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摘要：芜湖长江大桥是一座跨越长江的公路、铁路两用大桥。为综合解决长江航道，净空限制和满足公路、铁路
行车条件，首次采用大跨度低塔斜拉桥板桁组合结构。为解决设计和建设过程中的关键技术问题，进行了荷载，
刚度标准，材料，焊接标准和结构构造等方面的系统研究。本文对这些研究成果作了简要介绍。
关键词：长江大桥；低塔斜拉桥；板桁组合结构；结合板；合龙；弹模比

1  工程概况
    芜湖长江大桥是一座公、铁两用大桥。铁路北接淮南线，南联宁芜、芜铜、皖赣、宣杭线。公路连接长江两岸多条干道，是我国铁路与公路网上一座重要桥梁。
    桥址两岸长江大堤相距2540m，无为大堤迎水面有宽240m浅滩，芜湖大堤有约100m的码头堆栈台地，正桥大跨度钢梁布置长度约2200m。正桥上部结构的梁底高程受长江通航净空限制，铁路桥面轨底高程受现有编组站接线高程控制，桥梁建筑高度受附近机场飞行净空控制。由于三条高程控制线的严格限制，结合船模试验及实际航道的现状与发展，主桥采
用中跨312米的低塔斜拉桥板桁组合结构。结合水文地质及钢梁材质、制造、安装等条件，正桥桥跨布置由西向东为(120+2×144)m+2×(3×144)m+(180+312+180)m+(2×120)m。在主航道宽约700m范围内布置三个通航孔，中孔312m，两边孔各180m。
1．1  主要技术标准
    (1)设计荷载
    铁路活载：双线中一活载；公路活载：四线汽一超20；人群活载：3kN／m2。
    (2)检定活载
    主体结构检定活载：中一活载的1．4倍；纵横梁及局部受力杆件：中一活载的1．5倍。
    (3)刚度标准
挠跨比：双线铁路活载边跨挠跨比I／800，中跨挠跨比为1／650；公、铁加载边跨挠跨比1／700，中跨挠跨比1／550。
宽跨比：边跨宽跨比为1／20；中跨宽跨比为1／25。
1，2斜拉桥结构布置
根据航道和飞行净空的要求，斜拉桥跨度布置为(180+312+180)m，主塔采用直塔结构，公路面以上塔高33．2m。主塔每侧8对斜拉索，每索由2根平行钢丝斜拉索组成，上、下游索距23．4m，最外索的倾角约15．08°。斜拉桥在边中支点均设竖向支座，主桁与塔在顺桥向采用弹性联结。
结构布置的特点：
 (1)加劲梁采用钢桁梁，在适应公路、铁路上、下层桥面布置的同时增加结构刚度。
 (2)在公路面将钢筋混凝土行车道板与钢桁梁上弦杆结合共同受力。除了增加结构竖向刚度外，同时增加桥梁横向刚度。
 (3)利用低塔斜拉桥斜拉索倾角小，在提供相同竖向支承条件下水平力大的特点，公路面采用混凝土结合板，充分发挥混凝土抗压性能好的特点。
 (4)两主塔处钢桁梁与主塔在顺桥向采用可调整拉力的弹性约束，解决了主塔，主塔基础和边跨钢桁设计中的困难，节省了工程投资。
1．3  主桁
 主桁桁高13．5m，桁宽12，5m，采用N型桁架，节间长12m。主桁外设置副桁，斜拉索通过副桁与主桁联结。主桁弦杆最大轴力50000kN，最大板厚50mm。杆件截面依据轴力大小，采用H形和带有加劲肋的箱形截面。杆件宽1100mm，上弦杆高杆件最大长度15．1m，最大吊重36t。
钢桁梁采用焊接整体节点，一根弦杆两处对接焊，平联节点板和横梁腹板等部件均与主桁节点焊接。整体节点有利于节省材料，减少现场安装工作量，但对焊接和制造精度要求高。              1．4公路面混凝土结合板
 公路面预制预应力混凝土桥面板通过M22剪力键栓钉与主桁上弦结合参与主桁共同受力。斜拉桥混凝土桥面板板厚26cm，采用现场预制，存放半年后上强的低桩承台。10号和11号墩为斜拉桥主墩，采用双壁钢围堰作为施工结构。双壁钢围堰外径30．5m，壁厚1．4m，10号墩围堰高52m，11号墩围堰高43m。为适应岩面高差，围堰底部设计成高低刃尖，围堰抽水水头差42m。
  围堰下沉至岩面清基后，整体下放钻孔桩护筒并进行封底混凝土施工。10号墩围堰内布置19根直径3．Om钻孔桩，平均钻孔深度21，1m，11号墩围堰内布置17根直径3．Om钻孔桩，平均钻孔深度9．7m。
2  关键技术研究
芜湖长江大桥建筑净空和轨底标高受飞行净空，通航净空和既有铁路编组站的严格限制，结合航运要求和水文地质条件，采用建筑高度低，跨度能力大的低塔斜拉桥结构，主跨312米。为降低主桁高度，满足铁路桥刚度要求，改善公路面行车条件，便于桥梁养护，正桥主梁全部采用混凝土板与桁架结合的板桁组合结构。主桁摒弃了常规散装节点，采用整体性好，外型简洁，省工省料但技术难度很大的厚板焊接整体节点。
由于跨度大，列车荷载重，行车对桥梁刚度要求高，必须解决由此引起的一系列重大关键技术问题，进行大规模理论研究和科学实验。
 为了给设计提供依据，对使用基准期内最大列车荷载和大跨度铁路桥刚度两个最基本的问题进行了充分的研究和论证，提出了该类型结构设计荷载和刚度专项标准。在结构上主要通过斜拉桥体系和板桁组合结构提高桥梁刚度。在结构体系上，采用在塔梁间设置拉索的纵向弹性约束体系，用弹性索承受制动力、地震力和温度产生的内力，以改善主塔墩受力条件和减少大跨度桥伸缩缝规模。为解决塔中心距与主梁宽度不匹配的问题，在桁外设置空间托架，形成斜拉体系。正桥钢梁采用厚板焊接整体节点，结合工程自主开发了品质优良的14MnNbq钢和高疲劳应力幅斜拉索，保证了工程需要，大幅度降低了工程造价。
2．1  高性能14MnNbq桥梁用钢的开发
我国在50年代由苏联进口低碳钢用于武汉大桥，60年代开发16Mnq钢用于南京大桥，70年代开发了15MnVNq钢用于九江大桥。随着桥梁跨度增大，整体化程度提高，现有国产钢材已不能满足需要。京九线孙口黄河桥采用日本和韩国生产价格昂贵的SM490C钢。为解决本桥厚板焊接、整体节点对材料的要求，武汉钢铁(集团)公司和中铁大桥局集团公司联合开发了强度适度，厚板效应不明显，可焊性好、韧性及抗断裂性好的14MnNbq桥梁用钢。1993年建成一座试验桥，1996年通过冶金部鉴定。
根据实物性能的统计对比，14MnNbq钢与SM490C接近，而防裂塑性(延性)及屈强比均优于SM490C钢。14MnNbq钢的开发，不仅满足了本桥结构的需要，而且完善了我国桥梁钢系列，已列入桥梁设计规范，在国内数座公路桥和铁路桥上推广应用。
2．2  焊接标准，焊接材料及焊接工艺
芜湖长江大桥钢梁杆件最大轴力达50000kN，采用带肋箱型截面，全封闭整体节点，尺度大，焊缝密集，纵横交错。复杂的焊接结构，防裂，防断关系到桥梁重大安全，是该桥必须解决的关键技术。
英国BS5400、美国AASHTO(公路)和AREA(铁路)等设计规范中，均有防断设计的条款，日本“国铁建造物设计标准解说”中也有此规定，但不具体也不系统。我国防断研究始于九江大桥。本桥依据断裂力学，以大板深缺口试验为基础，Cv冲击韧性为依据，落锤试验为校核，对14MnNbq桥板进行了系统的断裂控制研究，据此制定了14MnNbq钢在各种温度和使用条件下用于焊接钢桥的极限板厚。为该桥采用厚板提供了防断依据。
由于采用厚板焊接，整体节点，大量使用承受拉应力和疲劳应力的多种类形的焊缝，焊接构件尺度大，刚度大，构造复杂，以及铁路荷载具有集度大、冲击力大的特点等，为确保焊接结构具有良好的塑性和低温韧性，根据该桥的环境和使用条件，经过充分论证，制定了焊接标准。通过大量的试验，确定了与14MnNbq钢相匹配的焊接材料，制定了焊接工艺要点，为钢梁制造规范提供依据。
(1) 焊缝的强度。要求对接焊缝屈服强度(бs)，极限强度(бb)不低于基材标准，并不超
过基材100MPa。角接焊缝其屈服强度，极限强度不低于基材，并不超过基材120MPa。如采取措施，焊缝强度仍超过上述限值时，则采用“韧强比”考核(μk=Akv／бb)，对接焊缝μk≥0．15，角接焊缝μk≥0．11。
 (2)对接焊缝及受拉的开坡口的角接焊缝各部位—300℃时的却贝V冲击功不低于48J，角接焊缝及棱用接焊缝各部位—30℃的却贝V冲击功不低于34J。
(3)延伸率不低于母材，即：当板厚6～16mm时￠s≥20％，板厚17～50mm时，￠s≥19％。
2．3  混凝土板与主桁的结合
由于本桥结合梁规模特别大，国内外虽已有不少结合梁的工程实例和设计规范，但多为板梁和箱梁结合梁桥，关于桁梁结合梁桥可供参考的资料很少。为确保结合桁梁正常工作和满足使用要求，设计通过收集资料、技术咨询和试验研究，重点研究了以下问题。
 (1)关于混凝土板的收缩徐变和钢与混凝土弹模比aE。在长期荷载作用下，混凝土的收缩、徐变与环境、湿度、混凝土标号、水泥及龄期等有关。在主体结构分析中，根据指导性施工组织设计，按安装程序及混凝土板的存放龄期进行混凝土收缩、徐变影响的历程分析。
对于短期荷载，各种规范有不同的规定，但大部分规范对短期荷载(包括活载)均不考虑混凝土的收缩、徐变影响，目aE=6或aE=7。本桥取aE=6。
(2)对栓钉在C50混凝土中抗剪极限承载能力、疲劳、栓钉长度、。间距、配筋率与栓钉的匹配、群钉组合件的极限承载力和疲劳承载力等进行了基础性试验研究。根据试验成果并参考国内外有关规范，制定了栓钉设计的条款及质量验收标准。在C50混凝土并使用容许应力法设计中，推荐直径22栓钉设计承载力为50kN，疲劳剪力幅△Q：25kN，由于单钉的极限承载力Pu已取各试件中最小值的90％，根据试验，群钉的承载力不再折减。
   (3)为了减少接缝混凝土对结构耐久性和整体性的影响，并且导人预应力并不经济。目前欧洲广泛使用现浇混凝土板代替预制混凝土板建造结合梁桥(包括桁架结合梁桥)，用高配筋率(3％～4．8％)代替预应力，不再追求用预应力防止混凝土板开裂，限制拉应力，而代之以控制混凝土板的裂缝宽度，使之满足规范关于裂缝限值的要求。
    在本桥连续桁梁支点附近，桥面板中活载产生的拉应力较大，由于钢桁梁刚度大，难于在接缝混凝土中直接施加预应力。本桥采用钢梁起落顶的办法在桥面板中形成压应力，但由于收缩、徐变的影响及加载龄期不可能太长，压应力的损失较大，因此在接缝处采用高配筋混凝土，以期限制裂缝的宽度。
    国外的实验表明，采用整体现浇高配筋混凝土板，在疲劳荷载作用下，负弯矩区裂缝分布比较分散，裂缝宽度可以控制不超过0．2mm。本桥负弯矩区采用预应力预制桥面板和高配筋现浇接缝混凝土，有可能在接缝界面上出现裂缝超限值，从而影响结构的耐久性。为此，结合受拉区栓钉工作的研究及混凝土板接缝钢筋的构造形式研究，进行了模拟实验，并在
接缝处采取辅助的防渗措施。
    接头的轴向拉伸静力试验表明，第1条裂缝出现在接缝混凝土的界面上，随着荷载的增加，接缝混凝土中出现多条裂缝，混凝土名义拉应力为5MPa时，最大裂缝宽o．15mm。小梁试验表明，裂缝出现的顺序与分布规律与轴向拉力试件相同，在名义拉应力达到5MPa后，采用名义应力幅3．7MPa进行疲劳试验，50万次加载后，裂缝基本稳定，加载100万次，裂缝最大宽度为0．12～0．13mm。试验表明本桥负弯矩区的接头构造可满足设计要求。
2．4  主跨312m跨中合龙技术
    板桁组合结构斜拉桥的跨中合龙十分复杂，难度大，只有实现精确合龙，才能保证全桥线型匀顺，提高行车质量。由于合龙前后结构均为多次超静定结构，其间还要经历多次体系转换，再加上钢梁刚度大，合龙杆件多等实际问题，必须严格控制6个合龙点的位置。经反复研究和优化，突破在现场投孔、扩孔的办法，确定合龙杆件全部按设计图在工厂预制，钉孔一次钻足。通过调整斜拉索和塔、梁纵向弹性约束的索力，调整桥面板上荷载和吊装顺序，合理利用日照以及使用专用顶拉设备，采用长园孔，园孔和冲钉三级合龙方案，实现了312米主跨跨中精确合龙。
3。结语
    低塔斜拉桥板桁组合结构，在我国首次应用于公、铁两用大跨度桥梁，为此而开展的设计规范，新钢种的开发，厚板焊接技术，焊接接头抗疲劳和抗断裂性能，板桁组合结构性能和设计方法，深水基础及施3232艺和装备等方面的理论研究和科学试验具有基础性，综合性和实用性的特点。不仅解决了芜湖桥的关键技术问题，确保了工程顺利实施，而且具有重大的推广价值，部分成果已纳入相关规范。