上海长江大桥技术特点 邵长宇卢永成 ( 上海市政工程设计研究总院上海 200092) 内容提要 : 建设中的上海长江大桥位于长江入海口, 水下地形复杂, 地质条件差, 受台风影响频繁 为适应复杂的自然与建设条件, 采用了多种结构形式, 越江桥梁包括主跨 730m 斜拉桥 主跨 105m 连续组合箱梁 70m 跨度整孔预制吊装 PC 箱梁 60m 跨度节段预制拼装 PC 箱梁 50m 跨度移动模架现浇 PC 箱梁 主跨 140m 挂蓝现浇 PC 箱梁等结构形式 同时, 大桥需要预留轨道交通过桥功能, 特别是主航道主跨 730m 斜拉桥是世界最大跨度的公路与轨道交通合建斜拉桥 因此, 设计不仅要面对复杂的自然与施工条件, 还要处理好公路与轨道交通合建带来的技术问题 本文简要介绍上海长江大桥的技术特点 关键词 : 上海长江大桥斜拉桥连续组合箱梁整孔预制吊装节段预制拼装公轨合建 1. 概况 崇明越江通道工程由南向北以隧道形式下穿长江南港, 过长兴岛后以桥梁形式跨越长江北港, 到达崇明岛, 全长 25.5km 跨越长江北港的上海长江大桥( 成桥建筑效果如图 1), 全长 16.55km, 越江桥梁约 10km 大桥按照双向六车道高速公路标准, 设计行车速度 100km/h, 宽度 33m, 考虑崇明三岛建设与发展的需要, 为有效利用资源 为未来交通留有更大的空间, 设计需要考虑预留轨道交通过桥的功能 因此, 在双向六车道高速公路标准的基础上, 将两侧 3m 宽连续紧急停车带加宽至 4.15m, 桥面宽度成为 35.3m 使之在保持六个车道的情况下另设两条轨道交通线路 汽车荷载标准为公路 Ⅰ 级 ; 列车荷载按每辆车满载 48t 长度 16.5m 10 辆编组考虑 ; 轨道系荷载双线 66kN/m, 维修 逃生通道 10kN/m 本工程地处长江入海口, 受台风影响频繁, 抗风性能要求高 ; 江面开阔, 呈南北两个水道, 水下砂体较多 地形复杂 ; 桥区为典型软土地区, 地质环境条件相对较为脆弱 ; 主通航孔需考虑 5 万吨级船舶通航要求, 桥墩基础的抗船撞要求高 ; 施工条件复杂 施工时受水文 气象的影响较多 ; 工程处于淡水与盐水交替环境, 需研究针对性的防腐措施 因此, 本桥设计不仅要面对复杂的自然与施工条件, 还要处理好公路与轨道交通合建带来的技术问题, 同时作为长江口标志性工程需要重视桥梁建筑景观 2. 总体布置 2.1 桥式布置大桥工程越江桥梁部分主要由主通航孔 辅通航孔 非通航孔桥梁等组成, 越江桥梁总体布置见图 2 其中, 非通航孔桥梁包括两岸引桥与近岸浅滩区桥梁 江中深水区桥梁以及浅水浅滩区桥梁 越江部分桥梁总体布置及基本情况如表 1 桥梁位置 桥型与跨度 (m) 桥长 (m) 表 1 下部结构形式与施工方法 上部结构形式与施工方法 北岸陆上 30m 跨 PC 连续梁 480 混凝土管桩 现浇桥墩预应力箱梁, 支架现浇 近岸 50m 跨 PC 连续梁 750 钻孔灌注桩 现浇桥墩预应力箱梁, 移动模架现浇 辅航道主跨 140mPC 连续梁 440 钻孔灌注桩 现浇桥墩预应力箱梁, 挂蓝逐段现浇 江中浅滩 60m 跨 PC 连续梁 1920 钻孔灌注桩 现浇桥墩预应力箱梁, 节段预制拼装 江中深水 70m 跨 PC 连续梁 630 钢管打入桩 预制桥墩预应力箱梁, 整孔预制吊装
江中深水 105m 跨连续组合箱梁 700 钢管打入桩 预制桥墩组合箱梁, 整孔制作吊装 主航道主跨 730m 双塔斜拉桥 1430 基础全部为钻孔灌注桩辅助墩与边墩桥墩现浇 混凝土桥塔逐段现浇, 钢箱梁由梁上吊机对称吊装 江中深水 105m 跨连续组合箱梁 700 钢管打入桩 预制桥墩组合箱梁, 整孔制作吊装 江中深水 70m 跨 PC 连续梁 1610 钢管打入桩 预制桥墩预应力箱梁, 整孔预制吊装 近岸 50m 跨 PC 连续梁 750 钻孔灌注桩 现浇桥墩预应力箱梁, 移动模架现浇 南岸陆上 30m 跨 PC 连续梁 450 混凝土管桩 现浇桥墩预应力箱梁, 支架现浇 南岸陆上 21m 跨 PC 连续梁 108 混凝土管桩 现浇桥墩预应力空心板梁 2.2 线形布置在有关水文 通航等专题研究成果的基础上, 按照水中桥轴线尽量与水流流向正交, 满足两岸用地规划, 使两岸接线占地拆迁少的原则, 对桥轴线进行了布设 越江桥梁的平面路线呈 S 型, 不仅使主通航孔桥轴线与水流夹角更加合理, 同时桥梁景观也更加流畅多变 纵断面设计分别考虑了通航净高要求 设计水位 桥梁景观 工程造价 线路技术指标等因素, 并把比重最大的非通航孔桥作为重点, 结合平面线形设计对全桥纵断面线形进行了高中低三个方案的比较后, 选用了具有明显优势的低方案 本桥结构形式多样 高低起伏, 跨度布置也随所处位置变化, 但是跨度与桥梁高度基本协调 另外, 主通航孔桥, 绝大部分为梁式桥, 为此, 对墩形与梁式桥的外形进行了协调 ; 桥墩基本保持一致, 梁的悬臂板长度及腹板倾斜度等外形尺寸也基本保持一致 3. 结构设计 3.1 主航道斜拉桥 主航道桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥, 跨度布置为 107+243+730+243+107=1430m, 见图 3 桥塔为 人 字型混凝土结构, 桥面以上为独柱形式, 桥面以下分叉为倒 V 型与承台衔接 ; 上部斜拉索锚固区采用钢锚箱结构, 施工时分段吊装, 桥塔结构如图 4 钢箱梁为分离式结构, 两个分离钢箱之间间距 10m, 由纵向间距 15m 的箱型钢横梁连接成整体 ; 钢箱梁梁高 4m, 桥面全宽 51.5m( 含中间联系横梁和风嘴 ); 采用强度高 Q345qD 钢材, 顶面钢板厚度分 16mm 14mm 两种, 底面钢板与内腹板厚度分为 12mm 16mm 20mm 30mm 四种, 外侧锚固腹板厚度分为 30mm 40mm 50mm 60mm 四种加劲梁 钢梁截面如图 5 标准节段长以及梁上标准索距均为 15m, 斜拉索采用空间扇形双索面布置形式, 全桥共 192 根斜拉索, 塔上索距为 2.3m 拉索采用 PE 材料防护的预制平行高强度镀锌钢丝, 钢丝直径为 7mm, 抗拉强度为 1670Mpa, 锚具采用冷铸锚 主墩 辅助墩及边墩基础, 均采用大直径钻孔灌注桩 主墩基础选择第 ⑾ 层为桩基持力层, 辅助墩 边墩基础选择 92 层为桩基持力层 主墩 辅助墩及边墩基础分别采用 60 根 18 根 12 根直径 2500~3200mm 变截面钻孔灌注桩, 采用桩底后注浆工艺, 以提高桩的承载能力, 承台采用钢筋混凝土结构 主塔墩基础如图 6 所示 本桥决定采用阻尼限位约束体系, 约束参数综合考虑地震作用下的梁端位移 塔梁之间的相对位移 结构内力限制等, 最终确定的阻尼系数 C=10000, 阻尼器的速度指数 α= 0.3 刚性限位的额定行程主要考虑正常运营作用下 以及发生地震的情况下阻尼器有足够的行程, 确保不发生限制位移的情况, 为有效限制纵风作用下的结构反应, 同时为轨道交通创造尽可能有利的条件, 应尽可能取较小的行程, 本桥的额定行程最终取值为 62cm
3.2 非通航孔连续组合箱梁桥全桥共 2 联, 分别布置在主通航孔桥两侧, 跨度布置为 90m+5 105m+85m, 全长 1400m 上下行车道分成两幅桥, 均采用单箱单室截面, 上翼缘混凝土板宽 17.15m, 两端悬臂长各 4.0m, 槽型钢梁下翼缘底板宽 7.0m, 主梁横断面由斜腹板槽形钢梁与混凝土桥面板通过连接件结合而成, 等高度梁梁高 5m, 其中钢梁高 4.5m, 断面布置如图 7 钢梁钢板厚度沿顺桥向变化, 其中钢梁上翼缘板采用 24mm~44mm, 腹板采用 18mm~ 28mm, 底板采用 24mm~46mm 混凝土桥面板厚度沿横桥向变化, 悬臂端为 200mm, 钢翼缘上方为 500mm, 跨中为 300mm 每片箱梁钢结构拼装成整体, 接着完成桥面板施工与钢梁结合形成组合截面, 再整孔吊装 但是相应于中支点位置的 20m 长桥面板留待吊装后再施工形成组合截面 预制混凝土桥面板横桥向划分成 4 块, 纵向每块长 4.5m( 块件之间留有 50cm 现浇接缝 ), 桥面板配有横向预应力束 负弯距区采用允许混凝土桥面板开裂, 限制裂缝宽度的设计方法, 因此桥梁纵向无预应力束 为了改善负弯矩区钢梁底板的受力性能, 在各中支点处 20m 范围, 下翼缘浇注厚度 40cm 混凝土板形成双层组合作用 同时采用支座顶升和高配筋率两种方法相结合, 使负弯矩区混凝土桥面板在恒载作用下有一定的压应力储备, 但在活载等后续荷载作用下使混凝土裂缝宽度限制在一定范围内 基础采用钢管打入桩, 桩径 1200mm, 单幅桥每墩 14~16 根钢管桩 3.3 非通航孔 70m 跨 PC 连续梁桥全桥总长 2240m, 基本跨度布置 6 70m 一联 采用等高 等宽度的单室箱梁, 分成两幅桥, 每幅箱梁桥面宽 17.15m 高 4.0m, 断面布置如图 8 采用整孔预制 整孔吊装的施工方法 安装施工时先简支, 在浇注墩顶接缝段形成连续梁 预应力采用体内预应力体系, 在以往跨海桥梁经验的基础上, 为了便于预制 提高制梁设备通用性, 箱梁底板与腹板内的正弯距束, 在预制时锚于梁端, 箱梁底板无锚固块 由于箱梁预制在东海大桥梁场进行, 考虑到利用既有设备的需要, 箱梁采用斜腹板以保持底板宽度适应既有制梁台座 ; 对于预制梁重量进行了严格控制, 中孔约 2300t 边孔约 2350t, 以避免更大增加引起架梁对吊装船舶更高等级的要求 曲线段梁体的设计与直线段相同, 顶板悬臂长度根据曲率调整, 梁体预制长度保持不变, 曲线段引起的长度差异通过墩顶接缝现浇段调节 基础采用钢管打入桩, 桩径 φ1200mm, 单幅桥每墩 11~13 根钢管桩 3.4 非通航孔 60m 跨 PC 连续梁桥全桥总长 1920m, 跨度布置 7 60m, 每联长度 420m 采用等高 等宽度的单室箱梁, 分成两幅桥, 每幅箱梁桥面宽 17.15m 高 3.6m, 断面布置如图 9 采用节段预制 架桥机对称拼装的施工方法 拼装施工时逐孔推进, 预制节段梁从已完成梁上运送 ; 由于采用等跨连续梁, 边跨施工时需要考虑架桥机承受半跨的节段重量 为了便于预制与拼装施工, 箱梁底板与腹板变厚在三个节段内以台阶状进行, 每个节段保持等厚 ; 预制时按照无横坡进行, 拼装时形成桥面横坡, 在支座处设有调节垫块 节段划分以吊重 120t 为控制条件, 标准节段长 4m, 墩顶段长度除重量控制外, 需考虑利用架桥机施工的工作要求, 跨中合拢段 20cm; 曲线段引起的梁体长度差异分散在各预制节段调节 预应力采用体内与体外束混合体系, 顶板悬臂束以体内束为主, 每跨合拢后底板束和弯起连续束两者兼用 基础采用 φ1600mm 钻孔灌注桩, 单幅桥每墩 6 根 靠近辅通航孔段每墩 7 根
3.5 辅航道主跨 140mPC 连续梁桥辅航道桥跨度布置为 80+2 140+80m, 全长 440m 分成两幅, 采用变高单室箱梁, 桥面宽 17.15m 高 4.0m~8.5m, 断面布置如图 10 采用挂蓝分节段现浇施工, 节段长度以 4m 为标准长度, 中支点附近节段长度采用 3m 采用三向预应力体系, 全部采用体内预应力束 基础采用钻孔灌注桩, 单幅桥主墩采用 19 根 φ2500mm 钻孔桩 由于桩身强度受地震力控制, 采用变截面桩, 上部桩身直径加大到 3000mm 4. 斜拉桥主要计算结果 4.1 结构变形根据计算结果, 主梁跨中挠度, 汽车荷载作用下为 66.5cm 挠跨比 1/1100; 汽车荷载与轨道交通荷载共同作用下为 137.7cm 挠跨比 1/530, 梁端转角为 3.0 4.2 梁塔受力根据总体分析计算结果, 成桥状态, 主梁上缘最大压应力为 97MPa, 主梁下缘最大压应力为 109MPa 主要组合下, 主梁上缘最大压应力为 135MPa, 最大拉应力为 16MPa; 主梁下缘最大压应力为 139MPa, 最大拉应力为 25MPa 在纵向 横向静风荷载 温度荷载等其他荷载组合下, 同时考虑主梁的第二体系 第三体系应力, 主梁应力均满足要求 根据长江大桥的特点, 对裸塔, 最大双悬臂 最大单悬臂和成桥等四个主要阶段进行了重点计算, 各阶段均考虑了纵向 横向以及纵横耦合的情况 在主要组合下, 主塔最大压应力为 15.9MPa, 无拉应力出现 ; 在极端风荷载 地震荷载作用下, 构件按照普通钢筋混凝土构件控制其极限承载能力, 裂缝宽度控制在 0.2mm 内 计算表明, 主塔在施工过程以及成桥正常运营状态均满足受力要求 4.3 稳定分析本桥塔高, 跨径大, 设计基准风速高, 其施工过程以及成桥阶段的稳定性直接影响工程的安全 采用了弹性稳定 弹塑性稳定分析两种方法对结构进行了稳定分析 弹性稳定计算表明各施工阶段以及成桥阶段正常运营情况下稳定系数都大于 4 弹塑性稳定分析采用边缘纤维屈服准则作为极限强度判别标准, 以结构构件边缘应力达到屈服强度时的荷载与施工阶段的实际荷载的比值作为稳定安全系数, 得到成桥状态和主要施工阶段在主要荷载工况下的弹塑性稳定系数都大于 1.7 4.4 抗风和抗震本桥风环境较为严峻, 通过结构选型 CFD 数值仿真模拟和风洞试验深入研究了大桥的抗风稳定性, 以确保施工和成桥状态下的抗风安全 研究结果表明, 本桥具有良好的抗风稳定性能, 裸塔状态的风致响应在结构允许的范围之内, 主梁双伸臂施工状态设有抗风临时墩后可满足抗风要求, 成桥状态具有足够的抗风安全性 抗震分析除采用反应谱方法对结构进行了地震反应分析外, 还采用时程分析方法对结构进行了分析, 给出了 100 年 10%(P1 概率 ) 和 100 年 3% 概率 (P2 概率 ) 地震时程作用下全桥结构的地震反应 经计算表明, 在地震作用下, 主墩高桩承台基础结构的受力相当大并控制设计 ; 辅助墩 边墩支座剪力较大, 常规支座不符合 P1 概率水平的抗震性能目标, 必须选用特殊支座
5. 轨道交通过桥研究 5.1 技术特点本桥考虑城市轨道交通过桥, 采用公路铁路同平面共建形式, 既不同于典型公路桥, 也不同于典型的轨道交通桥梁 本桥设计从总体上具有较多公路桥梁的特征, 同时必须考虑轨道交通的技术要求 从轨道交通对桥梁的技术要求看, 本桥需要针对各类桥梁的不同特点, 结合具体情况采取相应的技术措施 需要注意的是城市轻轨和大铁路 高速铁路对桥梁刚度要求之间的区别 大铁路货运列车荷载大 振动大, 桥梁刚度要求最严 ; 高速铁路荷载轻但车速高, 列车过桥时, 车桥都将产生较大振动, 对桥梁刚度要求也很严 ; 城市轨道交通荷载小 过桥速度低, 对桥梁刚度要求可以有较大的放松 另外, 公路铁路同平面一体的桥梁形式具有较大的横向刚度, 这使得上部梁的横向刚度不再成为控制因素, 甚至主通航孔大跨度斜拉桥也可自然满足列车运行对于桥梁横向刚度的要求 5.2 相关技术要求 (1) 设计活载关于公铁合建桥梁, 现行铁路桥梁规范规定双线铁路活载组合时, 可以取用 0.9 的折减系数, 同时在与公路活载组合时, 在多线公路活载按照公路规范折减的情况下, 仍然对折减后的公路活载予以折减 ; 地铁设计规范则规定双线铁路活载组合时不予折减, 主要考虑到城市轨道交通满载几率高, 对于公铁一体化桥梁公路与铁路活载组合时是否折减未作规定 考虑到城市轨道交通满载率高 行车密度大, 对双线铁路活载组合时不予折减, 轨道交通活载与公路活载组合时也不予折减, 仅对公路活载根据其车道数按规范进行折减 (2) 竖向挠度根据国内外铁路与地铁设计规范, 对于梁式桥, 采用 L/1500 的刚度标准 ; 对于主航道大跨度斜拉桥, 根据国内外实际建设经验, 采用 L/500 的刚度标准 经过计算分析, 本桥各类桥梁结构均可满足以上主梁竖向挠度标准的要求 关于大跨度桥梁, 各国铁路规范均无明确的刚度限制标准, 从国内外已经建成的公铁两用桥情况看, 斜拉桥的挠跨比在 1/350~1/550 之间, 悬索桥的挠跨比在 1/200~1/250 之间 这些桥梁的竖向刚度大大小于有关规范关于中小跨度铁路桥梁的规定值, 但这些桥梁的运营情况均很好 (3) 桥墩纵向刚度桥墩纵向刚度的限值规定, 主要有两个目的, 一是满足无缝线路的要求, 二是满足列车运营安全要求 本桥非通航孔桥连续长度在 350m 以上, 多跨长联结构梁缝处的温度变形较大, 桥上设置超长无缝线路是困难的 本桥大多为高桩承台, 且桥墩较高, 通过增加桥墩刚度满足无缝线路的设置要求, 经济上极不合理, 设计上也存在困难, 要采用简支体系的桥梁结构, 则更加不合理 为此, 将轨道在梁缝处断开, 设置轨道伸缩调节装置, 对基础设计不再受断轨力控制, 对桥墩的纵向水平刚度要求也可放宽 ; 至于行车安全的问题, 正如前所述, 城市轨道交通荷载小 过桥速度低, 对桥梁刚度要求可以有较大的放松, 为此进行了列车走行性分析研究, 结论是完全可行的 (4) 梁端转角不同的铁路桥梁规范, 针对不同的列车标准, 对梁端转角作出了不同的要求, 本桥根据城市轨道交通列车的情况, 梁端折角采用 3 的限值 计算表明除主通航孔斜拉桥外, 其它桥梁在公路与轨道交通活载的共同作用下均可控制在 3 以内, 主航道斜拉桥在公路与轨道交通活载的共同作用下, 梁端折角可控制在 3, 但与邻跨叠加后超过 3 为此, 考虑设置伸缩缓冲装置来解决, 或采用适当措施降低梁端折角值
(5) 轨道平顺性控制标准根据铁路及地铁规范, 对本桥轨道不平顺控制确定了如下标准 :1 扭曲 ( 纵向 3m 梁段发生扭曲变形, 轨距范围轨面平整度 ) 3mm;2 轨面水平度 11mm;3 轨面纵向高低 ( 纵向 3m) 11mm 根据计算分析本桥在考虑结构总体变形与局部变形的情况下, 适当采取措施可以满足要求 5.3 列车走行性分析本桥主通航孔斜拉桥跨度大 刚度低, 为了论证刚度的合理性及行列安全与舒适性, 开展了车桥耦合振动仿真分析研究 分析研究中, 桥梁采用空间杆系有限元模形, 建立了列车与汽车模形, 考虑了道路与轨道的不平顺 仿真计算结果表明, 车辆最大横向加速度为 1.01m/s, 最大竖向加速度为 0.887m/s, 有足够的抗脱轨安全度 ; 车辆过桥斯佩林指标, 横向最大值 2.25, 横向最大值 2.01, 乘坐的舒适度指标达到优秀 在特殊气候条件对过桥车辆走行性的影响, 目前国内外的研究并不深入 从已有的研究成果看, 有风时, 车辆的运行性能指标一般会有一定程度的降低, 但在一定的风速下, 其安全性和舒适性可以得到保证 ; 风速更大需减速运行, 通常当风速达到 25m/s(9 级风 ) 时, 车辆停运 具体需进一步开展专题研究, 并提出工程与管理措施 6. 结语上海长江大桥为适应复杂的自然条件与建设条件, 采用了多种结构形式, 同时还要考虑轨道交通过桥的要求, 设计者要面对多种多样的技术问题, 面临更多 更大的挑战, 本桥主航道是目前跨度最大的公铁合建斜拉桥 高墩区桥梁大规模采用了大跨度连续组合箱梁等新技术 要求设计者必须随科技水平的提高及时更新观念 重视先进建设经验与相关研究的新进展, 合理地应用于具体工程之中 本文简要介绍了上海长江大桥的技术特点, 希望对桥梁技术发展有所裨益 参考文献 [1] 上海市政工程设计研究总院上海崇明越江通道工程上海长江大桥设计文件 [2] 同济大学桥梁工程系上海长江大桥主桥合理刚度值与列车走行性分析研究报告,2005.11 图 1
图 2 图 3 图 4 图 6
图 5 图 7 图 8 图 9 图 10