南京长江第二大桥北汊大桥总体设计

摘要：南京长江第二大桥北汊大桥为预应力混凝土连续箱梁桥，主桥为90+3*165+90（m）的三向预应力变截面连续箱梁，全桥长2172m，本文介绍北汊大桥总体设计。

关键词：南京长江二桥 北汊桥 总体设计

一、概述
南京长江第二大桥位于现南京长江大桥下游11km，是南京长江河段南北过境高速公路上的重要桥梁，目前正顺利进行上部构造悬浇施工，计划于2001年7月1日建成通车。
1.桥位
南京长江第二大桥北汊大桥桥址所在八卦洲河道属长江下游南京河段，河道近于东西走向，桥址处河段为微弯分汊型，平面型态宽窄相间，北汊河道弯曲，长约21.7km，北汊大桥即位于北汊中段，北起大厂区张营村，南止八卦洲三道湾。桥址处南、北岸均构筑了长江达标防洪堤，堤间距离 1287m，高程约 9.5m（黄海），主河槽宽近 1000m，北高南低，河床标高1.51～7.68m，深泓偏南，常水位时最大水深13.15m，北汊河道经多年整治、建堤，河势基本稳定。北汊航道为扬子石化等"五大家族"专用航道，通行3000t船舶。航道宽580～600m，中心位于 k14+750，桥轴线与北汊主流、航道正交，两端接线顺适均衡，总体配合良好。
2.水文
北汊大桥水文计算分析成果：
设计流量（300年一遇）22000m3／s
设计水位 9.20m
设计流速 1.59m／s
一般冲刷 4.36m
局部冲刷 主墩13.70m，过渡墩12．40m
最大冲刷深度 主墩 18.60m，过渡墩 16.76m
建议施工水位 7.0m（频率1／15）
3.气象
南京属北亚热带向中亚热带过渡气候区，四季分明，冬冷夏热，温差较大，春季风和日丽，夏季炎热，雨量充沛，秋季秋高气爽，冬季天气晴朗，寒冷干燥。
桥址处江面以上 28m高，百年一遇 10min平均最大风速 34.4m／s。
4.地震、地质
经桥址地震危险性分析，桥址使用期50年，超越概率10％，基岩地震水平加速度为0.0825g，场地为Ⅲ类场地土。
桥址主河槽及两岸漫滩广泛分布第四系覆盖层，其厚度在河槽中约28～38m，岩性以粉细砂为主，零星分布淤泥质亚粘土、亚沙土和薄层亚粘土；两岸漫摊分布连续性较差，厚度5m左右，以亚粘土为主，其次为淤泥质亚粘土、亚砂土和细砂。其下分布约lm厚的含卵砾石及砾砂直接覆盖于下伏基岩之上。桥址区下伏基岩属白垩系上统浦口组综红色泥岩、钙质泥岩及粉砂岩，岩石层理发育，相变及尖灭频繁，由于组成岩石的矿物成分和胶结程序不同。岩体物理力学性质差异较大。

二、主要技求指标
按六车道高速公路特大桥设计：
设计行车速度 100km／h
桥梁宽度 32m
设计荷载 汽车-超20级，挂车-120
设计风速 30.4m／s
地震基本烈度 Ⅶ度
船舶撞击荷载 顺水流方向20000kN，横水流方向10000kN
通航净空 净宽≥125m，净高18m
设计最高通航水位 8.10m
设计最低通航水位 -0．4lm（通航保证率99％）
设计洪水频率 1/300
桥梁最大纵坡 不大于3％

三、桥梁总体设计
1.总体设计原则
综合考虑桥址地形、地物、水文、地质、通航，以及技术经济、美学和结构受力要求，尽量做到技术先进、经济合理、造型美观、施工方便可行，使用安全耐久，以期达到总体安全、适用、经济合理之目的。具体操作中，对于主桥侧重于先进性、引桥则侧重于经济往来进行桥型方案选择及桥孔布设。
2．桥型方案及总体布置
桥跨总体布置中，重点考虑下述因素：
?两岸均已建成长江南京河段达标大堤，为堤防安全，应避开大堤设墩，并留以足够的安全距离，确保施工及运营期大堤安全。
?考虑北汊航道航迹及其中心位置，尽可能使主桥中心与航道中心一致，并使主桥通航桥孔覆盖航迹范围，主桥不少于两个通航孔，从利于通航和美学考虑，布置了三孔通航孔。
?尽量减少深水基础，以缩短工期、节省投资。
?主桥边中跨比大小，既考虑结构合理受力，也考虑方便施工。考虑到一座大跨经PC连续梁或连续刚构在边路近边支点梁段裂缝的经验教训，本桥主桥设计中，适当减小了边孔跨径，降低边、中跨径比，以期尽量减小边跨主拉应力，避免裂缝产生，并有利于施工。
?桥址下伏基岩埋深不大，岩面平整。
?漫滩中引桥适当采用稍大的跨径，这一跨径应能跨越两岸江堤，堤内引桥则以经济跨径布设。
?按照软土路基允许最大填土高度要求，桥头路堤填土高控制在5m以内。
综合考虑上述诸因素，在初步设计和技术设计阶段，主桥拟定了90+3*165+90m和105＋3*180＋105m两种跨径组合的预应力变截面连续箱梁和连续刚构方案进行了同深度的技术经济比较。结果认为，主孔165m的布孔方案已基本覆盖了航迹范围，满足通航及防洪要求，且大跨径预应力混凝土连续箱梁结构整体性能良好，刚度大，变形小，行车舒适，断面抗扭刚度大，抗震性能好，主墩刚度相对较大，抵抗航舶撞击能力较强，全桥型线简洁大方，施工难度不大，养护维修方便，造价适度，经专家审查和交通部批准，同意北汊主桥采用主跨165m的五震性能好，主墩刚度相对较大，抵抗航舶撞击能力较强，全桥型线简洁大方，施工难度不大，养护维修方便，造价适度，经专家审查和交通部批准，同意北汊主桥采用主跨165m的五跨预应力混凝土连续箱梁方案。
最终北汊大桥桥跨总体布设方案为：
主桥 90＋3 X 165m＋90in＝675m等截面预应力混凝土连续箱梁桥。
北引桥 3.5m＋16X30m＋5X50m＝733．5m等截面预应力混凝土连续箱梁桥。
南引桥 5*50m＋17*30m＋3.5m＝763．5m等截面预应力混凝土连续箱梁桥。
全桥长 2172m。
主桥桥面标高，按两次边孔在最高通航水位以上留有通航净高18m考虑，桥面以主桥中心对称设置2．957％的双向纵坡，并没半径16000m的凸型竖曲线，为改善大桥景观，展示大桥结构造型美感，在大桥南、北引桥分别设置了半径为8000m和4136m的平曲线。
3.主桥
（l）主梁截面形式及其构造
大跨度PC连续梁桥上部构造结构自量占设计荷载的比重，随着跨度的增加而增大，在保证结构刚度的前提下，尽可能地减轻上部结构自重、并获得较大的截面有效承载力，是其断面设计首先考虑的问题。为此，桥梁结构横断面布置，将六车道桥梁布置成上、下行分离的大悬臂三向预应力单箱单室断面，用顶板的横向预应力和腹板内竖向预应力筋来解决顶板受力及主梁腹板抗剪问题，采用大吨位预应力体系及其合理布设．避免因布束增加顶、底板面积和齿板构造。这样的三向预应力单箱单室断面，具有抗扭刚度大，截面效率高、动力性能良好等优点，并能有效地减轻上部构造自重和减小下部结构构造尺寸，节省材料。
主桥箱梁架高由跟部的 8.8m，梁底按二次抛物线变化至跨中的 3.0m，分别为跨径的1／18.75和1／55，单幅箱梁顶宽15.42m，设置向外的2％横坡，顶板两侧翼板悬臂长3.96m，顶板厚0.28m，底板宽7.5m，厚1.1～0.3m，因板厚0.9～0.4m。箱梁在墩顶0号块设厚度为 0.8m的两道横隔板，其位置与主墩侧壁对应，以便悬臂浇筑时，设置墩梁临时固结构造，在边路端部箱梁设2.0m厚横隔板。PC箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工，梁段划分为8m（0号块）＋5*2．5m＋5*3.0m＋5*3.5m＋8*4.0m，中跨、次边跨合龙段长3.0m，边跨合龙段长2．0m，边跨支架现浇段长6．72m，梁段最大重量156t。
（2）预压力体系
箱梁按三向预应力设计，纵向预应力采用 27φj15.24，25φj15．24， 19φj15.24和 12φj15.24的 ASTM A416－92270级钢绞线，OVM锚。仅在箱梁跟部几个梁段布设腹板下弯束，余全为顶板束及底板束。顶、底板来均采用平湾、竖弯结合的空间束，集中锚固于腹板顶部承托中尽量靠近腹板的齿板上，以减小局部应力和利于锚固集中力迅速传至全断面。箱梁顶板横向预应力采用 4φj15.24钢绞线，BM-4型扁锚，以75的间距布置，单端交替张拉锚固。箱梁腹板内以50m的间距单肢和双肢设置了φL32精轧螺纹粗钢筋的竖向预压力筋、YGM锚。
根据工程总体工期安排，要求主、引桥同步施工，为使主桥纵向预应力张拉作业不受引桥施工干扰，主桥边孔正弯矩束采用梁端固定锚、梁内张拉锚固的方式设置。
（3）主桥下部构造
采用钢筋混凝土空心薄壁墩，高桩承台，群桩基础。墩身为5m*7.5m矩形薄壁截面，壁厚 1.2m，为抵抗航舶撞击的局部应力，采用 50号混凝土，并适当加大墩身钢筋保护层厚度，在其中设置了钢筋网。主墩承台厚 3.5m，顶面标高-0.5m，9φ2.5m钻孔灌注嵌岩桩基础。
（4）关于应力控制
对大跨度PC梁式桥，考虑其施工误差，混凝土性能的不均匀性以及计算理论与这类三向预应力结构工作性状的差异等，并结合国内已建同类桥架运营实际工作状况及出现的问题，设计中对主桥上都构造各项应力指标进行了控制，使之留有一定富余和安全储备，以增加结构安全度和耐久性。计算结果，主桥PC箱梁施工阶段最大正应力为 17.4MPa，最小正应力为-0.46MPa，最大主拉应力为-0.8MPa；运营阶段最大正应力为 16．7MPa，最小正应力 2.4MPa，最大主抗应力为-0.8MPaMPa。并要求对竖向预应力采取复拉工艺，计算中并仅计其竖向预应力的部分作用，将其余部分竖向预应力作为安全储备考虑。
4.引桥
两岸引桥均采用逐孔浇筑的等截面PC连续箱梁，跨两岸大堤及堤外（河中）桥孔按50m布孔，堤内按30m布孔，钻孔灌基础。