苏通大桥主桥设计与施工
彭德运;彭晔丹
【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.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2007(004)004
【总页数】5页(P34-38)
【关键词】斜拉桥;苏通大桥;创新技术;结构体系;设计
【作 者】彭德运;彭晔丹
【作者单位】苏通大桥建设指挥部,江苏,南通,226009;苏通大桥建设指挥部,江苏,南通,226009
【正文语种】中 文
【中图分类】U448.27
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108 km。大桥全长8.146 km，由主桥、辅桥和引桥组成，其中主桥为主跨1 088m双塔双索面斜拉桥，辅桥为主跨268m连续刚构，引桥为30m、50m和75m跨径的连续梁桥。
苏通大桥主跨1 088m，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1［1-2］。
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+2.15～-2.21m，塔顶水平位移可达+2.21~-2.26m，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。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131根Φ2.85m（Φ2.5m）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2.8m，壁厚25mm，下段为钢筋混凝土桩)，梅花形布置，桩长117m，按摩擦桩设计。承台为变厚度哑铃型(5～13.3m)，每个塔柱下承台平面尺寸为51.35m×48.1m，之间用厚度6m、平面尺寸为11.05m× 28.1m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、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，52300DWT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(VTS)、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35m水深、4.01m/s流速、28m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6 000 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 cm，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PHP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410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5cm以内，所有桩基全部达到Ⅰ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30%以上。CT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注浆加固过渡带。
2.2.4 承台施工
主墩承台施工采用钢吊箱围堰技术。钢吊箱平面面积5 500m2，重6 180 t，施工采用计算机控制、液压千斤顶同步下放技术，成功实施了40台250 t和350 t千斤顶联动，下放位移同步性控制在1 cm以内，在国内外首次实现水上超大钢吊箱使用液压千斤顶在复杂工况条件下的安全下放。钢吊箱定位后平面最大高差48mm，横桥向、顺桥向倾斜度分别为1/3 240和1/1 860。
通过成功试配高流动、自流平、自密实、缓凝型混凝土，实现了封底混凝土一次性浇
筑成功。
承台底层和顶层斜坡面为高配筋，配筋率达400 kg/m3，砼采用分块分层浇筑方案，底层降低分层高度，顶层斜坡面采用压模施工。除常规混凝土“双掺”技术、冷却降温措施、混凝土浇筑振捣、养生等综合技术手段外，采用计算机实时温度跟踪控制技术，有效解决了高配筋、4.2万m3的大体积砼承台施工质量控制难题，保证了承台砼的内在品质和表观质量。
2.3 主塔墩基础冲刷防护
由于桥位处河床土层抗冲性能较差，群桩基础的建设会造成桩前下切水流和侧向绕流剧烈淘刷桥墩基础周边河床。根据双向流作用下特大型复杂群桩基础局部冲刷机理及预测试验研究，300年一遇的水文条件下，苏通大桥主塔墩基础附近的局部冲刷规模有20～30m，并且很不均匀，对施工期及运营期的基础安全构成了威胁。
冲刷防护设计采用护底防冲方案，平面分为核心区、永久防护区和护坦区。防护结构采用反滤层和护面层结合的形式。反滤层由袋装砂和级配碎石构成，护面层采用块石。
钢护筒沉设前首先对核心区进行了袋装砂预防护。袋装砂、级配碎石、块石等防护材料采用抛投施工。
苏通大桥南北主墩累计抛投109万m3，防护面积21万m2，较好地解决了河床土质松软、冲刷严重的问题，永久防护为桩基安全施工创造了条件，保证了桩基在水流长期作用下的稳定状态，提高了大桥营运期间的基础安全储备。通过多波速跟踪和水下地形快
速成图技术指导防护施工，成功解决了长江河口段深水区难以直观检测的难题，经定期监测，防护结构稳定，基本达到预期效果。
2.4 索塔
2.4.1 索塔外形设计
索塔为倒Y型，高300.4m。倒Y型索塔不仅横向具有稳固的三角形结构，增加了全桥整体抗扭刚度，具有较好的抗风稳定性和抗震性能，而且外形简洁、挺拔，象汉字“人”字，很具中国文化特色，中塔柱交汇于黄金分割点处，比例协调，景观效果好。同时，为了获得较小的风阻系数，通过数值风洞技术进行了多方案比选，确定了索塔的横断面形式，既方便施工，又具较好的景观效果。
2.4.2 索塔锚固方案
斜拉索锚固在上塔柱80m高的范围内。由于钢锚箱方案较预应力混凝土锚固方案每延米轻250 kN，对索塔和基础的抗震设计有利，加上钢锚箱方案具有传力路径简单直接、受力均匀、预制质量有保证、拼装施工方便、结构耐久性好等优点，苏通大桥采用钢锚箱索塔锚固方案。
钢锚箱锚固体系是钢锚箱和混凝土塔壁组成的组合结构体系，钢锚箱布置在索塔混凝土内，钢锚箱的作用是平衡斜拉索的水平力，同时将竖向分力通过剪力钉传递到混凝土塔壁上。
每个索塔钢锚箱共30节，锚固第4～34对斜拉索，各节段之间通过螺栓连接，底节钢锚箱直接支撑在混凝土底座上。第1～3对斜拉索直接锚固在混凝土底座上。
2.4.3 索塔施工
索塔施工起初每12 d完成一个节段，经过一个学习过程后，标准节段施工平均每7 d一节。索塔采用DOKA SKE自动液压爬模系统进行施工，共划分为68个节段，标准段高度4.5m。塔柱施工第18节段后，采用15根Φ1 400mm×14mm钢管支架支撑进行下横梁现浇施工。索塔施工塔吊采用POTAIN MD3600塔吊，最大吊装高度315m。
钢锚箱每次吊装2节，精确测量定位后，进行塔柱钢筋绑扎和混凝土浇筑。
在同济大学风洞试验室进行了1/185索塔自立状态缩尺模型风洞试验，结果表明，在均匀流场和紊流场中没有发现明显的涡振现象，也未观察到驰振现象。但紊流场中的抖振振幅较大，施工中需要采取有效措施进行抑振。施工单位根据施工方案，结合塔吊等施工设备在施工期进一步开展了索塔抗风性能试验。
2.5 斜拉索
苏通大桥采用平行钢丝扭绞型斜拉索，梁上基本索距16m，边跨尾索区为12m；塔上索距为2.3～3.55m，长度为153～577m。
苏通大桥整体结构和拉索构件较柔，固有振动频率分布广，在环境激励下斜拉索极易发生涡激振动、风雨激振以及参数振动和内部线性共振。为了满足拉索的二次弯曲强度、
疲劳强度以及使用者的视觉安全，苏通大桥通过试验确定了采用气动措施、阻尼器(3%附加阻尼)同时预留辅助索的综合减振方案，合理有效地控制了拉索风致振动，提高拉索结构的安全性和服务水平。斜拉索表面采用气动措施后，设计风速下的风阻系数满足Cd≤0.8。
斜拉索采用上海宝钢集团生产的盘条，在上海二钢抽拔成钢丝，镀锌后由江阴法尔胜新日铁制索有限公司编制成索股。上海宝钢通过微合金化技术，采用洁净钢冶炼技术和特殊控轧控冷技术，研制生产的B82MnQL盘条达到了国际先进水平，填补了国内生产空白。1 770MPa的Φ7.0mm镀锌钢丝斜拉索较以往1 670MPa级别的钢丝束不仅减轻了斜拉索自身重量的6%，而且减小了斜拉索截面阻风面积，降低了风致荷载效应，节省了钢丝用量。
2.6 钢箱梁
2.6.1 钢箱梁设计
钢箱梁断面通过数值风洞分析进行了优化，采用抗风性能好的带风嘴扁平流线型钢箱梁。在初步设计阶段和技术设计阶段，同济大学开展了1∶70和1∶50的小比例模型涡激共振风洞试验；在施工图设计阶段，同济大学和COWI公司分别在中国空气动力研究与发展中心开展了1∶13.5的大比例模型涡激共振风洞试验。试验揭示了苏通大桥主梁存在明显的雷诺数效应，发现了+3°攻角、均匀流场下主梁发生了明显的涡激共振现象，因此结合风洞试验进一步优化了检修车轨道位置，将其布置于水平底板并在轨道两侧设置倾斜导流板。
钢箱梁顶板、底板采用U型加劲肋加劲，腹板采用平板加劲，具有足够的抗屈曲能力。
横隔板标准间距4m，采用整体式。钢箱梁内横向设置了两道纵隔板，除竖向支承区、压重区和索塔区梁段采用实腹板式外，其余均为桁架式纵隔板。
索梁采用锚箱式锚固，锚箱焊接在主梁腹板外侧。为消除索力偏心引起的弯矩不利影响，将两个锚固板与风嘴顶板通过角焊缝焊接，由此产生反力偶与偏心弯矩平衡，从而在一定程度上改善了锚固板、承压板的受力。锚箱结构的安全度和设计合理性还通过了静载和疲劳试验的验证。
为确保在正常运营荷载下，过渡墩及辅助墩不出现上拔力，在墩顶附近钢箱梁内采用铸铁块压重，桥梁单侧共压重4 327 t。
2.6.2 钢箱梁制造与架设
钢箱梁板件在山海关桥梁厂加工，通过水上运输到靖江进行组拼、试拼装、涂装，然后运输到桥位进行吊装、焊接。上部结构箱梁块件数量多达141块、最大块件重1 300 t，标准节段最重达450 t，索梁架设悬臂长度大、施工周期长，抗风安全突出；加上结构较柔，施工技术要求高，施工架设难度非常大。
边跨采用墩旁托架和临时墩支撑进行大块件吊装施工，索塔区0号、1号块采用支架上拼装，自2号块开始采用桥面吊机悬拼，最大双悬臂长度为158m。边跨顶推合龙后进行单悬臂拼装，直至中跨合龙。由于非线性、温度等因素对超千米跨径斜拉桥的影响突出，
大跨径斜拉桥施工过程复杂、体系转换多，技术、材料、外界环境及施工工艺影响大，施工控制技术难度大。
鉴于主梁块件很重，存在主梁局部受力和接缝处纵横向变形较大的问题，标准节段采用双吊机起吊的方案，可以分散吊机前肢点压力，对结构局部受力，尤其是横隔板局部稳定性具有很大的帮助；同时对拼装接口处横向变形有所改善，减小工地连接难度。
在同济大学风洞试验室开展了缩尺比例为1/185的全桥气弹模型风洞试验。研究结果表明成桥状态、施工最大单悬臂状态和最大双单悬臂状态在均匀流场、0°以及+3°攻角时，试验临界风速均大于检验风速，结构具有较好的气动稳定性。施工最大单悬臂状态和最大双悬臂状态，在均匀流场和紊流场下均没有观测到明显的涡振现象，仅成桥状态在均匀流场、攻角+3°时发生了第一阶正对称竖弯涡振现象，相应的实桥风速为5.5~7.5m/s之间，相应的实桥跨中最大振幅为0.110m。紊流场下进行抖振试验的同时，还进行了最大单悬臂状态的减振控制方案研究，发现增设一阶竖弯和一阶侧弯阻尼可以有效降低抖振方差。因此为了确保施工期抗风安全，除合理安排工期力争边跨早日合龙、避开台风期进行大悬臂施工外，施工阶段还采用调质阻尼器、临时抗风缆等抗风措施。
2.7 上部结构施工及施工控制
苏通大桥主桥跨度大，悬臂长，非线性影响明显，施工阶段受施工荷载和风荷载影响较大，存在超长斜拉索挂设压锚、超大悬臂架设及抗风安全等施工难题，对施工控制提出了极高的要求。苏通大桥采用了以反应敏感、综合性强的几何参数为首要控制目标，在计算分析、构件加工制造和安装3个阶段进行施工全过程控制；通过建立几何监测系统，对
索塔、钢箱梁、斜拉索施工安装进行施工信息反馈，确定施工误差状态，实时计算调整控制目标值。苏通大桥几何控制取得了很好的效果。
苏通大桥坚持技术创新，依靠技术进步，攻克了一大批设计、施工难题，建成后将创造最大基础、最高索塔、最长斜拉索和最大跨径4项世界第一，对我国从桥梁大国向桥梁强国迈进具有重要作用。2007-06-18苏通大桥实现南北合龙，全线贯通，计划于2008年建成通车。
【相关文献】
［1］游庆仲.苏通大桥工程与关键技术研究［M］.北京：中国科技出版社，2004，9.
［2］张喜刚.苏通大桥总体设计［M］.北京：中国科技出版社，2004，9.
［3］同济大学.苏通大桥斜拉桥抗风性能研究报告［R］.2004.
