泰州长江大桥设计及创新.ppt

泰州长江大桥设计及创新,韩大章,江苏省交通规划设计院有限公司,1.项目概况及技术标准,2.主桥方案选择,3.三塔悬索桥设计,4.关键技术问题及创新,汇 报 内 容,1.,项目概况及技术标准,泰州大桥位于江苏省长江中段，北接泰州市，南连镇江市和常州市，大桥上游距润扬大桥,66km,，下游距江阴大桥,57km,。,镇江市,扬州市,扬中市,常州市,泰州大桥,润扬大桥,江阴大桥,泰州市,1.,项目概况及技术标准,泰州长江公路大桥位于江苏省长江的中段，处于江阴长江大桥和润扬长江大桥之间，北接泰州市，南联镇江市和常州市,项目全长,62.088km,，包括主江大桥和夹江大桥及相应引桥接线工程。项目总投资,93.7,亿元，项目总工期为,5,年半。,项目区域地貌上属长江三角洲冲积平原区，地势平坦开阔,跨江大桥工程包括主江大桥工程和夹江大桥工程。,主江大桥的,起点为北岸引桥桥台与北岸接线工程的交界点，起点桩号为,K12+795.000,；终点为南岸引桥桥台与南岸接线工程的交界点，终点桩号为,K19+,564.286,；全长,6769.286 m,。,夹江大桥的起点在,K22+597.75,处，终点在,K25+412.75,，全长,2815 m,1.,项目概况及技术标准,公路等级：双向六车道高速公路,设计车速：,100 km/h,桥梁结构设计基准期：,100,年,车辆荷载等级：公路,-I,级,桥面净空及标准横断面：桥梁标准宽度：,33 m,，净空高度为,5m,1.,项目概况及技术标准,纵坡：,3%,横坡：,2,抗震设防标准：,抗风设计标准：,运营阶段设计重现期：,100,年,施工阶段设计重现期：,10,30,年，根据具体情况采用,设计洪水频率：主桥、引桥,1/300,跨江大桥设计水位：,(85,国家高程系统,),1.,项目概况及技术标准,通航净空尺度：,760+220m,，,净高50,m,24m,1.项目概况及技术标准,2.主桥方案选择,3.三塔悬索桥设计,4.关键技术问题及创新,桥位区大部分河床面高程,在,-15,-20m,间,深泓在右侧、最深处河床,高程,-30m,2.0m,高程水面线宽约,2100m,左岸边坡较缓，一般在,1,：,3,右岸的边坡较陡，接近,1,：,2,河床断面一般情况,桥位区水下地形,桥位河床断面,2.,主桥方案选择,桥型方案构思,2.,主桥方案选择,2.,主桥方案选择,桥型方案比选,2.,主桥方案选择,桥型方案比选,结合大桥桥位河床断面特性及桥位处的自然环境条件，以最大限度保障通航、保障长江深水岸线利用、建设节约型工程为根本出发点，主桥最终选择了,三塔两跨悬索桥,方案，跨径布置为,390+1080+1080+390m,。,为世界首次建造千米级三塔两主跨悬索桥。,桥位下游长江北岸岸线利用,设计阶段基础资料、专题及科研成果报告一览表,1.项目概况及技术标准,2.主桥方案选择,3.三塔悬索桥设计,4.关键技术问题及创新,日本来岛大桥,3.,三塔悬索桥设计,3.1,多塔悬索桥国内外设计及研究现状,美国旧金山,奥克兰海湾大桥,日本南、北备讚濑户大桥,3.,三塔悬索桥设计,3.1,多塔悬索桥国内外设计及研究现状,以前，在需连续大跨布置时，多将两座或三座悬索桥联袂布置，中间共用锚碇,。,位于法国中部的,Chateauneuf,桥是一座五跨悬索桥，建于,1840,年，,1937,年重建，桥宽,7m,，跨径布置为,49.15m+3x59.50m+49.15m,。,3.,三塔悬索桥设计,3.1,多塔悬索桥国内外设计及研究现状,19,世纪和,20,世纪上半叶，欧洲建造了多座小跨径多塔悬索桥，大部分采用塔顶纵向水平束来提高结构刚度。,莫桑比克,Save,河桥,1965,年莫桑比克建成的,Save,河桥,2,（见下图）是目前在正式文献中唯一见到的已建多跨悬索桥，在莫桑比克独立前由其宗主国葡萄牙设计和建造。该桥为五跨连续无加劲斜吊索悬索桥，跨径布置为,110+3,210+110,m,，,全长,870,m,，,桥宽,10.6,m,1961,年,7,月建成日本小鸣门桥两个主跨均为,160m,，总长为,441.4m,，桥宽为,7m,，中塔为钢筋混凝土,A,形塔。,3.,三塔悬索桥设计,3.1,多塔悬索桥国内外设计及研究现状,智利,Chacao,海峡悬索桥,主跨跨径为,1055m+1100m,，采用钢加劲梁，全宽,23.3m,，高,3.5m,，为双向四车道；主缆间距为,21.6m,；中间塔采用,A,型中塔，以保证其刚度。,该桥因资金筹措原因至今未实际展开。,智利,Chacao,海峡悬索桥加劲梁断面,3.,三塔悬索桥设计,3.1,多塔悬索桥国内外设计及研究现状,青岛海湾大桥,的工可曾提出主跨,2x,1200m,的三塔悬索桥,方案。,阳逻大桥,的初步设计提出主跨,2x700m,的三塔悬索桥,方案，中塔采用混凝土,A,型塔,3.,三塔悬索桥设计,3.1,多塔悬索桥国内外设计及研究现状,桥跨布置为：,390+1080+1080+390m,三塔悬索桥跨布置,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,三塔悬索桥跨布置,三塔悬索桥墩位,右岸岸坡较陡，主塔距水边的距离稍许加大，以避免主塔基础施工堆载对边坡造成不利影响。,右岸坡较陡，右边塔不宜向江中移动，如主跨跨度减小为,2x1040m,，由于南边塔控制点不动北边塔塔向江中移动,80m,，主跨跨度减小,3.7%,，主塔基础设置在,-2.0m,的浅水中，施工大为不便。,桥位处,2.0m,高程水面线宽度,2100m,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,北锚碇位置选择,南锚碇位置选择,北锚前沿距大堤最小水平距离,134m,，另一个方向,175m,。,考虑到结构对称性和景观上的需要，南岸边跨也取为,390m南锚碇前沿距大堤堤顶的水平距离较北岸大，为,193m,，,三塔悬索桥跨布置,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,桥跨结构合理的竖向刚度,主缆与鞍座间抗滑移安全,中塔本身的强度及稳定安全,尽量降低工程数量,主要目标,中塔的刚度（材料、外形、塔高）,结构支承体系（支承模式、中央扣等）,关键,结构行为特点,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,三塔悬索桥结构比选,中 塔,支承体系,其 它,塔型,边中塔高差,材料,结构比选,A,型塔,I,型塔,人字型塔,混凝土,钢,钢与混凝土混合,塔梁间纵、横、竖向连接,中央扣,矢跨比,边塔,主梁高度,中塔基础,锚碇基础等,3.,三塔悬索桥设计,桥跨竖向刚度合适,主缆与鞍座间抗滑移问题得到较好的解决,中塔强度安全有保障,中塔稳定满足规范要求,中塔及中塔基础工程规模较小,比选一般原则,A,型塔,I,型塔,人字型塔,中塔考虑塔型,中塔方案比选,3.,三塔悬索桥设计,中塔方案比选,结论：,方案一作为中塔推荐方案。,3.,三塔悬索桥设计,结论：,与中塔推荐方案对应的方案一作为边塔推荐方案。,边塔方案比选,3.,三塔悬索桥设计,边塔刚度比较,边塔刚度对主要构件内力和变形基本没有影响。,3.,三塔悬索桥设计,中边塔高度比较,塔高比较的主要结果,3.,三塔悬索桥设计,中边塔高度比较,塔高比较的主要结果,塔高比较结论,经多方面综合比选,再考虑景观因素，最终采用中塔较边塔高,20m,（第三方案）的主塔高度方案。,3.,三塔悬索桥设计,支承体系比选,1,、主梁与中塔的竖向连接,竖向竖向支座,设,0,吊索,梁塔间竖向不约束,结论：,中塔处不设竖向刚性约束、但设竖向限位挡块的支承方式。,通过上下游竖向限位挡块联合作用，使主梁的扭转振动得到一定程度的约束，对于减小风荷载作用下扭转振动的振幅有所帮助。,3.,三塔悬索桥设计,支承体系比选,2,、主梁与中塔的纵向连接,纵向不约束,弹性索约束,刚性挡块约束,梁塔间纵向设约束,显著提高主缆与中主鞍座间抗滑移安全系数,减小加劲梁竖向挠度,改善中主塔受力,极大的减小加劲梁纵向活载位移,结论：主梁与中塔间设置纵向弹性约束，构造相对简单,3.,三塔悬索桥设计,支承体系比选,3,、中央扣,不设中央扣,设一对柔性中央扣,设三对柔性中央扣,3.,三塔悬索桥设计,支承体系比选,结论：不采用设中央扣方案。,3,、中央扣,优点：,减小加劲梁纵向活载位移,只设置一对中央扣，效果不显著,设三对中央扣，对抗滑移及加载跨的挠度有改善,缺点：,存在卸载、疲劳破坏隐忧,主梁上的锚固构造比较复杂,弹性索的拉力有较大增加,3.,三塔悬索桥设计,矢跨比比选,随主缆矢跨比的减小：,主缆丝股的抗滑安全系数,K,有所增加，但增加幅度不大,对中塔截面的应力影响不大,主梁挠度同步增加,主缆、锚碇的工程数量增加,3.,三塔悬索桥设计,随着主缆矢跨比减小：,扭转基频减小,竖弯基频增加,扭弯频率比减小,颤振临界风速减小,综合全桥静、动力分析比选，以减少工程数量为考量，三塔悬索桥方案,主缆矢跨比采用,1/9,。,矢跨比比选,3.,三塔悬索桥设计,加劲梁梁高比较,加劲梁高度的变化，对活载挠度有轻微影响,对其他指标基本没有影响。,3.,三塔悬索桥设计,加劲梁梁高比较,梁高增大，对提高抗风稳定性十分有利。,3.5m,比,3.0m,增加的钢料有限,结论：综合静动力比较，初步设计加劲梁高度取,3.5m,。,3.,三塔悬索桥设计,中塔基础比选,圆形沉井,矩形沉井,群桩基础,118,根,3.1m/2.8m,钻孔灌注桩。桩长,105m,。,长宽高,58.644.5,76m,直径,64m,高,76m,3.,三塔悬索桥设计,中塔基础比选,经综合比较,圆角矩形沉井优于圆形沉井。,3.,三塔悬索桥设计,中塔基础比选,经综合比较,推荐沉井方案。,3.,三塔悬索桥设计,锚碇基础方案比选,矩形沉井基础,北锚碇,52.0m58.857m,；南锚碇,50.0m56.851m,。,矩形沉井,3.,三塔悬索桥设计,锚碇基础方案比选,圆形沉井基础,北锚外径,65m,，南锚外径,63m,，沉井高分别为,57m,和,51m,。,圆形沉井,3.,三塔悬索桥设计,锚碇沉井基础方案比选,矩形沉井布置紧凑，与锚碇外形良好匹配，纵向刚度大，受力合理。,结论：,推荐矩形沉井基础方案矩形沉井与圆形沉井工程数量比较,(,以北锚为例,),3.,三塔悬索桥设计,不同持力层沉井工程数量比较表,浅埋：,由于软塑的亚粘土（北锚）和稍密的粉砂（南锚）承载力太低，易沉降，不宜作为持力层。故不考虑该方案。,中埋、深埋的比较：,虽然深埋于,中砂层,的地基承载力较中埋于,粉砂层,要大，但由于锚碇受力的特点决定了沉井的最小平面尺寸是由基底的偏心距控制的。深埋时沉井平面尺寸为,52.850m,，深度,65m,，因此工程数量、施工难度和费用均大于中埋方案。,3.,三塔悬索桥设计,锚碇沉井埋深比选,主要计算结果,锚碇沉井埋深比选,3.,三塔悬索桥设计,锚碇基础方案比选,地下连续墙,外形尺寸与沉井相同，墙体锚固于基底以下,29m,（北锚）和,26m,（南锚）,南锚墙体高,77m,，北锚墙体高,86m,。,3.,三塔悬索桥设计,锚碇基础方案比选,结论：推荐矩形沉井基础方案。,3.,三塔悬索桥设计,主桥结构方案主要比选一览表,3.,三塔悬索桥设计,支承体系,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,主缆和吊索,每根主缆由,169,股索股组成，每根索股由,91,丝直径为,5.2mm,的镀锌高强钢丝组成。,钢丝极限抗拉强度为,1670MPa,，单根索股无应力长约,3100m,。,吊索采用高强平行钢丝，吊索标准间距为,16.0m,，钢丝标准强度为,1670MPa,。上下两端均采用销接式，锚头采用热铸锚。,索夹采用销接式，索夹材料采用,ZG20SiMn,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,主缆矢跨比采用,1/9,，主缆横向中心距为,34.8m,。,加劲梁,梁高,3.5m,，全宽,39.1m,，内侧普通车道和紧急停车带顶板厚,14mm,，并采用,6mm,厚,U,形肋加劲，外侧重车道,6m,范围内顶板厚,16mm,，并采用,8mm,厚,U,形肋加劲，采用,Q345d,钢。,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,边塔设计,群桩基础，单桩直径,2.8m,，共,46,根，桩长,98m,（南塔）和,103m,（北塔），按摩擦桩设计；,哑铃型承台，平面尺寸,32.632.556m,，厚6m,；,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,混凝土索塔，塔高,175.7m,。,边塔基础,北边塔,46,根,3.1,2.8m,钻孔灌注桩，桩长,103m,，,南边塔,46,根,3.1,2.8m,钻孔灌注桩，桩长,98m,。,承台平面尺寸为,78.06m 32.8m,，厚,6m,为哑铃状。,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,锚体结构,南北锚碇结构相同。,后锚体高度为,18.48,米，锚碇长度,50.3,米，后锚体横向宽度,47,米。,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,南锚碇基础,南锚碇采用,52.0m67.9m,，沉井高,41m,，平面布置了,20,个井孔。,沉井底节,8m,为钢壳混凝土，其余节为钢筋混凝土。,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,北锚碇基础,北锚沉井采用,52.0m67.9m,，沉井高,57m,，平面布置了,20,个井孔,沉井底节,8m,为钢壳混凝土，其余节为钢筋混凝土。,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,中塔基础,平面尺寸为,58m 44m,钢沉井高,38m,，砼沉井高,38m,，沉井总高,76m,。,整个沉井基础将下沉到标高,-70m,的深度，施工中受水流、潮汐、大风、河床冲刷等不利因素影响，技术难度极大。,3.,三塔悬索桥设计,3.2,结构方案设计,中塔防撞措施,根据,船舶撞击数模分析及基础防撞研究报告,：,低水位斜角度撞击时，球鼻艏可能直接撞击井壁；,高水位斜角度撞击时，船舶的艏部前端结构可能直接撞击墩身,。,5,万吨级船舶低水位,45,度角撞击分析,5,万吨级船舶高水位斜角度撞墩身分析,3.,三塔悬索桥设计,为避免塔身遭到大型船舶的撞击，,考虑在井冒外加钢质套箱,，,钢质套箱的设置有,以下二个方案：,中塔防撞措施,3.,三塔悬索桥设计,主要施工步骤,钢沉井制造、拼装、下河,钢沉井浮运、在墩位或拼装码头处接高，墩位锚碇定位,压水着床、钢沉井井壁砼填充,沉井钢筋砼井壁接高、下沉,沉井封底、承台施工,中塔大型沉井基础施工,3.,三塔悬索桥设计,中塔大型沉井基础施工,3.,三塔悬索桥设计,中塔大型沉井基础施工,3.,三塔悬索桥设计,纵向人字型钢塔，塔高,191.5m,交点以上、以下塔高分别为,122.0m,和,69.5m,。两条斜腿在塔底的叉开量为,34.75m,。斜腿段倾斜度为,1,：,4,。,设两道横梁。,高程,+135.04m,以下采用,Q420qD,钢，其余节段及上下横梁均采用,Q370qD,钢。,3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,中塔主要构造,顺桥向：,塔顶,6.6m 10.6m,10.6m 15.54m,6.0m,横桥向,:5m,塔柱,:,单箱多室布置,壁板厚,:44mm,60mm,腹板厚,:44mm,60mm,加劲肋,:40mm,48mm,直线,圆曲线,(,下塔柱,),(,等宽,),3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,塔柱节段的划分与连接,共,21,个节段,节段长度：,7.5m,15m,最大节段,D5,：,495t,D5,段以上节段：,140t,以内,传压力时：,壁板、腹板各按,50,计，,加劲肋按,40,计,有拉应力时：,全按高强度螺栓传递,均采用,M30,摩擦型高强螺栓,3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,3.,三塔悬索桥设计,3.3,中钢塔设计,下塔柱架设：浮吊大节段安装,减少了节段现场接缝数量，,加快了施工进度。,3.2,结构方案设计,3.,三塔悬索桥设计,上塔柱架设：塔吊安装,保证了节段安装精度；确保了施工安全。,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,吊臂与吊重范围,起吊能力与节段划分,3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,吊臂长度在,22m,左右，起吊重量限制在,150t,以下，加上,8t,吊具，实际有效吊重在,142t,以内。,3.2,结构方案设计,为增加节段长度，减少横向拼接缝，考虑采用竖向分块方案,3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,为取消竖向螺栓拼缝，增加景观效果，将竖向拼缝设于中腹板处,3.,三塔悬索桥设计,竖向拼接大样,竖向拼接大样,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,塔顶纵向不平衡力对塔底的力矩主要,由两塔柱轴向力与张开距离予以平衡,汽车一跨满载，一跨空载情况截面纵向弯矩值最大；非加载侧有拉应力出现,恒载及两跨满载作用时，塔柱轴向压力引起承台内的水平拉力,塔底锚固方案,塔根受力特点,3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,塔柱与承台连接方式,铰接,固结,连接受力简单、承台受力明确,需设置大型钢支座，更换困难,不采用,螺栓锚固法,塔柱埋入法,承压板与承台顶面传递压力,螺栓锚固承担弯矩引起的拉力,通过剪力件及砼受剪传力,易造成砼内部受拉，承台受力不利,截面拉应力由螺栓传递到承台底面,对承台的受力较有利,不采用,推荐采用,塔底锚固方式构思,3.,三塔悬索桥设计,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,塔柱与承台的连接,塔底截面布置,34,根直径为,130mm,的,40CrNiMoA,螺栓,单个螺栓预拉力为,3500KN,中钢塔设计,3.2,结构方案设计,上部结构主要,施工流程,3.,三塔悬索桥设计,1.项目概况及技术标准,2.主桥方案选择,3.三塔悬索桥设计,4.关键技术问题及创新,全新的大跨径桥梁结构形式,泰州大桥主桥为世界第一的,21080m,特大跨径三塔两跨悬索桥，是悬索桥结构体系的一次大胆创新，世界上至今尚无长大跨径的多塔连跨悬索桥建成的实例，没有现成的设计、施工经验可循，存在着大量的工程技术难题。,4.,关键技术问题及创新,一、,三塔悬索桥解决了以下三个关键问题,：,1）桥跨竖向刚度合适，加载跨的竖向挠度控制在一定范围之内。最不利工况作用下，由活载引起的桥面纵坡控制在合理范围；,2）主缆与鞍座间抗滑移问题得到较好的解决，基于主缆钢丝与鞍座间摩擦力保障抗滑移稳定；,3）中主塔本身的强度安全有充分保障，压曲稳定性能满足要求，中主塔如采用钢塔则在大桥服务期内不因疲劳而损坏。,4.,关键技术问题及创新,4.,关键技术问题及创新,对策措施,关键控制指标的确定（配合模型试验）,中塔塔型及刚度选择,支承体系,成果,该桥是国内也是世界上首次建造千米级跨度的三塔悬索桥，成功地突破了世界上大跨径悬索桥只是双主塔的模式,为国内外建造大跨度多塔悬索桥提供了经验、在该桥型的研究方面具有突破性的进展和实质性创新。,多塔悬索桥的中间塔在设计及施工上面临着诸多难题，为多塔悬索桥的关键。节段的最大吊装重量达,450t,，设计无现成经验可循，加工制造和安装的精度要求极高，线型控制与风险管理缺乏可借鉴的工程实绩。为国内首座全钢索塔。,4.,关键技术问题及创新,二、钢中塔设计及制造、安装,设计采用单箱多室的截面方案，成功地满足了全桥总体刚度要求与中塔自身的强度与刚度的要求；,纵向与横向分块相结合的节段划分方案，解决了加工制造与吊装能力的问题。,4.,关键技术问题及创新,对策措施,4.,关键技术问题及创新,1中塔的深水基础在继承国内已有的工程经验基础上，采用了浮式矩形沉井基础形式，在长江上采用如此规模的钢壳浮运混凝土接高的沉井型式还是首次。,2该型式的基础是一种集结构要求与施工目标为一体的构造物，既有良好的受力稳定性、又节省材料，为以后深水基础的采用提供了技术经验。,3该基础型式防撞及抗震性能好，造价相对低，但施工难度和风险较大。,三、深水特大型沉井基础,谢谢各位代表！,