 1000t 浮吊大分段吊装。(3)桥面加劲梁根据不同条件用了三种安装方法。a)部分岸上桥面加劲梁用两台 300t 履带吊机双机抬吊,并带载行走安装到预设支架上。b)部分节段桥面加劲梁用 1000t 浮吊吊装并利用滑移小车纵向滑移就位。c)其余节段桥面加劲梁则直接用 1000t 浮吊吊装到位。(4)锚箱及端横梁采用支架法,用 350t 履带吊机分段吊装,现场拼装焊接。主桥三角区施工见图 9。512 中跨主拱采用斜拉扣索法施工通过临时索塔体系,用拱上吊机将拱肋预制节段吊装就位,然后进行拱肋节段连接的现场焊接、安装临时斜拉索,随后拱上吊机前移进行下一节段拱肋的安装。主拱合龙采用自然降温与少量外力顶推相结合的方法成功完成了主拱合龙段的连接(图 10)。#74#土 木 工 程 学 报2005年图 9 三角区施工Fig19 Construction of triangular zone图 10 中跨主拱施工Fig110 Construction of arch ribs in the main span513 中跨桥面加劲梁和水平拉索的安装施工借鉴了悬索桥的施工工艺 采用辅助猫道法架设超长、超重的水平拉索,并用托架悬挂体系作为施工过程中桥面加劲梁尚未安装到位时水平拉索的临时支承点。中跨桥面加劲梁采用改造后的拱上桥面吊机逐段进行吊装直至桥面加劲梁合龙。在对水平拉索的索力和中跨桥面加劲梁的安装标高进行全面调整后,通过现场焊接完成中跨桥面加劲梁节段的连接(图 11)。6 主桥设计施工的关键技术研究国外大跨径钢拱桥多采用桁架拱,卢浦大桥是目前世界上首座采用箱型拱结构的特大型拱桥,在设计上有所创新。主拱截面高 6 9m、宽 5m。主拱呈提篮式的空间结构型态,主拱立面线型为高次悬链线,横桥向以1B5向桥中心内倾,并与主梁、主墩、墩座等构造交错连接。上述布置确保大桥结构的整体受力#75#第 38卷 第 1 期林元培等#上海市黄浦江卢浦大桥设计图 11 中跨桥面加颈梁施工Fig 111 Construction of deck-girder in the main span性能,又使主拱的线型轻盈、美观。由于本桥的特点和设计施工的需要,有关设计、科研、施工等单位对以下内容进行了研究和试验。611 非线性闭口薄壁空间杆件稳定有限元法研究卢浦大桥拱肋为闭口薄壁钢箱构件超大跨径拱桥的结构分析需考虑其闭口薄壁结构的特性和几何非线性。该项研究推导了考虑闭口薄壁结构有轴向力作用的几何非线性分析的微分方程精确解和相应的空间杆件单元刚度矩阵(14 14),为国际首创。其创新点是:(1)计算应变时,考虑了正应变、剪应变的线性部分以及正应变的非线性部分,而忽略了计算量大但实际影响并不大的剪应变非线性部分(这点已在后评估中证实)。(2)在整个结构体系中假定在结点上乌曼斯基意义的 B c在各杆件连续且相等。据此编制的分析软件,具有应用的普遍性(当 K=0 与一般经典有限元法结果完全一致,当 K 0 时,可计算悬索桥的非线性内力及自振频率)和很高的非线性收敛速度(一般 011%精度的非线性迭代 3 4 次即可到位)。该软件已运用到卢浦大桥的设计中,保证了大桥的总体稳定,是卢浦大桥安全可靠和技术先进的理论基础。612 卢浦大桥几大关键性节点研究这些关键性节点包括主拱与主梁、横梁的空间连结节点构造,主拱与主墩基础的连结节点构造,边拱尾部锚固连结节点构造,以及施工临时索塔与主梁和大立柱的连接构造等。/超大跨径拱桥设计与施工重要节点构造结构计算分析及试验研究0 对这些关键节点方案进行了优化与比选,除进行有限元弹、塑性空间分析外,还进行了规模大、难度高的箱拱节段缩尺模型加载试验。通过/钢箱拱加劲肋参与整体作用、钢拱局部稳定分析试验研究0,验证了卢浦大桥箱拱局部稳定失稳的机理和综合安全度。通过/临时斜拉索背索连接器的设计与足尺破坏试验0 和/临时斜拉索与箱拱锚固吊耳的设计与模型的破坏试验0 等为大桥的施工、安全提供了依据。以上研究内容在国内外属首次,有独创性。613 超大跨径拱桥施工过程结构分析及施工控制技术研究 卢浦大桥采用综合三种不同桥型施工工艺的组合施工技术有如下特点:大桥施工过程结构体系转换多,与一般斜拉桥或悬索桥不同,施工控制需对多项目标进行监控。通过该课题的研究,提出了切实可行的优化施工安装顺序和明确合理的安装控制标准。通过施工过程中的监测-反馈-调整控制,大桥中跨拱肋悬臂拼装时采用按预低的拱轴线进行安装、控制,合龙前进行集中调索的方法高精度地实现了理论设计的主拱线型(合龙前实际线型与理论线型相差 2cm),确保了拱肋的安全合龙,成功地实现超大跨度结构由斜拉体系转换成拱桥体系,大桥成桥状态的受力合理、线型流畅。614 超大跨径拱桥等效风荷载及抗风稳定研究上海位于东南沿海地区,夏季受台风直接和间接影响很大,研究主拱结构和钢桥面体系在施工阶段和成桥状态的静风稳定问题和风振受力问题是本桥抗风性能研究的关键。615 超大跨径拱桥抗震性能及减震装置研究主跨达 550m 的钢拱桥,其抗震设计在我国根本#76#土 木 工 程 学 报2005年无规范可循。为此对本桥在地震作用下的性能、薄弱环节的位置及破坏机理等方面进行研究是十分必要的。616 临时索塔设计临时索塔是卢浦大桥主桥施工过程中关键的施工设备,它的主要功能是通过设置于索塔上的临时拉索承担中跨拱肋的悬臂拼装和三角区的内力调整等工作。索塔的安全可靠是全桥施工成败的关键。同时,设计中既要保证安全,做到万无一失,又要从经济角度考虑,不能过于保守而导致施工费用的上升。经与施工单位协商,临时索塔采用了类似于高层钢结构的构造型式,其基本构件为箱型柱和 H 型钢。临时索塔在整个施工过程中经受住了包括台风等的各种考验。确保了卢浦大桥安全、优质地建成通车。617 卢浦大桥施工关键技术研究卢浦大桥是目前世界上首座除合龙接口采用栓接外,其余现场接缝完全采用焊接工艺连接的特大型钢拱桥。虽然国内外已建成的拱桥为我们提供了许多可供借鉴的经验,但本桥在截面形式、构件重量、设备性能、工期要求等方面都与之存在着较大的差别。主桥钢结构加工和安装施工单位针对本桥构件重量大;安装精度要求高;钢结构现场焊接的工作量大、工期紧、高空焊接条件差;施工过程中体系转换步骤多;长达 760m 的大吨位超长水平拉索的制作、安装均无先例可查等特点分别进行了大量的专题研究。确保了主桥施工的安全、可靠、顺利。7 结 语卢浦大桥主桥于 2000 年 10 月开始主墩基础的打桩施工;2001 年 4 月开始上部钢结构安装施工;2002年 10月主桥中跨主拱顺利合龙。2003 年 6 月 28 日主桥全面建成通车。卢浦大桥由于采用一系列创新技术,使我国超大跨径拱桥的设计施工水平上了一个新台阶。这些创新技术的研制和成功运用,不仅在本桥的建设过程中体现出巨大的社会和经济效益,还将对今后的超大跨径拱桥建设起到推动和示范作用,为我国跻身世界建桥先进行列作出重要贡献。卢浦大桥获美国国际桥梁会议(IBC)2004 年 theEugene C.Figg Jr.Medal 奖。林元培 中国工程设计大师、上海市政工程设计研究院资深总工程师,从事大跨度桥梁设计施工及其相应的结构理论研究工作。通讯地址:200002 上海市中山北二路 901 号上海市政工程设计研究院章曾焕 上海市政工程设计研究院资深总工程师、教授级高工,从事大跨度桥梁设计和科研工作。马 上海市政工程设计研究院副总工程师、教授级高工,从事大跨度桥梁设计和科研工作。周 良 上海市城市建设设计研究院副院长、总工程师、教授级高工,从事桥梁设计、科研和管理工作。2006 国际薄壳及空间结构学会(IASS)学术讨论会亚洲及太平洋薄壳及空间结构学术会议(APCS)将于 2006年 10 月 16 19日 在中国北京召开组织 中国土木工程学会空间结构委员会,中国钢结构协会结构分会,北京工业大学主办 国际薄壳及空间结构学会议题 包括薄壳和空间结构的所有方面,有奥运体育建筑:选型、历史问题、功能要求、工程实践、工程介绍;薄壳和空间结构新形式:概念、模型、美学、新建项目;分析:找形、静力与动力分析、非线性性状、稳定;设计:计算方法、计算机辅助设计、风效应、抗震分析与设计;建造:材料、施工方法、项目管理、经济效果;减灾:风与地震振动控制、隔振、防火、防爆、维护与重建等。联系 100022 北京市平乐园 北京工业大学 IASS2006秘书处电话P 传真:86-10-67391496 电子信箱:IASS2006#77#第 38卷 第 1 期林元培等#上海市黄浦江卢浦大桥设计