矮寨大桥创新技术研究

矮寨大桥创新技术研究矮寨特大桥为吉茶高速公路的控制性工程。桥位紧邻湘西德夯苗族文化风景区，自然环境优美，地形条件复杂，桥位处谷深500余米，桥面与地面高差达355m，山谷两侧悬崖距离从900m到1300m之间变化。在建项目吉首至茶洞公路桥隧方案比选悬索桥方案相对于隧道方案的优点：•避开了不良地质的影响•改善了公路的安全性能•减小了对自然环境的破坏•增强了当地的景观•提高了社会服务能力•降低了全寿命周期成本QK13+792.00隧道入口桩号大桥主缆的孔跨布置为：242m+1176m+116m，钢桁加劲梁全长1000.50m。主缆垂跨比F/L=1/9.6，钢桁梁全宽27m，高7.5m。全桥在桥台处设有竖向支座、水平弹性支座及横向抗风支座等限位系统。索塔采用钢筋混凝土门式索塔，吉首岸塔高129m，茶洞岸塔高62m。基础采用扩大基础。主缆采用预制平行钢丝索股。吉首岸锚碇采用重力式锚碇，茶洞岸锚碇为隧道式锚碇，两岸桥台均与隧道直接相连。技术难点：•桥隧相连•塔梁分离•主梁抗风稳定•主梁安装架设•行车安全（抗冰冻研究）•景观要求坡头隧道1146m钢桁架梁957m桥型比较方案低缆位悬索桥方案西班牙LascellassBridge美国WheelingBridge美国WheelingBridge降低了主缆与桥面的相对高差。缆位降低塔高比较隧道出口桩号QK14+113.00QK14+161.00隧道出口桩号QK15+195.20桥与隧道接口桩号坡头隧道129m开挖大92m开挖小回填吉首塔茶洞塔79m41m降低了主塔的高度。（129）m（62）m将吉首方向的重力式锚碇调整到合理的位置。隧道出口桩号QK14+113.00QK14+161.00隧道出口桩号QK15+195.20桥与隧道接口桩号坡头隧道缩短了主缆的长度。隧道出口桩号QK14+113.00QK14+161.00隧道出口桩号QK15+195.20桥与隧道接口桩号坡头隧道缩短190m减短了主梁的长度。坡头隧道钢桁架梁957m隧道出口桩号QK14+113.00QK14+161.00隧道出口桩号QK15+195.20桥与隧道接口桩号坡头隧道钢桁架梁1000.50m提高了全桥的整体刚度和抗风稳定性。塔梁分离式悬索桥无索区的处理大桥选用了塔梁分离式悬索桥结构，钢桁梁长度小于主塔中心距，主缆存在无吊索区，会出现吊索卸载应力为零的情况，且钢桁梁转角位移大，钢桁梁的上、下弦应力超标，需对钢桁梁作特殊设计。设计采用的是增加竖向锚固拉索方案，设竖向锚固拉索，通过预应力岩锚将其锚固于岩石上。碳纤维锚索张拉试验桥位处存在溶蚀、裂隙、危岩体、卸荷带等不良地质现象，且茶洞侧塔基下方44m就是公路隧道，桥梁塔基、锚碇和公路隧道与山体形成联合受力体系。岩土名称湿密度（g/cm3）单轴极限抗压强度[Ra](MPa)弹性模量（GPa）抗剪强度容许承载力[σ。](kPa)C（MPa）ф（°）弱风化白云岩2.7620～30201.2383000微风化白云岩2.7850～80221.5424000弱风化灰岩2.7230～40181.2393000微风化灰岩2.7460～80201.5424000桥与隧道接口桩号QK15+195.20坡头隧道611.41622.91578.71585.7222113209国道倒石堆11644.61mQK15+257左30mQZK4681.92mQK15+410左15mQZK5585.72511.49536.69532.59586.99L1L2535.20mQK13+829右53.7mQZK1607.39mQK14+133左18.6mQZK351°10°340°10°危岩工程地质纵断面图比例1：2500剖面方位308°1P1q2hF图例碎石依次为杷榔组、清虚洞组和花桥组弱风化底界线强风化底界线断层块石灰岩砂质页岩卸荷带张裂隙∈2体吉首茶洞各岩土层主要力学指标值推荐表地质纵断面图塔基、锚碇、公路隧道与山体的联合受力问题矮寨大桥防冰冻措施由于矮寨大桥桥面距离沟底355米，结合吉首市冬天气温情况及附近高速公路桥面冬天结冰情况，矮寨大桥桥面冬天将极易结冰，对桥上行驶车辆的安全带来极大的负面影响。矮寨大桥防冰冻措施方案一：导电混凝土融雪化冰法（郑州大学、河南大学）导电混凝土融雪化冰法是在普通混凝土中添加适当种类和含量的导电组分材料（如钢纤维、石墨、碳纤维、炭黑、钢渣等），使混凝土变成具有良好导电性能的导电体。①导电发热废钢渣沥青混凝土；②桥面预制板上设置找平绝热防水粘结层；③电力布线于中间带及停车道右侧；④感温、感湿、感风监测探头布于中间带及停车道右侧；⑤融雪防冰自动控制系统；⑥电源采用太阳能或风能及水电。碳纤维导电混凝土融冰试验矮寨大桥防冰冻措施方案二：地源热泵法防冰（湖南大学）在桥面沥青层下、混凝土中埋设热管，冬季当桥面温度接近0℃时，开启热泵系统，向埋设管道内输送热水，提升桥面温度，从而防止桥面结冰或积雪。热泵系统通过地下埋管或地下水从地下恒温层提取热量或者从隧道风中提取热量或者直接从大气提取热量。地源热泵法融冰试验环保措施及景观研究环保措施新思路•尊重自然，尊重地区特性，不破坏就是最大的保护。•利用太阳能、风能对大桥进行冬季除冰。•利用风能、太阳能作为大桥和隧道功能照明和景观照明的能源。景观概念设计加劲梁的架设1,缆载吊机吊安法韦拉扎诺海峡大桥（跨径1290米，1964，美国）金门大桥（1280米，1937，美国）2,缆索吊吊装法3,桥面吊机散件悬拼法悉尼海港大桥的桥面吊机施工,摄于1930年6月20日1874年,美国的主跨为158米的圣路易斯铁路钢拱桥就采用悬臂拼装法施工。在墩顶设木塔架，用拉索吊住钢拱，由桥墩平衡悬臂拼装至跨中合龙。4,整体荡移法法国Chavanon桥施工（主跨300米）轨索滑移法利用大桥永久吊索在其下端安装临时吊鞍，然后在临时吊鞍上安装水平轨索，再将水平轨索张紧作为加劲梁的运梁轨道，实现由跨中往两端拼装大桥的钢桁加劲梁。矮寨大峡谷矮寨盘山公路轨索滑移架设方案总体思路卷扬吊机轨索滑移系统构成运梁小车钢桁梁标准节段吊鞍轨索永久吊索运梁小车总体构造永久吊索小车轮组钢桁架三角形分配梁矩形分配梁吊鞍总体构造永久吊索轨索鞍座轨索鞍体整体模型试验足尺模型试验B36梁段牵引试验轨索滑移法施工动画吉首岸拼装场茶洞岸拼装场B36梁段待牵引状态开始牵引运梁小车经过吊鞍向跨中牵引B36梁段到达设计位置提升钢桁梁退出运梁小车钢桁梁与吊索连接，完成体系转换预应力锚垫板安装前锚室二次衬砌浇筑隧洞成形隧道锚施工全景施工图片茶洞岸索塔施工吉首岸索塔施工猫道架设主缆索股架设最后一根主缆索股架设首根主缆架设首根主缆架设仪式主缆架设完成钢桁梁架设仪式目前已经完成5个梁段的架设，系统状况良好附：岳阳洞庭湖第二大桥京港澳线一纵四纵建新农场三纵：岳临线大界杭瑞国家高速公路本项目常吉高速吉凤高速岳常高速凤大高速项目背景临岳高速是杭瑞高速湖南段最后一个尚未开工的项目，也是我省最后一个尚未开工的高速公路出省通道。区域卫星影像图岳阳洞庭湖二桥是临岳高速的控制性工程。2010年4月27日，湖南省交通运输厅主持召开了“杭瑞国家高速公路岳阳洞庭湖二桥桥梁方案专家咨询论证会”。咨询意见认为：“针对推荐的工可A线桥位，设计院提出了两种桥型共五个方案，即主跨1000m、1300m两个斜拉桥方案和主跨1600m、1800m、2008m三个悬索桥方案进行了比选……主跨1800m左右的悬索桥方案对行洪、通航、城市规划、可持续发展以及堤防安全、河道疏浚等较为有利，可作为工可阶段投资估算控制的依据。”2010年5月20日，长江水利委员会以《长许可[2010]76号》行政许可批复了本项目A线1800m单跨悬索桥方案。洞庭湖蓄纳四水、吞吐长江。桥址位于南津渡至城陵矶7公里的洪道范围，是洞庭湖进入长江的唯一通道，也是抗洪防汛的关键区域。主河槽常水位宽约1.6km，是洞庭湖行洪的主要通道。君山岸为滩地，洪水期水流漫滩与长江来水连成一片，水面宽约4km。为减少对行洪的影响，长江水利委员会和湖南省水利厅要求主河槽区域不能设置桥墩，滩地应尽量采用较大跨径的桥型方案。主河槽滩地水文推荐桥位桥址位于湖南内河入长江的必经之路，水运繁忙，码头林立，船只繁多，常年停泊船只达300余艘。通航覆盖层东岸为硬塑状黏土厚约14.0m，西岸为砂土厚约35m。两岸基岩均为元古界冷家溪群砂质板岩，局部夹薄层状泥质板岩，中风化岩体较完整，岩质坚硬，是大跨径桥梁较理想的基础持力层。工程地质（1）设计风速：27.2m/s；桥面设计风速39.2m/s。（2）行洪：行洪敏感区，主河槽不能布设桥墩，滩地跨径宜大。（3）水利工程：受湖控工程的影响，滩地区需预留船闸建设的空间。（4）通航：通航要求高，码头附近及通航水域不应布设桥墩；锚地利用率高，资源有限，锚地区不宜布设桥墩。（5）工程地质：下伏基岩为砂质板岩，中风化岩体较完整，岩质坚硬，是大跨径桥梁较理想的基础持力层。主要控制因素1800m跨斜拉悬吊协作体系君山岸主桥副孔岳阳岸主桥副孔K线U线建设规模指标名称单位技术指标备注桥梁等级高速公路特大桥计算行车速度km/h100荷载等级公路Ⅰ级主桥宽度m33.5（桥面2×16.75）不计吊索锚固区行车道宽度m2×（3×3.75）桥面横坡2设计最高通航水位m33.1585国家高程基准最大纵坡1.5平曲线最小半径（互通式立体交叉范围）m880设计基准风速m/s27.2地震烈度度Ⅶ技术标准针对主桥推荐的1800m桥跨方案，结合目前经济、技术条件，梁桥与拱桥已不适用。主桥主孔桥型构思世界最大跨径梁桥主跨330m的重庆石板坡长江大桥复线桥世界最大跨径拱桥主跨552m的重庆朝天门长江大桥超大跨度桥梁必须以缆索承重体系为依托，已成为桥梁结构工程师的共识，缆索承重体系主要包括斜拉桥、悬索桥及斜拉-悬吊协作体系等。目前已建成的最大跨径斜拉桥为主跨1088m的苏通大桥，按照目前的材料和桥梁建设水平，修建主跨1800m的斜拉桥仍需要做大量的研究论证工作，因此，暂不考虑斜拉桥方案。世界最大跨径斜拉桥主跨1088m的苏通大桥国外最大跨径斜拉桥主跨890m的日本多多罗大桥主桥主孔桥型构思目前，国内外已建成的悬索桥主跨跨度分别达到1650m（舟山西堠门大桥）和1991m（日本明石海峡大桥），在建的意大利墨西拿海峡大桥主跨已达3300m。建造主跨1800m的悬索桥已不存在大的技术难题。悬索桥加劲梁一般采用钢箱梁或者钢桁梁，欧洲一般倾向于扁平钢箱形式，而美国和日本则更偏向于钢桁梁；我国已建桥梁中大多数采用了扁平钢箱。钢桁梁与钢箱梁各有优缺点，还需进一步深入比较。主跨3300m的墨西拿海峡大桥国外最大跨径悬索桥主跨1991m的日本明石海峡大桥主桥主孔桥型构思随着跨径的不断增长，抗风稳定性成为了超大跨径悬索桥设计的控制性难题，斜拉一悬吊协作体系吸收了斜拉桥和悬索桥的优点，抗风能力较强，在超大跨度桥梁中具有较强的竞争力，在世界各地提出很多设计方案。桥名所在地桥跨布置状况Brooklyn桥美国286m+486m+286m1883年建成Beauharnois桥加拿大54.5m+176.78m+54.5m1988年完成加固Salazar桥葡萄牙483m+1014m+483m1992年完成加固直布罗陀海峡桥摩洛哥2000m+2x5000m+2000m方案设计轻津海峡桥日本2000m+2x4000m+2000m方案设计广州虎门二桥中国430m+1680m+430m方案设计广东伶仃洋东桥中国319m+1400m+319m方案设计大连湾跨海大桥中国263m+800m+263m方案设计主桥主孔桥型构思本项目将对1800m斜拉-悬索桥协作体系、1800m钢箱梁悬索桥及1800m钢桁梁悬索桥三个桥型方案进行同深度比选。方案二：1800m钢箱梁悬索桥方案三：1800m钢桁梁悬索桥方案一：1800m斜拉-悬索桥协作体系主桥主孔桥型构思方案三现代复古风格造型方案一现代简约造型风格（推荐方案）方案四仿古风格造型斜拉-悬吊协作体系方案二排笛式主塔方案（湖南大学）大