摘要：蕪湖長江大橋是一座跨越長江的公路、鐵路兩用大橋。為綜合解決長江航道，凈空限制和滿足公路、鐵路
行車條件，首次采用大跨度低塔斜拉橋板桁組合結(jié)構(gòu)。為解決設(shè)計和建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，進行了荷載，
剛度標準，材料，焊接標準和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面的系統(tǒng)研究。本文對這些研究成果作了簡要介紹。
關(guān)鍵詞：長江大橋；低塔斜拉橋；板桁組合結(jié)構(gòu)；結(jié)合板；合龍；彈模比
1 工程概況
蕪湖長江大橋是一座公、鐵兩用大橋。鐵路北接淮南線，南聯(lián)寧蕪、蕪銅、皖贛、宣杭線。公路連接長江兩岸多條干道，是我國鐵路與公路網(wǎng)上一座重要橋梁。
橋址兩岸長江大堤相距2540m，無為大堤迎水面有寬240m淺灘，蕪湖大堤有約100m的碼頭堆棧臺地，正橋大跨度鋼梁布置長度約2200m。正橋上部結(jié)構(gòu)的梁底高程受長江通航凈空限制，鐵路橋面軌底高程受現(xiàn)有編組站接線高程控制，橋梁建筑高度受附近機場飛行凈空控制。由于三條高程控制線的嚴格限制，結(jié)合船模試驗及實際航道的現(xiàn)狀與發(fā)展，主橋采
用中跨312米的低塔斜拉橋板桁組合結(jié)構(gòu)。結(jié)合水文地質(zhì)及鋼梁材質(zhì)、制造、安裝等條件，正橋橋跨布置由西向東為(120+2×144)m+2×(3×144)m+(180+312+180)m+(2×120)m。在主航道寬約700m范圍內(nèi)布置三個通航孔，中孔312m，兩邊孔各180m。
1．1 主要技術(shù)標準
(1)設(shè)計荷載
鐵路活載：雙線中一活載；公路活載：四線汽一超20；人群活載：3kN／m2。
(2)檢定活載
主體結(jié)構(gòu)檢定活載：中一活載的1．4倍；縱橫梁及局部受力桿件：中一活載的1．5倍。
(3)剛度標準
撓跨比：雙線鐵路活載邊跨撓跨比I／800，中跨撓跨比為1／650；公、鐵加載邊跨撓跨比1／700，中跨撓跨比1／550。
寬跨比：邊跨寬跨比為1／20；中跨寬跨比為1／25。
1，2斜拉橋結(jié)構(gòu)布置
根據(jù)航道和飛行凈空的要求，斜拉橋跨度布置為(180+312+180)m，主塔采用直塔結(jié)構(gòu)，公路面以上塔高33．2m。主塔每側(cè)8對斜拉索，每索由2根平行鋼絲斜拉索組成，上、下游索距23．4m，最外索的傾角約15．08°。斜拉橋在邊中支點均設(shè)豎向支座，主桁與塔在順橋向采用彈性聯(lián)結(jié)。
結(jié)構(gòu)布置的特點：
(1)加勁梁采用鋼桁梁，在適應公路、鐵路上、下層橋面布置的同時增加結(jié)構(gòu)剛度。
(2)在公路面將鋼筋混凝土行車道板與鋼桁梁上弦桿結(jié)合共同受力。除了增加結(jié)構(gòu)豎向剛度外，同時增加橋梁橫向剛度。
(3)利用低塔斜拉橋斜拉索傾角小，在提供相同豎向支承條件下水平力大的特點，公路面采用混凝土結(jié)合板，充分發(fā)揮混凝土抗壓性能好的特點。
(4)兩主塔處鋼桁梁與主塔在順橋向采用可調(diào)整拉力的彈性約束，解決了主塔，主塔基礎(chǔ)和邊跨鋼桁設(shè)計中的困難，節(jié)省了工程投資。
1．3 主桁
主桁桁高13．5m，桁寬12，5m，采用N型桁架，節(jié)間長12m。主桁外設(shè)置副桁，斜拉索通過副桁與主桁聯(lián)結(jié)。主桁弦桿最大軸力50000kN，最大板厚50mm。桿件截面依據(jù)軸力大小，采用H形和帶有加勁肋的箱形截面。桿件寬1100mm，上弦桿高桿件最大長度15．1m，最大吊重36t。
鋼桁梁采用焊接整體節(jié)點，一根弦桿兩處對接焊，平聯(lián)節(jié)點板和橫梁腹板等部件均與主桁節(jié)點焊接。整體節(jié)點有利于節(jié)省材料，減少現(xiàn)場安裝工作量，但對焊接和制造精度要求高。 1．4公路面混凝土結(jié)合板
公路面預制預應力混凝土橋面板通過M22剪力鍵栓釘與主桁上弦結(jié)合參與主桁共同受力。斜拉橋混凝土橋面板板厚26cm，采用現(xiàn)場預制，存放半年后上強的低樁承臺。10號和11號墩為斜拉橋主墩，采用雙壁鋼圍堰作為施工結(jié)構(gòu)。雙壁鋼圍堰外徑30．5m，壁厚1．4m，10號墩圍堰高52m，11號墩圍堰高43m。為適應巖面高差，圍堰底部設(shè)計成高低刃尖，圍堰抽水水頭差42m。
圍堰下沉至巖面清基后，整體下放鉆孔樁護筒并進行封底混凝土施工。10號墩圍堰內(nèi)布置19根直徑3．Om鉆孔樁，平均鉆孔深度21，1m，11號墩圍堰內(nèi)布置17根直徑3．Om鉆孔樁，平均鉆孔深度9．7m。
2 關(guān)鍵技術(shù)研究
蕪湖長江大橋建筑凈空和軌底標高受飛行凈空，通航凈空和既有鐵路編組站的嚴格限制，結(jié)合航運要求和水文地質(zhì)條件，采用建筑高度低，跨度能力大的低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，主跨312米。為降低主桁高度，滿足鐵路橋剛度要求，改善公路面行車條件，便于橋梁養(yǎng)護，正橋主梁全部采用混凝土板與桁架結(jié)合的板桁組合結(jié)構(gòu)。主桁摒棄了常規(guī)散裝節(jié)點，采用整體性好，外型簡潔，省工省料但技術(shù)難度很大的厚板焊接整體節(jié)點。
由于跨度大，列車荷載重，行車對橋梁剛度要求高，必須解決由此引起的一系列重大關(guān)鍵技術(shù)問題，進行大規(guī)模理論研究和科學實驗。
為了給設(shè)計提供依據(jù)，對使用基準期內(nèi)最大列車荷載和大跨度鐵路橋剛度兩個最基本的問題進行了充分的研究和論證，提出了該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載和剛度專項標準。在結(jié)構(gòu)上主要通過斜拉橋體系和板桁組合結(jié)構(gòu)提高橋梁剛度。在結(jié)構(gòu)體系上，采用在塔梁間設(shè)置拉索的縱向彈性約束體系，用彈性索承受制動力、地震力和溫度產(chǎn)生的內(nèi)力，以改善主塔墩受力條件和減少大跨度橋伸縮縫規(guī)模。為解決塔中心距與主梁寬度不匹配的問題，在桁外設(shè)置空間托架，形成斜拉體系。正橋鋼梁采用厚板焊接整體節(jié)點，結(jié)合工程自主開發(fā)了品質(zhì)優(yōu)良的14MnNbq鋼和高疲勞應力幅斜拉索，保證了工程需要，大幅度降低了工程造價。
2．1 高性能14MnNbq橋梁用鋼的開發(fā)
我國在50年代由蘇聯(lián)進口低碳鋼用于武漢大橋，60年代開發(fā)16Mnq鋼用于南京大橋，70年代開發(fā)了15MnVNq鋼用于九江大橋。隨著橋梁跨度增大，整體化程度提高，現(xiàn)有國產(chǎn)鋼材已不能滿足需要。京九線孫口黃河橋采用日本和韓國生產(chǎn)價格昂貴的SM490C鋼。為解決本橋厚板焊接、整體節(jié)點對材料的要求，武漢鋼鐵(集團)公司和中鐵大橋局集團公司聯(lián)合開發(fā)了強度適度，厚板效應不明顯，可焊性好、韌性及抗斷裂性好的14MnNbq橋梁用鋼。1993年建成一座試驗橋，1996年通過冶金部鑒定。
根據(jù)實物性能的統(tǒng)計對比，14MnNbq鋼與SM490C接近，而防裂塑性(延性)及屈強比均優(yōu)于SM490C鋼。14MnNbq鋼的開發(fā)，不僅滿足了本橋結(jié)構(gòu)的需要，而且完善了我國橋梁鋼系列，已列入橋梁設(shè)計規(guī)范，在國內(nèi)數(shù)座公路橋和鐵路橋上推廣應用。
2．2 焊接標準，焊接材料及焊接工藝
蕪湖長江大橋鋼梁桿件最大軸力達50000kN，采用帶肋箱型截面，全封閉整體節(jié)點，尺度大，焊縫密集，縱橫交錯。復雜的焊接結(jié)構(gòu)，防裂，防斷關(guān)系到橋梁重大安全，是該橋必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。
英國BS5400、美國AASHTO(公路)和AREA(鐵路)等設(shè)計規(guī)范中，均有防斷設(shè)計的條款，日本“國鐵建造物設(shè)計標準解說”中也有此規(guī)定，但不具體也不系統(tǒng)。我國防斷研究始于九江大橋。本橋依據(jù)斷裂力學，以大板深缺口試驗為基礎(chǔ)，Cv沖擊韌性為依據(jù)，落錘試驗為校核，對14MnNbq橋板進行了系統(tǒng)的斷裂控制研究，據(jù)此制定了14MnNbq鋼在各種溫度和使用條件下用于焊接鋼橋的極限板厚。為該橋采用厚板提供了防斷依據(jù)。
由于采用厚板焊接，整體節(jié)點，大量使用承受拉應力和疲勞應力的多種類形的焊縫，焊接構(gòu)件尺度大，剛度大，構(gòu)造復雜，以及鐵路荷載具有集度大、沖擊力大的特點等，為確保焊接結(jié)構(gòu)具有良好的塑性和低溫韌性，根據(jù)該橋的環(huán)境和使用條件，經(jīng)過充分論證，制定了焊接標準。通過大量的試驗，確定了與14MnNbq鋼相匹配的焊接材料，制定了焊接工藝要點，為鋼梁制造規(guī)范提供依據(jù)。
(1) 焊縫的強度。要求對接焊縫屈服強度(бs)，極限強度(бb)不低于基材標準，并不超
過基材100MPa。角接焊縫其屈服強度，極限強度不低于基材，并不超過基材120MPa。如采取措施，焊縫強度仍超過上述限值時，則采用“韌強比”考核(μk=Akv／бb)，對接焊縫μk≥0．15，角接焊縫μk≥0．11。
(2)對接焊縫及受拉的開坡口的角接焊縫各部位—300℃時的卻貝V沖擊功不低于48J，角接焊縫及棱用接焊縫各部位—30℃的卻貝V沖擊功不低于34J。
(3)延伸率不低于母材，即：當板厚6～16mm時￠s≥20％，板厚17～50mm時，￠s≥19％。
2．3 混凝土板與主桁的結(jié)合
由于本橋結(jié)合梁規(guī)模特別大，國內(nèi)外雖已有不少結(jié)合梁的工程實例和設(shè)計規(guī)范，但多為板梁和箱梁結(jié)合梁橋，關(guān)于桁梁結(jié)合梁橋可供參考的資料很少。為確保結(jié)合桁梁正常工作和滿足使用要求，設(shè)計通過收集資料、技術(shù)咨詢和試驗研究，重點研究了以下問題。
(1)關(guān)于混凝土板的收縮徐變和鋼與混凝土彈模比aE。在長期荷載作用下，混凝土的收縮、徐變與環(huán)境、濕度、混凝土標號、水泥及齡期等有關(guān)。在主體結(jié)構(gòu)分析中，根據(jù)指導性施工組織設(shè)計，按安裝程序及混凝土板的存放齡期進行混凝土收縮、徐變影響的歷程分析。
對于短期荷載，各種規(guī)范有不同的規(guī)定，但大部分規(guī)范對短期荷載(包括活載)均不考慮混凝土的收縮、徐變影響，目aE=6或aE=7。本橋取aE=6。
(2)對栓釘在C50混凝土中抗剪極限承載能力、疲勞、栓釘長度、。間距、配筋率與栓釘?shù)钠ヅ?、群釘組合件的極限承載力和疲勞承載力等進行了基礎(chǔ)性試驗研究。根據(jù)試驗成果并參考國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范，制定了栓釘設(shè)計的條款及質(zhì)量驗收標準。在C50混凝土并使用容許應力法設(shè)計中，推薦直徑22栓釘設(shè)計承載力為50kN，疲勞剪力幅△Q：25kN，由于單釘?shù)臉O限承載力Pu已取各試件中最小值的90％，根據(jù)試驗，群釘?shù)某休d力不再折減。
(3)為了減少接縫混凝土對結(jié)構(gòu)耐久性和整體性的影響，并且導人預應力并不經(jīng)濟。目前歐洲廣泛使用現(xiàn)澆混凝土板代替預制混凝土板建造結(jié)合梁橋(包括桁架結(jié)合梁橋)，用高配筋率(3％～4．8％)代替預應力，不再追求用預應力防止混凝土板開裂，限制拉應力，而代之以控制混凝土板的裂縫寬度，使之滿足規(guī)范關(guān)于裂縫限值的要求。
在本橋連續(xù)桁梁支點附近，橋面板中活載產(chǎn)生的拉應力較大，由于鋼桁梁剛度大，難于在接縫混凝土中直接施加預應力。本橋采用鋼梁起落頂?shù)霓k法在橋面板中形成壓應力，但由于收縮、徐變的影響及加載齡期不可能太長，壓應力的損失較大，因此在接縫處采用高配筋混凝土，以期限制裂縫的寬度。
國外的實驗表明，采用整體現(xiàn)澆高配筋混凝土板，在疲勞荷載作用下，負彎矩區(qū)裂縫分布比較分散，裂縫寬度可以控制不超過0．2mm。本橋負彎矩區(qū)采用預應力預制橋面板和高配筋現(xiàn)澆接縫混凝土，有可能在接縫界面上出現(xiàn)裂縫超限值，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。為此，結(jié)合受拉區(qū)栓釘工作的研究及混凝土板接縫鋼筋的構(gòu)造形式研究，進行了模擬實驗，并在
接縫處采取輔助的防滲措施。
接頭的軸向拉伸靜力試驗表明，第1條裂縫出現(xiàn)在接縫混凝土的界面上，隨著荷載的增加，接縫混凝土中出現(xiàn)多條裂縫，混凝土名義拉應力為5MPa時，最大裂縫寬o．15mm。小梁試驗表明，裂縫出現(xiàn)的順序與分布規(guī)律與軸向拉力試件相同，在名義拉應力達到5MPa后，采用名義應力幅3．7MPa進行疲勞試驗，50萬次加載后，裂縫基本穩(wěn)定，加載100萬次，裂縫最大寬度為0．12～0．13mm。試驗表明本橋負彎矩區(qū)的接頭構(gòu)造可滿足設(shè)計要求。
2．4 主跨312m跨中合龍技術(shù)
板桁組合結(jié)構(gòu)斜拉橋的跨中合龍十分復雜，難度大，只有實現(xiàn)精確合龍，才能保證全橋線型勻順，提高行車質(zhì)量。由于合龍前后結(jié)構(gòu)均為多次超靜定結(jié)構(gòu)，其間還要經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，再加上鋼梁剛度大，合龍桿件多等實際問題，必須嚴格控制6個合龍點的位置。經(jīng)反復研究和優(yōu)化，突破在現(xiàn)場投孔、擴孔的辦法，確定合龍桿件全部按設(shè)計圖在工廠預制，釘孔一次鉆足。通過調(diào)整斜拉索和塔、梁縱向彈性約束的索力，調(diào)整橋面板上荷載和吊裝順序，合理利用日照以及使用專用頂拉設(shè)備，采用長園孔，園孔和沖釘三級合龍方案，實現(xiàn)了312米主跨跨中精確合龍。
3。結(jié)語
低塔斜拉橋板桁組合結(jié)構(gòu)，在我國首次應用于公、鐵兩用大跨度橋梁，為此而開展的設(shè)計規(guī)范，新鋼種的開發(fā)，厚板焊接技術(shù)，焊接接頭抗疲勞和抗斷裂性能，板桁組合結(jié)構(gòu)性能和設(shè)計方法，深水基礎(chǔ)及施3232藝和裝備等方面的理論研究和科學試驗具有基礎(chǔ)性，綜合性和實用性的特點。不僅解決了蕪湖橋的關(guān)鍵技術(shù)問題，確保了工程順利實施，而且具有重大的推廣價值，部分成果已納入相關(guān)規(guī)范。
