重庆菜园坝长江大桥Y型刚构设计与实施

重庆菜园坝长江大桥Y型刚构设计与实施
刘雪山刘安双马振栋

摘要：重庆菜园坝长江大桥采用刚构桁架系杆拱体系，结构高效美观。Y型刚构为大桥主受力构件，其独特的主动控制系统、空间节点构造和创新的施工方法是大桥的重要特点。介绍Y型刚构的设计特点同时也总结其优点和适用性。
关键词：桥梁刚构主动控制施工方案桥梁

随着我国桥梁建设水平的发展，钢拱桥设计、施工水平迅速提高，小湾大桥、卢浦大桥等工程的顺利建成为钢拱桥打下了发展的技术基础。重庆菜园坝长江大桥在此基础上，以结构高效、美观为设计目标，实施了一种新的拱桥结构体系，其中Y型刚构是其设计创新的核心构件，也是大桥设计的重要特点。
1 工程概述
重庆菜园坝长江大桥工程是重庆市主城区南北通道上的关键工程。大桥采用刚构与提篮式钢箱系杆拱、桁梁组合的结构体系，桥梁总长800m，其中主跨420m，对称布跨的边跨和侧跨分别为102m及88m。六车道及双侧人行道设在桥面上，双线轻轨设在主桥桁梁下横梁上，构成双层特大公轨两用桥。
菜园坝长江大桥主桥由基础、Y型刚构、边墩、过渡墩等下部结构和主拱、钢桁梁、桥面系等上部结构组成[1]，大桥总体布置见图1。其中支持钢桁梁的主体结构体系又分为三个子结构：两侧预应力混凝土刚构和中部的320m的钢箱提篮拱。三个相对分离的子结构通过中跨拱肋系杆索及边跨刚构系杆索连接成420m的系杆拱。这是重庆菜园坝长江大桥主桥不同于其它系杆拱结构体系的重要特点之一。该体系将混凝土结构与钢结构有机的结合起来，使大桥成为了“安全、实用、经济、美观”的典范。
大桥跨越长江I级航道，且所在的江段具有年水位差大，冲刷大等特点，常年水位落差均在在30米以上。Y型刚构采用预应力混凝土结构具有抗船撞能力强、耐久性好、易于施工、经济性好等特点，同时其刚劲有力的造型与拱肋的纤细柔美组合，亦成为本桥建筑造型的亮点。作为主结构的Y型刚构，在强调总体桥跨协调的同时更注重构件的局部的造型，其内倾的布置与提篮拱取的一致，外型线条简单明快，使大桥有较好的节奏感和韵律感。
2 Y型刚构结构布置
Y型刚构由前、后悬臂，主横梁，前、后次横梁，前、后主横梁及系杆索锚固件等构件组成，其构造如图2所示。
刚构前悬臂为变截面空心薄壁结构，根部为
10m×6m的矩形截面，顶部为5.2m×3.6m的矩形截面，顶底板厚0.6m，腹板壁厚0.5m，其实质是拱肋的延伸。图 1 全桥总体布置

在前悬臂中心处设置前主横梁，截面为3.6m×3.3m，前主横梁采用空心矩形截面的预应力混凝土结构。
图 2 刚构构造图
刚构后悬臂也采用变截面空心薄壁结构，根部为10m×6m的矩形截面，顶部为4m×3.6m的矩形截面，顶底板厚0.6m，腹板壁厚0.5m。在后悬臂中部设置后主横梁，截面为3.6m×3.3m，后主横梁采用空心矩形截面的预应力混凝土结构。
主横梁设置在主墩顶部，连接主墩及两侧刚构。主横梁结构断面造型为六边呈宝石形，预应力混凝土结构高6m，底宽3.5m，顶宽7.6m，顶板厚0.4m，底板厚0.7m，两侧腹板厚0.4m。主横梁不但是大桥的主受力结构，其内部还设置了大桥成桥后的健康监测主控制室。
3 主动控制系统
主动控制体系由中跨系杆、边跨系杆、边墩、墩顶竖向拉杆、千斤顶等构成，如图3所示。主动控制体系各构件协调控制刚构、拱肋、主墩内力和位移。在施工过程中，多次调节控制系统以满足结构内力需要。
刚构前悬臂主要承受来自拱肋的水平推力、轴向压力和来自桁梁吊索的竖向力。中跨系杆用以控制拱脚水平推力，边跨系杆用以调节竖向力导致的悬臂根部弯矩，通过控制可使前悬臂主要内力为轴向压力。
刚构后悬臂主要承受来自边跨系杆和竖向拉杆的合力，同时平衡前悬臂引起的主墩顶水平力。通过结构在自身预应力体系的调整，后悬臂主要内力也为轴向压力。
图 3 刚构主动控制系统
由于大桥施工过程复杂，体系多次转换，刚构作为主受力构件，主动控制体系可以确保其内力在设计范围调整。结合施工阶段的结构受力，主动控制体系需作多次调整：
 后悬臂与边墩顶合拢，张拉边跨系杆15300KN，使前后悬臂托架，形成刚构体系；
 边跨桁梁就位，张拉竖向拉杆12000KN，边跨桁梁形成；
 在全桥二期恒载施工结束后，进行第二次竖向拉杆张拉，张拉力21000KN，全桥结构体系形成。
主动控制体系使大桥主要构件的内力均可按设计要求调整，同时中跨系杆、边跨系杆、墩顶竖向拉杆均为永久构件，在设计上均可检查、可更换。为了避免系杆张拉给边墩带来的弯矩，在千斤顶面采用水平滑动，大桥体系形成后，再浇筑混凝土将千斤顶封闭。
4 节点设计
Y型刚构直接承受拱肋、桁梁等被动力及系杆、拉杆等主动力，Y型刚构与拱肋连接的钢砼接头、前次横梁牛腿吊点、后悬臂墩顶实心部均是大桥的关键节点。关键节点的设计直接决定了大桥的使用安全性和耐久性，考虑到大桥的100年设计基准期，对节点的设计遵循“保证安全、保证耐久、实施性好”的原则。以下介绍Y型刚构的主要节点设计。
后悬臂墩顶节点是边跨系杆、刚构后悬臂、竖向拉杆、边墩和后次横梁的相交节点，如图4所示。墩顶段高5.6m，横桥向宽4.7m，顺桥向宽4m。在该节点中边跨系杆的承压板、预埋管构成系杆锚固体系，竖向拉杆的承压板、预埋管构成拉杆锚固体系。同时后悬臂的纵向预应力和后次横梁的底板预应力也均锚固在该段内。
图 4 后悬臂墩顶节点
系杆锚固键位于中跨与边跨系杆的交叉处，采用混凝土现浇构造，长14.7m，高3.3m，宽3.6m，如图5所示。成桥后中跨系杆力为15000KN，边跨系杆力为20000KN，其剪力差值通过系杆锚固键传给刚构前悬臂，进而调整刚构前悬臂的内力状态。
图 5 系杆锚固键节点
刚构拱肋接头是大桥材料组合设计的核心，钢拱通过接头传给钢构前悬臂的轴力为10000KN，弯矩2000KNM,这些力通过接头内的PBL剪力键和拉杆传递到混凝土中。接头中的钢结构由下垫板，拉杆和PBL剪力键三部分构成，如图6所示。为了拱肋精确定位，接头最后1m内的混凝土为后浇筑,并在钢拱肋与混凝土交接面处设置一厚度为50mm的承压板。

图 6 刚构拱肋接头节点
大桥的中跨桁梁和1/2边跨钢梁荷载均由吊索传至前次横梁牛腿，再传给刚构前悬臂。前次横梁由两端的预应力钢筋混凝土牛腿和中间钢箱梁段组成，如图7所示。

图 7 前次横梁牛腿节点
5 施工方法
Y型刚构的施工难点多，包括前悬臂水上施工、主横梁水上施工、前次横梁施工、前悬臂系杆剪力键施工、钢砼接头的施工、后悬臂与边墩接头施工、后悬臂次横梁施工及刚构整体施工和加力工序。除此之外，刚构与边跨、侧跨钢梁、施工临时塔架及其拉索与扣索、侧墩都在同一作业面上和同一时段内施工，因此各子结构及结构杆件单元施工的时间及空间关系是边跨刚构施工的重点。施工过程中主要设施布置如图8所示。

图 8 Y型刚构施工设施布置图
Y型刚构前后悬臂均采用支架分段悬臂浇筑施工，即以钢结构支架为施工平台，在平台上进行钢筋、模板、混凝土及预应力体系的施工。混凝土采用C60高性能商品混凝土，泵送施工。各部分主要施工工艺为：
（1）利用主墩承台及墩身支架施工Y型刚构0号段及中横梁：首先在支架上安装底模和仰角模板，绑扎底板和部分腹板钢筋，安装纵向预应力束，再安装内模，绑扎其余腹板钢筋和顶板钢筋，最后安装附角模板，同时预留进人孔和下料孔。经质检合格后浇筑混凝土。混凝土的浇筑顺序为先底板，再腹板，最后浇筑顶板。施工中在0号块的顶部预埋施工临时塔架的塔底固接件。
（2）Y型刚构悬臂节段施工：在施工中前悬臂分为10个节段，后悬臂分为8个节段，节段对称浇筑。在支架上安装模板底模和仰角腹板模板，绑扎底板和腹板钢筋，安装纵向预应力束，再安装内模和端模，再绑扎顶板钢筋，检查合格后，浇筑梁体混凝土，同时安装盖模。混凝土养护完成后进行预应力束的张拉和压浆作业。
（3）Y型刚构主、次横梁施工：前、后主横梁与同高度节段同时施工，横梁混凝土采用一次整体浇筑；前次横梁的混凝土牛腿于悬臂节段同时浇筑，在侧、边跨钢桁梁顶推就位后，再安装钢梁部分。后次横梁也在侧跨钢桁梁顶推就位后再在边墩顶搭设支架施工现浇混凝土。
（4）水中前悬臂悬挂系统：由于刚构前悬臂7号以后节段已进入常水位，施工中在6号节段上设置辅助吊点，使7号节段后段支架悬挂于已浇筑的6号段前部，并用精轧螺纹钢筋和分配梁提挂支架，在支架上铺设底模后，起顶粗钢筋，使底模贴紧梁底，再进行安装钢筋、预应力管道、内模、端模等，待查合格后，浇筑梁体混凝土。
（5）刚构拱肋接头施工：在侧跨、边跨钢梁就位后，对刚构进行边跨系杆的张拉和次横梁的施工，在钢梁落架后，侧边跨体系形成，此时再进行刚构拱肋接头的施工。为了保证接头空间位置的精确性，刚构拱肋接头也在支架上就位，待检查合格后再浇筑该段混凝土。
6 总结
综上所述，菜园坝长江大桥Y型刚构具有以下特点：
（1）作为一种创新的结构，Y型刚构造型独特，在满足力学要求的同时充分利用了桥位的自然条件，结构布置与大桥总体相协调，构件局部设计具有特色，是“力”与“美”的统一体。
（2）与传统的拱桥不同，Y型刚构的主动控制系统是大桥设计的重要特点，通过该系统可有效的调节结构内力和线型状态，提高结构效率。
（3）构造细节设计是保证结构体系成立的关键、基础，Y型刚构重要节点均为钢砼组合的形式，受力复杂，是Y型刚构乃至大桥设计成功的基础。
（4）Y型刚构内力状态复杂，施工难度大，施工工艺和施工方法是决定其内力状态和设计思路的关键性因素。
重庆菜园坝长江大桥Y型刚构于2004年7月开始施工，经过两年的建设于2006年6顺利完成。在此向大桥BT业主中铁大桥集团菜园坝长江大桥公司，施工单位中铁大桥集团五公司，施工监控单位中铁大桥集团桥研院，和业主重庆市城市建设投资公司表示诚挚感谢。
参考文献
[1] 邓文中. 重庆几座桥的设计理念 [C]. 第十七届全国桥梁学术会议论文集,北京：人民交通出版社 2006: 3-11