項目地理位置圖

南京長江第五大橋是G205和G312共線的過江通道，同時也是南京“高快速路系統(tǒng)”中繞城公路的重要組成部分，在南京長江第三大橋下游約5公里，在南京長江大橋上游約13公里處，是國務(wù)院批復(fù)的《南京市城市總體規(guī)劃(1991-2010)》中確定的南京地區(qū)過江通道之一，已經(jīng)列入國家《長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃（2014-2020）》。

項目路線起自南京市浦口區(qū)五里橋，接改建的江北大道，跨越長江主航道后，經(jīng)梅子洲，下穿夾江南岸，接已建成的江山大街，全長約10.334km。其中，跨長江大橋長4134m，夾江隧道長1754.6m，其余路段長約4.4km?？缃髽蛑鳂虿捎脴蚩绮贾脼?0+218+600+600+218+80=1796m的三塔斜拉橋。初步設(shè)計批復(fù)總概算約62億元人民幣。

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下——

公路等級：雙向六車道一級公路，兼具城市快速路功能。

計算行車速度：路基、橋梁100km/h，隧道80km/h。

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期：100年。

標(biāo)準(zhǔn)寬度：雙線六車道，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度30.5m，隧道12.25m×2。

設(shè)計洪水頻率：特大橋1/300，其他結(jié)構(gòu)物1/100。

航道等級：設(shè)計最高通航水位為8.53米，設(shè)計最低通航水位為-0.03米（85國家高程基準(zhǔn)）。

通航凈空尺度：單孔單向通航：268×32m，單孔雙向通航：525×32m。

荷載標(biāo)準(zhǔn)：車輛荷載為公路Ⅰ級；設(shè)計基本風(fēng)速為31.7m/s；地震基本烈度為Ⅶ度，按實測地震動參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析，按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行抗震設(shè)防，E1、E2設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如表1所示；跨江大橋橋墩船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

跨江主橋橋型布置圖

橋跨布置

根據(jù)水文、通航條件，南京長江第五大橋跨江大橋主橋采用橋跨布置為80+218+600+600+218+80=1796m三塔斜拉橋。該方案基本覆蓋10.5m水深區(qū)域，其中2×600m橋跨為主通航孔；左側(cè)218m邊孔預(yù)留，右側(cè)218m邊孔為非通航孔。上述布置方案滿足現(xiàn)有航道通航要求，亦可適應(yīng)航道可能變化、航運發(fā)展及多線通航需求。

結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)三塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點布置合理的結(jié)構(gòu)體系：①中塔處設(shè)置支座約束縱向位移及豎向位移，并設(shè)置橫向抗風(fēng)支座；②邊塔索塔處設(shè)置豎向支座及橫向抗風(fēng)支座，并設(shè)置縱向限位裝置；③輔助墩處設(shè)置豎向支座、橫向抗風(fēng)支座及縱向E型動力耗能裝置；④過渡墩處設(shè)置豎向支座及橫向抗風(fēng)支座。

為提高三塔雙主跨斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)性能，在中塔及邊塔均設(shè)置兩排四組豎向約束支座，雙排豎向支座共同作用，以約束主梁的豎向轉(zhuǎn)動位移和偏載扭轉(zhuǎn)位移。為改善支座自身以及支座區(qū)域主梁受力性能，索塔區(qū)域的豎向支座均采用彈性支座，彈性剛度16000t/m。

索塔設(shè)計

1. 索塔結(jié)構(gòu)選型

三塔斜拉橋與常規(guī)斜拉橋結(jié)構(gòu)在受力上有所不同，主要表現(xiàn)為中間塔兩側(cè)均無輔助墩和過渡墩，不能對主梁和索塔剛度提供有效幫助，并使結(jié)構(gòu)各個響應(yīng)的活載影響線幅度和范圍增大，各個構(gòu)件的活載效應(yīng)變大。如何提高中塔穩(wěn)定性、主梁豎向剛度、控制斜拉索疲勞應(yīng)力幅度和滿足索塔受力要求，是三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

（a）邊塔構(gòu)造示意　（b）中塔構(gòu)造示意

索塔構(gòu)造示意（cm）

經(jīng)研究與比選，通過將索塔縱向打開成鉆石形來提高索塔自身剛度，是較為有效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。當(dāng)塔柱縱向打開成鉆石形時，如橫向仍采用雙柱塔，單個索塔在橋面上將存在四個塔肢，其結(jié)合處受力較為復(fù)雜；斜拉索與四肢索塔塔柱共存一個空間，線條多且雜，視覺效果不佳。若將四塔肢適當(dāng)合并，形成中間獨柱式，再結(jié)合斜拉索的搭配性布置，則整體呈現(xiàn)簡潔流暢的美感，產(chǎn)生獨特的視覺效果。因此，結(jié)合力學(xué)與美學(xué)的統(tǒng)一，索塔選用縱向鉆石形—橫向獨柱型索塔。

（a）上塔柱斷面　（b）中塔柱斷面

（c）下塔柱斷面?。╠）塔底斷面

中塔截面構(gòu)造示意（cm）

2.索塔結(jié)構(gòu)材料選擇

分別研究鋼索塔、混凝土索塔、鋼混組合索塔三種結(jié)構(gòu)形式。鋼索塔由于可提供的剛度有限并且造價較高，不宜選用。而鋼混組合索塔相比于混凝土索塔具有以下優(yōu)勢：

①承載能力高，由于鋼外殼的協(xié)同承載作用，其承載能力高于鋼筋混凝土索塔。

②塑性和韌性好，鋼材的約束作用可以改善核心混凝土的變形性能，使組合索塔具有良好的塑性和韌性，從而顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

③外觀質(zhì)量好，索塔外表面均為鋼結(jié)構(gòu)，光潔度、平整度相較于混凝土索塔更易保證，另外表面涂裝顏色可根據(jù)景觀設(shè)計要求確定，更易獲得較好的美學(xué)效果。

④耐久性好，鋼殼的約束作用可減緩鋼筋混凝土的裂縫發(fā)展，內(nèi)部鋼筋因有鋼殼的保護(hù)不會引起銹蝕，運營期間只要做好鋼殼的外表面涂裝維護(hù)，即可保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

⑤采用工廠化、裝配化施工，減少現(xiàn)場作業(yè)強(qiáng)度及難度，提高工程質(zhì)量，并且施工方便，索塔施工過程中鋼殼可兼作混凝土模板，省去了大型爬模設(shè)備。

雖然鋼混組合塔工程造價較混凝土索塔略高，但結(jié)構(gòu)性能明顯占優(yōu)，亦符合交通部推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)戰(zhàn)略，故最終選擇采用鋼混組合索塔。

3.索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

索塔采用縱向鉆石形索塔，橫向為獨柱塔，結(jié)構(gòu)為鋼—混凝土組合索塔，鋼結(jié)構(gòu)采用Q345C板材和Q235B型材，混凝土采用C50補(bǔ)償收縮混凝土。

縱向鉆石形塔柱演變

索塔采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，中塔高175.407m，邊塔高167.7m。下塔柱為縱向雙肢，每肢為單箱三室的外側(cè)帶凹槽的六邊形斷面，橫向13.8m、縱向7m（邊塔6m）、壁厚1.2～1.4m，底部合并縱向14m（邊塔12m），向上逐步分離，至下塔柱頂部縱向21m（邊塔17.6m）。中塔柱為縱向雙肢，每肢為單箱單室的外側(cè)帶凹槽的四邊形斷面，橫向5.8m、縱向7～5.686m(邊塔6～5.024m)、壁厚1.2～1.4m。上塔柱合并為單箱單室，橫向5.8m、縱向11.328～5.0m（邊塔10.066～5.26m）。下橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，高2.0m、寬4.6m，設(shè)置順橋向預(yù)應(yīng)力。中上塔柱結(jié)合部設(shè)置預(yù)應(yīng)力。上塔柱設(shè)置鋼牛腿和鋼錨梁。

4.鋼混組合塔施工工藝

基于鋼-混組合索塔的特點，采用了工廠化、裝配化的施工工藝，將大部分鋼筋在工廠內(nèi)預(yù)穿并隨鋼殼整體吊裝裝配，用鋼殼兼作混凝土模板，省去了大型爬模設(shè)備，現(xiàn)場僅需連接節(jié)段間鋼筋和澆筑混凝土，有效減少現(xiàn)場作業(yè)強(qiáng)度及難度，提高工程質(zhì)量。

主梁設(shè)計

1.主梁結(jié)構(gòu)形式

對應(yīng)于本橋主跨600m的三塔斜拉橋而言，主梁結(jié)構(gòu)選擇鋼箱梁或組合梁均是可行的。組合梁由于橋面板采用了混凝土結(jié)構(gòu)，可以有效規(guī)避正交異性鋼橋面板的疲勞病害和鋼橋面鋪裝易損問題，并且經(jīng)濟(jì)性相對更優(yōu)，故南京五橋主梁選擇了鋼混組合梁方案。

傳統(tǒng)鋼混組合梁的橋面板混凝土通常采用C55～C60混凝土，板厚一般不低于27cm，主要由車輪局部荷載作用下引起的局部彎矩和結(jié)構(gòu)總體受力共同控制。較大的橋面板厚度使得鋼混組合梁結(jié)構(gòu)自重較鋼箱梁大，自重引起的斜拉索索力、塔柱軸力比重加大。為克服自重，必須加大索塔尺寸和斜拉索規(guī)格，從而影響了其經(jīng)濟(jì)性以及朝更大跨度斜拉橋應(yīng)用的可能性。

選用高性能的粗骨料活性粉末混凝土作為橋面板材料，不僅可有效提高混凝土橋面板的受力性能，而且可優(yōu)化橋面板的厚度，使鋼混組合梁自重明顯降低，進(jìn)而降低索塔尺寸、斜拉索規(guī)格，改善整體結(jié)構(gòu)性能，使鋼混組合梁能夠適應(yīng)更大跨徑斜拉橋的需求。

粗骨料活性粉末混凝土是由粒徑不大于10mm的粗骨料、細(xì)度模數(shù)為2.6－2.8的細(xì)骨料和活性粉末混凝土組份（其中不應(yīng)摻加任何起膨脹作用的添加劑）組合而成，基于最緊密堆積原理優(yōu)化顆粒級配，以超微細(xì)顆粒、細(xì)顆粒和粗顆粒間的逐級均質(zhì)充分填充，提高混合材料內(nèi)部的致密性，有效減小其內(nèi)部孔隙，大幅提高混合材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

采用粗骨料活性粉末混凝土作為橋面板材料，橋面板厚度由傳統(tǒng)的27cm降低至17cm，單位重量由37.3t/m降低至27.7t/m。將顯著改善結(jié)構(gòu)整體受力性能，并降低主梁架設(shè)難度和工程造價，極大地拓寬組合梁斜拉橋的適用領(lǐng)域。

綜合考慮大跨度組合梁斜拉橋?qū)蛎姘宓氖芰σ蟆⒋止橇匣钚苑勰┗炷敛牧献陨淼男阅芴攸c以及經(jīng)濟(jì)性，對其物理力學(xué)性能要求如表3。

2.主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

主梁采用扁平流線型整體箱形鋼混組合梁，其兩側(cè)路肩區(qū)為底部開放的懸臂結(jié)構(gòu)，主梁標(biāo)準(zhǔn)寬度35.6m，梁高3.6m（組合梁中心線處）。

主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(mm)

鋼混組合梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，其3個箱室的寬度分別為12.05m、5.6m、12.05m，兩側(cè)挑臂寬度2.95m，在索塔與梁交匯處，中間箱室加寬至6.2m。

中間箱內(nèi)設(shè)置斜拉索錨箱，是箱梁內(nèi)受力最大的區(qū)域。中間箱兩側(cè)中腹部厚度36mm，縱向設(shè)置3道板式加勁；對應(yīng)底板標(biāo)準(zhǔn)段厚度16mm，索塔及輔助墩區(qū)域加厚至20mm，縱向設(shè)置6道U肋加勁；中腹板上翼緣尺寸600×20mm。

兩側(cè)邊箱底板、斜底板標(biāo)準(zhǔn)厚度均為12mm，索塔及輔助墩區(qū)域平底板加厚至20mm，斜底板加厚至16mm，縱向共設(shè)置15道U肋加勁；邊腹板厚度20mm，縱向設(shè)置一道板式加勁，邊腹板上翼緣尺寸500×20mm。箱內(nèi)設(shè)橫隔板，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3.65m，非拉索處橫隔板厚10mm；拉索處橫隔板邊箱厚14mm，中間箱厚16mm；橋面吊機(jī)加勁處橫隔板厚16mm，支座處橫隔板厚20～24mm。

鋼—粗骨料活性粉末混凝土組合梁結(jié)構(gòu)示意圖

鋼梁上鋪設(shè)粗骨料活性粉末混凝土橋面板，鋼和混凝土通過剪力釘連接，以形成組合截面。橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度17cm，在中腹板及邊腹板頂加厚至20cm，中間箱橋面板厚20cm。輔助跨梁段橋面板厚度均為20cm。

粗骨料活性粉末混凝土橋面板分為預(yù)制板、工廠濕接縫、工地橫向濕接縫三部分制作。單個梁段共設(shè)4塊預(yù)制板。標(biāo)準(zhǔn)梁段長14.6m，橋面板全寬35.6m，分為4塊預(yù)制板，3道縱向濕接縫，1道工廠橫向濕接縫和1道工地橫向濕接縫。預(yù)制板尺寸6.92m×11.3m，兩側(cè)縱向濕接縫寬3.275m，中箱頂縱向濕接縫寬6.45m，工廠橫向濕接縫寬38cm，工地橫向濕接縫寬38cm。

全橋組合梁劃分成129個梁段，節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度14.6m、邊跨尾索區(qū)節(jié)段為10.95m，標(biāo)準(zhǔn)梁段重量為408t。

3.主梁施工工藝

針對粗骨料活性粉末混凝土材料的性能特點，組合梁橋面板制定了標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、自動化、智能化的施工工藝。

預(yù)制板采用標(biāo)準(zhǔn)模具預(yù)制，使得混凝土橋面板達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)的精度標(biāo)準(zhǔn)；橋面板無論是預(yù)制還是現(xiàn)澆，均采用自動化、智能化的數(shù)控布料、插入振搗、平板振搗系統(tǒng)完成澆筑，以減少施工隨機(jī)因素對橋面板質(zhì)量的影響。預(yù)制板采用全機(jī)械化、數(shù)控化制造，并在工廠內(nèi)完成鋼—混疊合，除橋位對接外的主梁所有制作均在工廠內(nèi)完成，大大降低現(xiàn)場作業(yè)難度，以保證主梁結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

鋼混疊合工藝具體施工流程如下：

①預(yù)制橋面板，鋼梁的部分橫隔板及其上翼緣，作為預(yù)埋件在預(yù)制板制作中預(yù)埋，養(yǎng)護(hù)3～6個月。

②在鋼結(jié)構(gòu)加工場胎架上拼裝鋼箱梁。

③吊裝預(yù)制板，將其擱置于鋼梁上，精確調(diào)整后，焊接預(yù)埋部分橫隔板和鋼梁橫隔板之間的對接焊縫，使預(yù)埋部分鋼板和鋼梁連成整體。

④澆筑縱向濕接縫和工廠橫向濕接縫，張拉橫向預(yù)應(yīng)力，養(yǎng)護(hù)2～3月后運至橋位。

斜拉索及其錨固構(gòu)造設(shè)計

1.斜拉索設(shè)計

考慮安裝及后期更換方便，斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa鋼絞線斜拉索，根據(jù)索力的不同，選取不同的鋼絞線束數(shù)，全橋采用15.7-31、15.7-37、15.7-43、15.7-55、15.7-61、15.7-73共6種規(guī)格的錨具。全橋共240根斜拉索。斜拉索在主梁上采用鋼錨箱構(gòu)造錨固，在索塔上采用鋼錨梁構(gòu)造錨固，張拉端設(shè)置在梁端。

斜拉索錨固構(gòu)造示意

2.斜拉索錨固構(gòu)造

斜拉索梁端采用錨箱式錨固，錨箱安裝在主梁中腹板內(nèi)側(cè)，并與其焊成一體。斜拉索拉力主要通過錨箱傳遞給主梁腹板。

斜拉索塔端采用鋼錨梁的錨固方式，鋼錨梁支承于鋼牛腿上，鋼牛腿焊接于索塔內(nèi)壁板，鋼錨梁與鋼牛腿之間設(shè)置不銹鋼摩擦副。斜拉索的水平分力主要由鋼錨梁承擔(dān)，豎向分力則通過鋼牛腿傳遞至塔壁上。每個索塔共20對鋼錨梁，每對鋼錨梁錨固4根斜拉索。索塔內(nèi)自下而上布置兩類鋼錨梁： A類11對鋼錨梁不設(shè)拉桿、B類9對鋼錨梁設(shè)拉桿。

索塔承臺鋼套箱

索塔基礎(chǔ)

1.中塔基礎(chǔ)

中塔基礎(chǔ)采用30根D2.8m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鋼護(hù)筒直徑3.2m，梅花形布置，樁長113m。承臺為圓形，直徑43m、厚8m。所有鉆孔灌注樁均按摩擦樁設(shè)計。承臺施工鋼套箱兼做永久防撞套箱，在套箱外壁板設(shè)置防撞橡膠護(hù)舷。

中塔鉆孔樁群樁基礎(chǔ)一般構(gòu)造(cm)

2.邊塔基礎(chǔ)

采用24根D2.8m直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，梅花式布置，按摩擦樁設(shè)計，樁底高程-94.0m，樁端持力層為中風(fēng)化泥巖。承臺為六邊形構(gòu)造，平面尺寸29.6（順橋向）×40.2（橫橋向）m，厚8.0m，承臺上設(shè)圓臺式塔座，塔座頂面直徑18m，底面直徑22m，厚2.0m。承臺施工鋼套箱兼做永久防撞套箱，在套箱外壁板設(shè)置防撞橡膠護(hù)舷。

主橋邊塔索塔基礎(chǔ)構(gòu)造(cm)

輔助墩、過渡墩及其基礎(chǔ)

輔助墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，共布置12根D2.2m直徑的鉆孔樁，按摩擦樁設(shè)計；承臺為矩形加圓倒角截面，平面尺寸15.2（順橋向）×21.4（橫橋向）m，厚4.5m；墩身為矩形帶凹槽截面，平面尺寸為4.5（順橋向）×10（橫橋向）m，橫橋向中心處開0.3m深、2.8m寬凹槽。

主橋輔助墩一般構(gòu)造(cm)

過渡墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，共布置12根D2.2m直徑鉆孔樁，按摩擦樁設(shè)計；承臺為矩形加圓倒角截面，平面尺寸15.2（順橋向）×21.4（橫橋向）m，厚4.5m；墩身為分離式實心墩，單墩截面尺寸為4.5（順橋向）×4.2（橫橋向）m，兩肢墩身凈距4.2m；蓋梁采用矩形截面，平面尺寸4.5（順橋向）×23.4（橫橋向）m，蓋梁高2.8m，兩側(cè)懸臂段梁高從1.2m漸變至2.8m。

主橋過渡墩一般構(gòu)造(cm)

南京長江第五大橋跨江主橋是世界上首座采用粗骨料活性粉末混凝土橋面板結(jié)構(gòu)的組合梁斜拉橋，也是跨徑最大的鋼混組合索塔斜拉橋。設(shè)計圍繞“品質(zhì)工程”創(chuàng)建工作，將工廠化、裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制安裝方案作為橋梁方案的考慮主線，將約75%的工作量放在工廠內(nèi)完成，盡量減少水上作業(yè)和現(xiàn)場作業(yè)強(qiáng)度及難度，切實保證工程質(zhì)量，有效提升了橋梁建造的工業(yè)化水平。

本文刊載 / 《橋梁》雜志 2018年 第6期 總第86期

作者 / 崔冰 閆永倫 魏樂永 馬增

作者單位 / 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司

編輯 / 王碩

美編 / 趙雯

責(zé)編 / 周洋

審校 / 盛超 廖玲