蘇通大橋前期工程方案論證研究

蘇通大橋前期工程方案論證研究

1蘇通大橋的建設(shè)歷程蘇通大橋位于江蘇省東南長江南通河段，連接蘇州和南通。它是部規(guī)劃的一條從沈陽到?？诤０豆反┰介L江的重要運(yùn)河。它也是江蘇省道路上重要骨架的重要組成部分。蘇通大橋由跨江大橋和南、北接線三部分組成。蘇通大橋前期工作始于20世紀(jì)90年代初,根據(jù)國家基本建設(shè)程序,圍繞項(xiàng)目審批和工程方案決策,先后完成了項(xiàng)目建議書、預(yù)可行性研究報(bào)告、工程可行性研究報(bào)告、初步設(shè)計(jì)文件等編制和報(bào)審工作,組織開展了50多項(xiàng)有關(guān)基礎(chǔ)資料和橋梁關(guān)鍵技術(shù)專題研究工作,于2001年6月正式立項(xiàng),2002年11月通過工程可行性研究審批,2003年3月交通部批復(fù)初步設(shè)計(jì)。筆者圍繞蘇通大橋工程方案論證決策過程,重點(diǎn)介紹蘇通大橋橋位論證、跨江大橋主橋工程方案研究與比選論證、主要科研專題研究等前期工作概況。2中、東橋方案確定橋位論證是蘇通大橋工程可行性研究的重要課題之一。蘇通大橋依據(jù)橋位區(qū)域選擇、橋位擬定和篩選、橋位比選的基本原則,根據(jù)國家和江蘇省區(qū)域規(guī)劃,重點(diǎn)考慮與城市、路網(wǎng)、港口建設(shè)與規(guī)劃、其他擬建項(xiàng)目的協(xié)調(diào),以建設(shè)條件和橋梁關(guān)鍵技術(shù)專題研究為依托,共分5個步驟完成橋位論證。經(jīng)對中、東線橋位方案進(jìn)行深入比選研究,確定東線橋位——徐六涇橋位為蘇通大橋?qū)嵤蛭弧ＬK通大橋橋位論證概況見表1。3主橋工程方案與比較的研究3.1橋梁主結(jié)構(gòu)的研究與比較3.1.1主跨跨徑要求蘇通大橋在建設(shè)條件方面具有氣象條件差、水文條件復(fù)雜、基巖埋藏深、通航標(biāo)準(zhǔn)高等4大特點(diǎn),其中通航要求即對主跨跨徑的要求是控制蘇通大橋主橋橋型方案的重要因素,而通航凈空寬度、主墩繞流作用、結(jié)構(gòu)要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性是控制主跨跨徑的主要因素。經(jīng)分析,主跨跨徑考慮通航凈寬要求不小于891m、主塔基礎(chǔ)及防撞設(shè)施尺寸約90m、主塔基礎(chǔ)側(cè)面水流的繞流區(qū)影響范圍約100m,主跨跨徑要求不小于891+90+100=1081m;另外結(jié)合斜拉橋主、邊跨合理比值,斜拉索布置及鋼梁構(gòu)造等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),主航道可能擺動等因素,工可階段確定斜拉橋主跨跨徑為1088m。針對上述主跨跨徑要求和橋梁功能要求,考慮建設(shè)條件特點(diǎn),結(jié)合目前國內(nèi)外橋梁建設(shè)的實(shí)際水平,蘇通大橋工可階段專門進(jìn)行了橋梁關(guān)鍵技術(shù)的研究,重點(diǎn)對滿足蘇通大橋要求的斜拉橋、懸索橋和斜拉-懸索協(xié)作體系方案進(jìn)行了比較研究。經(jīng)研究,主跨1088m的雙塔鋼箱梁斜拉橋方案為工可推薦方案,主跨650m的三塔斜拉橋方案和主跨1510m的雙塔三跨懸索橋方案為比選方案,主跨1510m的斜拉-懸索協(xié)作體系方案在技術(shù)上雖可行,但目前國內(nèi)外跨徑超過500m以上尚無工程實(shí)例,其受力較復(fù)雜,可借鑒的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)少,技術(shù)不成熟,擬舍棄。因此,能夠滿足蘇通大橋建設(shè)條件要求的橋型方案只有大跨徑斜拉橋和懸索橋兩種。初步設(shè)計(jì)以工可橋梁關(guān)鍵技術(shù)研究成果為基礎(chǔ),對主跨1088m雙塔斜拉橋、主跨1510m懸索橋和主跨2010m懸索橋橋型方案進(jìn)行了研究,并重點(diǎn)對橋梁總體布置、結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行研究和計(jì)算分析,構(gòu)思了3種主橋橋型方案以及具體的研究與比選情況,方案如表2所示。3.1.2方案對比分析斜拉橋方案按主梁型式可分為鋼桁梁式、鋼箱梁式、混合梁式和疊合梁式。由于鋼桁架梁,在不考慮雙層橋面通車的條件下,與其他型式的梁相比缺點(diǎn)較多。因此,蘇通大橋初步設(shè)計(jì)階段對1088m斜拉橋方案根據(jù)通航、結(jié)構(gòu)受力和景觀要求,僅對鋼箱梁斜拉橋方案(七跨連續(xù)和五跨連續(xù))、混合梁斜拉橋方案(七跨連續(xù)和五跨連續(xù))和部分疊合梁斜拉橋方案(七跨連續(xù)),從通航要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性、水文、地質(zhì)條件、景觀協(xié)調(diào)等方面進(jìn)行了分析和比較。鋼箱梁斜拉橋方案,對七跨連續(xù)方案(100+100+300+1088+300+100+100)m和五跨連續(xù)方案(157+312+1088+312+157)m進(jìn)行了分析和比選,經(jīng)比較,雖然七跨方案比五跨方案總造價(jià)稍高,但其結(jié)構(gòu)受力合理,視覺效果好。因此,從總體布置分析,鋼箱梁方案宜采用七跨連續(xù)的方案?；旌狭盒崩瓨蚍桨赋醪皆O(shè)計(jì)對五跨連續(xù)和七跨連續(xù)進(jìn)行了分析和比選。五跨連續(xù)方案的邊跨120m梁段采用混凝土結(jié)構(gòu),并設(shè)置一個輔助墩,能夠很好地平衡主跨荷載,提高結(jié)構(gòu)剛度,克服支承處的負(fù)反力;而七跨連續(xù)方案200m邊跨混凝土梁遠(yuǎn)遠(yuǎn)重于中跨,導(dǎo)致邊跨、中跨梁重嚴(yán)重不平衡,受力不合理。因此,混合梁斜拉橋方案采用五跨斜拉橋?yàn)橐?跨徑布置(110+300+1088+300+110)m。部分疊合梁方案就是考慮邊跨壓重需要,將鋼箱梁斜拉橋的輔助跨用混凝土橋面板代替正交異性鋼橋面板,其他部分仍采用鋼箱梁,預(yù)制混凝土橋面板與鋼梁通過剪力釘連接,跨徑布置與七跨連續(xù)鋼箱梁相同。由于部分疊合梁在受力關(guān)鍵部位出現(xiàn)鋼混結(jié)合段連接與傳力,其受力復(fù)雜,構(gòu)造處理困難,類似橋梁國內(nèi)外尚無工程實(shí)例。因此,項(xiàng)目不宜采用部分疊合梁方案。經(jīng)綜合比選,選擇七跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋方案和五跨連續(xù)混合梁斜拉橋方案作為初步設(shè)計(jì)和深入研究的比選方案,兩個方案研究與比選綜合情況見表3。由結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和表3綜合比較可知,五跨連續(xù)混合梁方案混凝土梁段處于較高的應(yīng)力和較大的應(yīng)力幅狀態(tài),且施工困難,不如七跨連續(xù)全鋼箱梁斜拉橋方案安全、可靠。因此,從受力性能、施工風(fēng)險(xiǎn)及耐久性考慮,確定主橋采用七跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋方案。3.2主橋結(jié)構(gòu)方案的確定主橋結(jié)構(gòu)方案研究與比選是蘇通大橋初步設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。初步設(shè)計(jì)對主橋主跨1088m雙塔鋼箱梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系、主梁、索塔、斜拉索、基礎(chǔ)與防撞的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了研究和比選,技術(shù)設(shè)計(jì)又對主橋結(jié)構(gòu)體系、防撞方案等進(jìn)行了深入研究與比選,選擇了安全、經(jīng)濟(jì)、合理、技術(shù)先進(jìn)的主橋結(jié)構(gòu)方案為蘇通大橋?qū)嵤┓桨浮?.2.1結(jié)構(gòu)體系的確定蘇通大橋初步設(shè)計(jì)在對世界上多座大跨徑斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系調(diào)研的基礎(chǔ)上,結(jié)合蘇通大橋具體建設(shè)條件,對蘇通大橋可能適用的縱向全漂浮、縱向設(shè)阻尼或彈性約束的半漂浮、塔梁固接、索塔處設(shè)豎向支座4種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析比較,推薦蘇通大橋采用縱向設(shè)阻尼或彈性約束的半漂浮體系。技術(shù)設(shè)計(jì)以初步設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),進(jìn)一步對主橋橫向全漂浮、阻尼約束、主從約束等方案進(jìn)行研究,最終確定蘇通大橋主橋結(jié)構(gòu)體系為縱向設(shè)阻尼限位約束的半漂浮體系;橫向采用主從約束體系。3.2.2主要組件結(jié)構(gòu)的研究和比較蘇通大橋初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)對主橋七跨連續(xù)鋼箱梁主要構(gòu)件——主梁、索塔、斜拉索、基礎(chǔ)、防撞設(shè)施的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了研究與比選,詳見表4。4科學(xué)研究4.1基礎(chǔ)資料專項(xiàng)研究進(jìn)展為配合橋位論證、橋型方案和結(jié)構(gòu)方案等前期工程方案比選的需要,蘇通大橋工可、初步設(shè)計(jì)規(guī)劃開展了測繪、水文、氣象、地質(zhì)、通航等基礎(chǔ)資料專題研究共30多項(xiàng)。通過開展建設(shè)條件、基礎(chǔ)資料專題研究工作,基本摸清了橋位區(qū)建設(shè)條件特點(diǎn),掌握了水文、氣象、地質(zhì)、航運(yùn)等設(shè)計(jì)、施工可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料;明確了通航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通航水位標(biāo)準(zhǔn)、船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);研究論證了橋位處河勢和橋梁建設(shè)兩者之間沒有較大的影響;開展了環(huán)境影響評價(jià)并提出環(huán)保方案措施。4.2方案設(shè)計(jì)階段蘇通大橋工可和初步設(shè)計(jì)階段,圍繞橋位、橋型及結(jié)構(gòu)方案研究比選,考慮到蘇通大橋技術(shù)難度,規(guī)劃開展了橋梁關(guān)鍵技術(shù)專題研究,為橋梁方案論證、設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)支撐。工可階段的橋梁關(guān)鍵技術(shù)研究,主要通過對國內(nèi)外大量已建橋梁資料分析,提出了工可所研究雙塔斜拉橋、三塔斜拉橋、懸索橋、斜拉-懸索協(xié)作體系橋四大橋型方案中存在的重大關(guān)鍵技術(shù)問題;并針對所研究的橋梁方案,在國內(nèi)外橋梁施工技術(shù)發(fā)展水平調(diào)研、分析、論證的基礎(chǔ)上,提出了初步可行的施工技術(shù)方案;結(jié)合橋型方案比選,進(jìn)行了橋梁主要使用材料水平的調(diào)研、分析,提出主要構(gòu)件應(yīng)采用的材料規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)等。初步設(shè)計(jì)階段結(jié)合設(shè)計(jì)工作需要,在工可橋梁關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)初步設(shè)計(jì)對橋型及結(jié)構(gòu)方案的總體構(gòu)思,綜合蘇通大橋的技術(shù)難度、建設(shè)規(guī)模、初步設(shè)計(jì)深度和質(zhì)量要求,在初步設(shè)計(jì)進(jìn)行中對橋梁關(guān)鍵技術(shù)科研工作進(jìn)行了全面規(guī)劃和落實(shí)。針對千米斜拉橋方案,開展橋梁關(guān)鍵技術(shù)研究工作,提出了超大深水基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工方案、主橋基礎(chǔ)沖刷防護(hù)、千米斜拉橋超高索塔的設(shè)計(jì)與施工、索塔錨固方案、主橋結(jié)構(gòu)體系、千米級斜拉橋非線性問題、主橋施工與營運(yùn)期抗風(fēng)穩(wěn)定性、超長斜拉索減振措施、主橋上部結(jié)構(gòu)架設(shè)方案等橋梁關(guān)鍵技術(shù)解決方案,為選擇合適橋型方案、結(jié)構(gòu)方案提供了技術(shù)支撐,為主橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、上部與下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、防船撞設(shè)計(jì)、專用航道橋、引橋設(shè)計(jì)等提供了科學(xué)依據(jù),并提出了解決方案。5推進(jìn)蘇通大橋建設(shè)的低導(dǎo)與重點(diǎn)發(fā)展,為蘇通大橋建設(shè)提供了一個市場蘇通大橋前期工作根據(jù)“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理、美觀協(xié)調(diào)”的設(shè)計(jì)原則,在全面、深入分析建設(shè)條件、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料和橋梁關(guān)鍵技術(shù)專題研究成果的基礎(chǔ)上,針對蘇通大橋建設(shè)條件、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn),引進(jìn)、借鑒和應(yīng)用國內(nèi)