南京长江二桥关键技术研究

陈明宪南京长江第二大桥关键技术研究南京长江第二大桥是国家“九五”重点工程之一，是我国自行设计、自行组织施工、自行组织科技攻关的特大规模的桥梁工程。其中南汊主通航孔为双塔双索面五跨连续钢箱梁斜拉桥，主跨达628米，该跨径居目前同类桥型中国第一、世界第三。工程概况大桥气势磅礴、造型优美，成为古城南京的标志性建筑，被评为首届“中国十佳桥梁”。大桥按双向六车道高速公路标准建设。计算行车速度:100km/h。设计荷载：汽车—超20级,验算荷载：挂车—120。桥面宽度32米。全部工程经国家核批静态投资概算为33.5亿元，建设工期为4年。工程于1997年10月6日正式开工建设。2001年3月26日竣工通车,实际工期3年零5个月,提前7个月工期，比计划节约投资3亿元。江泽民总书记亲笔为大桥题写了桥名，江泽民、朱镕基、李瑞环、李铁映、吴邦国、姜春云和邹家华等党和国家领导人多次亲临现场视察。一、大跨径钢箱梁斜拉桥的总体设计。二、大型深水基础关键技术研究。三、钢箱梁关键技术研究。四、钢箱梁斜拉桥施工控制技术。五、合龙与体系转换的创新技术。六、索塔工程新技术。七、斜拉索抗风振、雨振研究。八、基岩工程力学性质试验研究。九、钢桥面环氧沥青混凝土铺装技术研究及应用。关键技术及创新点一、钢箱梁斜拉桥总体设计大桥采用双塔斜拉桥结构形式，分离式倒Y形索塔，全焊接扁平钢箱梁，设计新颖，线形流畅，科技含量高，施工难度大，在国际桥梁界引起关注和反响。大桥采用58.5+246.5+628+246.5+58.5=1238米五跨连续钢箱梁斜拉桥，为中国第一、世界第三的大跨径斜拉桥，全钢箱梁连续长度为当时世界第一。大桥的建成使我国大跨径斜拉桥设计施工水平跻身世界领先地位，是我国桥梁建设史上一座新的里程碑。名列世界前三位的大跨径斜拉桥序号桥名国家建成年份跨径(m)1多多罗大桥日本1999270+890+3202诺曼底大桥法国1995547.8+856+737.53南京长江二桥中国200158.5+246.5+628+246.5+58.5在国内斜拉桥上首次采用全焊接流线型扁平体钢箱梁，抗风性能优越，临界颤振风速可达152m/s；且因其全封闭，便于运营管理时期的抽湿养护；设计使用寿命大于100年。二、大型深水基础关键技术研究桥位处水深40m，流速3.8m/s；基础处覆盖层：南塔33米，北塔29米；堰内最大施工水深68米；基岩为泥岩、粉细砂岩夹少量泥质胶结砂砾岩，单轴抗压强度小于1MPa，为极软岩。直径36米的钢围堰主塔基础采用大型钢围堰和钻孔桩复合基础，将钢围堰作为永久性受力结构与群桩共同抵抗船撞水平力，大大减小了基础的桩数、桩长和钢围堰的直径。采用了直径36m、高65.5m的大型钢围堰和21根直径3m的钻孔桩复合深水基础，是我国迄今为止最大的桥梁深水基础。钢围堰接高锚缆霍尔式铁锚船位定围堰锚锭系统采用了包括定位船、导向船、霍尔式铁锚、锚链、粗纲丝绳拉缆及其测力调整功能在内的全铁锚锚锭系统。该系统布设快、锚着力大、调整简捷、可靠性高。围堰封底创造了29小时浇筑6250立方米混凝土的新纪录WIRTH钻机南北主塔各有21根φ300cm钻孔灌注桩，钻孔深度施工平台以下最大达到130米，是全国规模最大的钻孔桩基础。•引进德国Wirth反循环液压钻机；•设计出导向稳定钻杆；•采取清水成孔工艺；•双控手段浇筑水下混凝土。130天完成全部桩基础，经检测全部优良。大体积混凝土承台国内最大体积（5100余立方米）的钢筋混凝土承台，混凝土水化热引起温度应力裂缝是一个突出的问题,经多次试验，选择了高性能、低水化热混凝土配合比，设置多层水冷却循环散热管，并通过实体模拟试验，最终承台浇筑温控与表体无裂缝取得了成功。三、钢箱梁关键技术研究1，首次采用全断面焊接技术，解决了梁体密封性和沥青混凝土桥面铺装问题。2，首次采用顶板U肋栓接接头，解决了仰焊焊接质量和劳动力强度问题，提高了质量和速度。3，进行了关键受力部位的抗层状撕裂性能研究，选用了性能优越的钢材和合理的施焊工艺。4，国内首次采用拉索与箱梁连接钢锚箱结构，解决了关键受力部位的安全性和耐久性问题。5，架设安装技术：0＃块与边跨采用支架法大型浮吊吊装拼接，运用了轨道导向牵引就位技术。标准梁段吊装采用VSL液压提升系统。四、钢箱梁斜拉桥施工控制技术研究1、根据无应力索长控制原理，应用神经网络控制技术，对主梁标高、轴线、索塔偏位、结构内力、焊接条件等多目标控制；2、索力与标高（线形）两大指标双控；3，施工中与成桥后均不调索；628m主跨合龙前，两悬臂梁端的标高误差最大为5mm,轴线误差为2.4mm；调整后,合龙时的标高误差仅2mm，轴线误差仅1mm。施工控制精度达到国际先进水平。五、合龙与体系转换的创新技术1，中跨（628m）合龙段（6m节段）首次采用“降温合龙法”合龙；2，边跨（246.5m）合龙采用“顶推法”合龙；3，合龙后的体系转换采用“活动压重法”实施。诺曼底大桥吊装六、索塔工程新技术南北索塔高达195米，超高、超大斜率、斜塔柱施工过程中根部应力控制及施工精度控制是施工关键。经采用多项新技术、新工艺，达到：1，南索塔垂直度1/9000，北索塔垂直度1/13500；2，两索塔中心水平距离628m＋3mm，精度达1/210000；1，无支架爬模技术；2，水平主动撑技术；3，大吨位环向预应力束；4，真空辅助压浆技术；5，GPS定位技术。U型预应力索张拉与压浆实验1:1模型施工工艺试验七、斜拉索抗风振、雨振措施研究减振效果•对拉索做了开放式风洞试验，对比分析了辅助索、凹凸纹、阻尼器、螺旋线等多种抗风雨振措施的特性和减振效果；•通过安装液压阻尼器，提高拉索的阻尼比，有效抑制了拉索的风致振动；•首次采用螺旋线与液压油阻尼器相结合的技术，有效地解决了拉索的风雨振问题。八、基岩工程力学性质试验研究•原位平硐试验•模拟桩静压试验•在现有规范之外得出正确的桩壁摩阻力取值•提出有效的设计计算方法，减短了原设计桩长（南塔减短18m，北塔减短15m）该项研究成果填补了国内外相关规范的空白，节省直接工程费用数千万元，降低了施工难度，缩短了周期，确保基础四根以上有桩渡洪。规范规定软岩地基容许承载力与研究成果推荐值比较表地层岩石名称风化分带规范规定软岩地基容许承载力σ0（Mpa）研究成果推荐值σ0（Mpa）推荐值比规范规定值提高（%）白垩系浦口组砂砾岩强风化0.6～0.80.6～0.8100%弱风化0.81.3～1.6160%--200%微风化0.8～1.02.0～2.2220%--250%砾岩强风化0.80.8100%弱风化1.01.6～1.8160%--180%微风化1.0～1.22.2～2.4200%-220%规范规定软岩钻孔桩周极限摩阻力与研究成果推荐值比较表地层岩石名称风化分带规范规定软岩钻孔桩周极限摩阻力Ti（Mpa）研究成果推荐值Ti（Mpa）推荐值比规范规定值提高（%）白垩系浦口组砂砾岩强风化0.140.2～0.30142%--214%弱风化0.1540.30～0.35195%--227%微风化0.1680.35～0.40208%--238%砾岩强风化0.180.25～0.30139%--167%弱风化0.200.35～0.40175%--200%微风化0.220.40～0.45182%--225%九、钢桥面环氧沥青混凝土铺装技术及应用研究1、首次系统、全面、深入地研究了环氧沥青混凝土钢桥面铺装的成套技术。2、对复合梁在低温、常温、高温时，在常规荷载和超载情况下的疲劳特性进行了全面系统的研究。3、攻克了环氧沥青混凝土施工温度和施工时间极为苛刻的难关。4、桥面铺装由原设计7厘米厚的SMA结构变更为5厘米厚的环氧沥青混凝土结构。5、经过3年多来大流通量运行、经过－14℃低温和69.4℃高温的考验，性能稳定，使用良好。6、达到国内领先、国际先进水平。钢桥面环氧沥青混凝土铺装材料技术指标环氧沥青技术指标技术要求极限抗拉强度·23℃,MPaBid≥6.89Bv≥1.52断裂时的伸长率·23℃,%Bid≥190Bv≥200热固性·300℃不熔化粘度增加至1000cp·121℃,分钟Bid≥20Bv≥50环氧沥青混合料技术指标技术要求马歇尔稳定度·固化试件，60℃≥40.4kN·未固化试件≥5.34kN马歇尔流值·固化试件，60℃≥2.0mm·未固化试件≥2.0mm密度≥2240kg/m3空隙率≤3%粘结强度·23℃≥2.75MPa·0℃≥2.75MPa·60℃≥1.75MPa膨胀系数接近钢板的膨胀系数拉压状态下，30分钟时的蠕变百分比≤5%复合梁疲劳技术指标(正弦波施加)技术要求复合梁弯曲疲劳·18℃，10Hz,6kN作用1200万次不破坏·0℃，10Hz,5kN作用1200万次不破坏·60℃，10Hz,5kN作用1200万次不破坏·-15℃，10Hz,5kN作用1200万次不破坏由多位中国工程院院士和专家组成的国务院重大项目稽查办国家重点项目稽查组和交通部南京长江二桥技术专家组以及交通部南京长江二桥竣工验收委员会一致认为：南京长江第二大桥建设依靠科技创新，整个工程设计先进、施工规范、监理严格、管理科学、质量优良、工期短、投资省，工程的质量和技术水平达到国内领先、国际先进水平。在交通部组织的竣工验收会上，竣工验收委员会给出了当时国内特大桥竣工验收的最高分：96.6分，质量评定为优良。被交通部树为全国样板工程，获2004年度国家优质工程金奖。经济及社会效益经济效益直接南汊主桥节约工程投资1.9685亿元；工期提前7个多月，多收费1.4亿元。间接提前7个月工期完工产生的效益数亿元。社会效益1，提前7个月完工通车；2，缓解了南京长江大桥的压力，解决了过江难的问题；3，促进了南京市、江苏省乃至长江三角洲和华东地区的经济发展；4，提高了我国特大桥建设水平；5，为苏通长江大桥等超千米跨斜拉桥的建造提供了可借鉴的经验，奠定了技术理论基础。项目获奖情况※2004年度国家优质工程金奖※首届“中国十佳桥梁”※詹天佑土木工程大奖※中国建筑工程鲁班奖※全国第十届优秀工程设计金奖※中国公路学会科技进步一等奖※交通部优质工程一等奖※江苏省“扬子杯”优质工程奖※湖南省建筑工程“芙蓉杯”奖南京长江第二大桥关键技术研究的成功，使该桥工程质量、进度、投资三大指标得以有效的控制，为确保工程质量达到“精品工程”奠定了坚实的基础。南京长江第二大桥关键技术研究成果具有重大创新和突破，技术难度大，达到国际先进水平。其成果不仅成功地解决了大跨径钢箱梁斜拉桥的关键问题，而且已在国内多座大跨径斜拉桥建设中推广应用，对我国大跨径桥梁建设迈上一个更高的台阶发挥了重大作用，为我国乃至世界桥梁建设提供了可供借鉴的成功经验,创造了巨大的经济和社会效益。结语