(1.23)--苏通大桥设计与施工.pdf
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1、作者简介:彭德运(1 9 7 4-),男,江苏邳州人,工程师,主要从事桥梁工程设计和建设技术管理工作。苏通大桥是中国高速公路网沈阳至海口高速公路上的一座重要桥梁,位于南通市和苏州市之间,距离长江入海口1 0 8 k m。大桥全长8.1 4 6 k m,由主桥、辅桥和引桥组成,其中主桥为主跨1 0 8 8 m双塔双索面斜拉桥,辅桥为主跨2 6 8 m连续刚构,引桥为3 0 m、5 0 m和7 5 m跨径的连续梁桥。1主要技术参数苏通大桥主跨1 0 8 8 m,为世界最大跨径的斜拉桥(见图1)。苏通大桥地理位置特殊,地质、水文、气象等建设条件复杂,建设标准高,主要技术参数见表11-2。苏通大桥主桥
2、设计与施工摘要:介绍了苏通大桥主桥斜拉桥总体布置和结构体系以及基础、索塔、斜拉索、钢箱梁设计和施工中的关键技术和创新技术,以供类似工程参考。关键词:斜拉桥;苏通大桥;创新技术;结构体系;设计中图分类号:U 4 4 8.2 7文献标识码:A文章编号:1 6 7 2-9 8 8 9(2 0 0 7)0 4-0 0 3 4-0 5D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f t h e Ma i n B r i d g e o f S u t o n g B r i d g eP e n g D e y u n,P e n g Y e d a n(J i
3、 a n g s u S u t o n g B r i d g e C o n s t r u c t i o n C o m m a n d i n g D e p a r t m e n t,N a n t o n g 2 2 6 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e g e n e r a l a r r a n g e m e n t a n dt h e s t r u c t u r a l s y s t e mo f m a i nb r i d g e o f
4、s u t o n g b r i d g e,t h ei n n o v a t i v e a n d k e y t e c h n i q u e s i n d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f f o u n d a t i o n s,p y l o n s,s t a y c a b l e s a n d s t e e l b o x g i r d e r a r e a l s oa n a l y s e d.T h e r e s s a r c h c o u l d b e t a k e n a s r
5、e f e r e n c e t o o t h e r p o j e c t s.K e y w o r d s:c a b l e-s t a y e d b r i d g e;S u t o n g b r i d g e;i n n o v a t i v e t e c h n i q u e s;s t r u c t u r a l s y s t e m;d e s i g n2设计、施工关键技术2.1结构体系斜拉桥跨径大,结构自身刚度小、阻尼比低。一方面,结构在静风、温度等静力作用下纵向变位很大,飘浮体系下梁端水平位移可达+2.1 5 -2.2 1 m,塔顶水平位移可达
6、+2.2 1 -2.2 6 m,结构受力较为不利(塔梁固结体系由温度引起的塔底弯矩很大,飘浮体系由纵向风荷载等产生的塔底弯矩很大);另一方面,结构难以依靠构件自身的强度、弹性、变形甚至局部塑性来消耗强大的地震、风致振动等动力反应能量。为克服上述缺陷,改善结构静、动力内力和位移反应,减小伸缩缝、支座等装置的位移量和动力图1主桥桥跨布置(单位:m)第4期表1主要技术参数磨损,苏通大桥主桥提出了在飘浮体系的塔梁间附加约束装置的设计构思,确定了塔梁间横向设置抗风支座、纵向设置额定行程限位的粘滞阻尼器、主梁与墩顶之间设置纵向滑动、横向限位支座的结构体系。粘滞阻尼器对脉动风、刹车和地震引起的动荷载具有阻尼
7、耗能作用,而对温度和汽车引起的缓慢位移无约束。当由静风、温度和汽车引起的塔梁相对纵向位移超出阻尼器设计行程时,阻尼器对主梁运动产生固定作用。苏通大桥塔梁阻尼限位装置是提高桥梁刚度、改善结构阻尼非常经济、有效的手段,也是国际桥梁工程中将阻尼和限位两个功能在一个装置上的首次应用。2.2主塔墩基础2.2.1基础方案研究苏通大桥主桥基础是流速较大条件下的深水基础,设计阶段进行过沉井、桩基础等方案比选。沉井基础具有刚度大、整体性好的特点,但考虑到沉井规模庞大,可能发生不均匀沉降,下沉、封底风险较大,施工难度相对较大;而桩基础适应地层的能力强、稳定性好,承台施工采用钢吊箱围堰技术,国内具有相对较成熟经验。
8、所以苏通大桥主桥基础采用钻孔灌注桩群桩基础方案。由于苏通大桥基础规模较大,承台和桩基自重占荷载很大的比例,因此在基础设计时,本着尽量减轻结构自重、改善结构受力的理念和原则,优化桩基布置和承台形式,并采取桩底注浆和冲刷防护等有效措施提高桩基承载力,减少基础沉降量和不均匀沉降。主墩基础采用1 3 1根 2.8 5 m(2.5 m)钻孔灌注桩(上段钢护筒参与受力,为钢砼组合结构,钢护筒内径2.8 m,壁厚2 5 m m,下段为钢筋混凝土桩),梅花形布置,桩长1 1 7 m,按摩擦桩设计。承台为变厚度哑铃型(5 1 3.3 m),每个塔柱下承台平面尺寸为5 1.3 5 m 4 8.1 m,之间用厚度6
9、 m、平面尺寸为1 1.0 5 m 2 8.1 m的系梁连接。根据三维有限元分析,位于基础边缘的承台周边桩的桩顶轴力较大,位于基础中心的承台内部桩的桩顶轴力较小,边桩的轴力比内部桩的轴力大2倍左右,群桩效应明显。基础设计受船撞力和地震力控制,因此在设计时通过采用变截面桩,并考虑将钻孔用临时钢护筒作为永久钢结构参与共同受力,与混凝土桩组合成钢砼组合结构,既降低了自重,又提高了单桩承载力和结构的效率。钢护筒埋置深度根据地质条件、总体布置桥型双塔双索面钢箱梁斜拉桥跨径布置1 0 0m+1 0 0m+3 0 0m+10 8 8m+3 0 0m+1 0 0m+1 0 0m=20 8 8m结构体系纵向带额
10、定行程限位的粘滞阻尼约束、横向主从约束墩身及基础墩身形式双柱矩形空心墩,主1、2、3、6、7、8号墩尺寸8.5m 5m,壁厚0.5m。基础形式钻孔灌注桩群桩基础,高桩承台,基础采用 2.8 5m(2.5m)钻孔灌注桩,主4、5号墩各1 3 1根,主1、2、7、8号墩各1 9根,主3、6号墩各3 6根。材料数量墩身:C 4 0混凝土,1 26 2 8m3;承台:C 3 5混凝土,1 2 83 0 0m3;桩基:C 3 5水下混凝土,2 5 06 0 7m3;钢筋:5 00 7 0t;钢材:3 63 8 5t索塔结构尺寸塔高3 0 0.4m,倒Y型,塔柱底面尺寸:1 5m 8m,渐变至塔顶9m 8
11、m,上中下塔柱壁厚分别为1.0、1.2、1.5m,钢筋混凝土结构。下横梁高度9 1 0m,预应力结构。钢锚箱钢锚箱主拉板厚度4 0 m m,剪力钉材质为M L 1 5,极限强度4 0 0 M P a,采用直径 2 2 m m、长度2 0 0 m m、竖向行距1 5 0m m、水平列距2 0 0m m的布置形式。每个索塔钢锚箱共3 0节,节段高度有2.3、2.3 5、2.5、2.7、2.9、3.5 5m6种。材料数量C 5 0混凝土:5 55 7 3m3;钢筋:1 59 6 3t;钢材(Q 3 4 5 q D):18 1 6t斜拉索规格全桥共4 3 4 2=2 7 2根,规格为P E S 7-1
12、 3 9/1 5 1/1 8 7/1 9 9/2 2 3/2 4 1/2 8 3/3 1 3材料数量平行镀锌钢丝(17 7 0M P a、直径7.0m m):62 7 8t;锚具:5 4 4套钢箱梁结构尺寸含风嘴全宽4 1.0m,中心线处高度4.0m伸缩缝 12 0 0m m(2 3 4m)阻尼器阻尼方程:F=37 5 0V0.4,阻尼力为30 2 5k N,最大反应速度0.5 8m/s,地震反应计算冲程 2 9 0m m。静力限位力为65 8 0k N,限位刚度1 0 0M N/m,额定形行程限位 7 5 0m m,温度变形速度为1 0h2 3 2m m(全桥共8个)。材料数量钢材(Q 3
13、7 0 q D、Q 3 4 5 q D)4 95 7 4t;涂装面积9 3 00 0 0m2彭德运,等:苏通大桥主桥设计与施工3 5现 代 交 通 技 术2 0 0 7年最大冲刷深度和桩基反弯点确定。2.2.2基础防撞设计在基础设计过程中,结合防撞方案比选,将原本用作临时围水结构的钢吊箱与承台、封底混凝土浇筑在一起,成为群桩基础的一部分,参与永久结构受力,发挥了承台施工围堰、浇筑模板、防撞设施的多重作用,结构设计效率极高。低水位时,5 2 3 0 0 D WT散货船满载时球艏不与桩基碰撞,高水位时承台表面和下塔柱可承受船撞力。同时为了减少船舶撞击风险,苏通大桥还建立了桥区船舶航运管理系统(V
14、T S)、桥区失控船舶应急处理系统和桥区航道双向定线通航管理等主动型防护系统。苏通大桥以结构自身防撞为主、结合主动型防护系统的综合防撞设计理念,取得了显著的经济社会效益,与传统浮式消能防撞系统相比较,不仅景观效果好,运营维护方便,而且节约了大量工程投资。2.2.3钻孔灌注桩施工主塔墩基础施工首次采用永久钢护筒支承钻孔施工平台,有效地解决了施工水域3 5 m水深、4.0 1 m/s流速、2 8 m局部冲刷深度下,常规钢管桩平台难以实施的难题,保证了平台的顺利搭设和使用安全,节约了6 0 0 0 t临时结构用钢。钢护筒采用打桩船和振动打桩机两种方式施工。为满足定位精度要求,施工过程中采用了增大抛锚
15、质量稳定打桩船、设置专用定位导向架构造、选择每天2次的平潮期进行沉设、利用先进测量手段监测等综合措施,施工完成后实测最大平面偏差为9 c m,最大倾斜度为4。施工单位借鉴试桩工程的成功试验和研究成果,采用P H P优质泥浆集中制浆和循环净化措施,针对各种不同的地层应采用不同的钻孔方法,成功保证了主桥全部4 1 0根钻孔灌注桩在松软地质条件下的成桩质量。实现桩底沉渣基本控制在5 c m以内,所有桩基全部达到类桩。为了消除桩底沉渣的影响,桩基施工完成后进行基底注浆。通过静载试验,桩基承载能力提高了3 0%以上。C T检测结果表明,注入的水泥浆在桩底固结成包裹桩端的扩大头,在扩大头和砂土之间还形成了
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