上海卢浦大桥与东海大桥

上海卢浦大桥与东海大桥

林元培

(上海市政工程设计研究院)

二十一世纪初，上海建成了两座国际水平大桥：上海卢浦大桥及东海大桥。

Ⅰ、上海卢浦大桥工程

一、项目背景

上海卢浦大桥为黄浦江上的桥梁。跨径550m，须一跨过江。卢浦大桥不仅是交通工具，它既要体现人文景观，又要体现当代科技成就。可能有的方案为斜拉桥、悬索桥、拱桥。1999年上海卢浦大桥方案投标，拱桥方案中标。

二、设计理念

1、拱桥构造

当前国内水平：跨度420m的万县长江大桥1997年建成，为混凝土拱桥。推力太大不宜建在上海软土地基上。

当前国际水平：过去500m左右的拱桥形式均为桁架拱，杆件小而多。如1977年建成的美国新河谷桥，主跨518m。1932年建成的澳大利亚悉尼海湾桥，主跨503m。

桁架拱桥起源于30年代，受到起重能力限制，构件轻而多，导致结构烦琐，

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线条不够简洁，造型不够美观。

新河谷桥 悉尼海湾桥 近年来，起重能力可达500吨，钢结构现场焊接能力迅速发展，本设计适应这个潮流，将构件设计成全焊箱形构造，使得构件大而少，用钢指标经济，施工速度快，线条简洁。 卢浦大桥决定采用全焊钢结构箱形拱桥，造型简洁流畅，跨度550m为世界跨度最大拱桥，也是上海世博会地区标志性建筑之一 。 为加强侧向稳定、简化构造，卢浦大桥主拱呈提篮式的空间结构型态。 上海卢浦大桥 结构跨度550m，矢跨比1：5.5，拱断面宽度5m，拱断面高度6m~90m，通航净高46m。

2、软土地基上建造的超大跨度的拱桥

卢浦大桥采用中承式系杆拱桥桥型，主桥两边跨端横梁之间布置16根水平拉索，以平衡中跨拱肋近2万吨的水平推力。 水平拉索长达761米，单根拉索重达110吨。

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结构体系

为结构安全，每根钢束可更换，为施工上的可操作性，将其中 8根设在箱梁内， 8根设在桥面上。即使桥面上 8根遭到意外而损坏，箱内 8根仍可使结构保持在极限状态而不垮，便于抢修。

卢浦大桥横断面

3、施工控制

(1)必须实现由斜拉体系转换到拱桥体系，保证结构体系安全转换。 (2)在斜拉安装中，一般临时索采用常规的安全系数，而最后一根索保留适当大的安全系数，这样可排除各种干扰（如构件超重等准确地控制拱轴线线形）。最后实际线型与理论线型相差≤2cm。

4、风险分析

卢浦大桥跨度550m和巨型闭口箱形断面构造前所未有，这是风险，但是我们在二个重要问题上是有信心的

(1) 结构总体稳定安全系数为2.3，局部稳定由实验室试验证明亦是安全的。 (2) 拱段的安装采用斜拉施工工艺，对设计与施工来说是经过千锤百炼的。我们判断如果这两个问题不出意外，则其他问题都是做过细工作的问题，不至于导致失败。

三、施工工艺

集成刚构桥、斜拉桥和悬索桥施工工艺技术建造本桥。 1、运用刚构桥施工技术形成三角形体系。

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2、用斜拉桥施工方法，安装主拱。

3、引进悬索桥的猫道法安装超长、超重水平索的安装与张拉，16根水平索预制平行钢丝索，长761m，重110t，索径为18cm。

4、结合卢浦大桥结构特点，施工单位负责研制设计拥有自主知识产权的架桥设备。

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(1) 主拱吊机。

(2) 拱上桥面吊机。

5、成功实现钢结构现场焊接质量控制。

拱肋焊接预热 防风、防雨措施

6、合龙措施：

一端栓接一端焊接，合龙温度：20℃，降温合龙辅以少量外力的顶推方法。

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四、科学研究

1、提出新的闭口薄壁单元刚度矩阵，用于卢浦大桥的总体稳定计算。 卢浦大桥是闭口薄壁结构，现有的非线性薄壁构件有限元理论和程序都是开口的，本研究应用乌曼斯基假定，推导出新的闭口薄壁单元刚度矩阵，并进行程序编制，用于卢浦大桥的总体稳定计算。

应用于卢浦大桥的计算结果：由本研究按第二类稳定计算的最小安全系数为 2.3。

此外，考虑到存在制造误差和焊接残余应力，因此必须用局部稳定试验确认其安全度，箱拱缩尺模型 (1:4)试验表明: 大桥是安全可靠的，能满足正常运营的的要求。

2、抗风研究。

(1) 提出卢浦大桥桥位地形模型的风环境风洞试验和卢浦大桥桥位风速采用多个气象站风速统计方法。

(2) 提出桥梁涡振的概率性评价方法和涡振等效风荷载计算方法。 3、抗震研究。

(1) 主桥结构的抗震研究采用二水平设防，二阶段设计的设计思想。 (2) 大桥中横梁上的支座处设置减隔震装置方案进行了研究。经调研后决定采用粘滞阻尼器。

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五、社会、经济效益

卢浦大桥通车以来，日平均交通量达 7万辆以上，有效的缓减了上海市区南部的越江交通。尽管过桥不收费，然而每年为国家创造 2.37 亿实际经济价值。 在500～800m跨度的桥梁方案中，斜拉桥几乎是唯一的方案。卢浦大桥以拱桥取代斜拉桥取得成功，由于它的造型优美、指标经济与地基不受限制的优点，可以看到未来拱桥将是斜拉桥有力的竞争对手。

2004年获美国国际桥梁协会颁发的EUGENE FIGG JR.奖。

Ⅱ、上海东海大桥工程

一、项目背景

东海大桥工程是上海国际航运中心的洋山深水港（水深 16m）的重要配套工程。工程起始南汇芦潮港，跨越辽阔的杭州湾北部海域，至洋山港区一期交接点，全长约32.5km。

二、设计理念

大桥建设必须与港区建设同步完成。施工周期为 3年半，但海上作业每年只有 180天工作日，施工工艺必须成熟可靠。不是结构决定施工工艺，而是施工工艺决定结构布置。结构耐久性、水流波浪、防撞将是设计中重点。

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三、大桥总体布置 东海大桥总平面布置图 东海大桥总立面布置图 四、结构布置与施工工艺 1、非通航孔连续梁总体布置与施工工艺 50m连续梁，标准一联为 7跨。 60m 连续梁，标准一联为 6跨。 70m连续梁，标准一联为 5跨。 近芦潮港侧 50m跨连续梁采用移动支架逐跨现浇施工；近大乌龟岛侧 50m跨连续梁逐段现浇顶推施工。其余采用整孔节段预制，简支架设，墩顶现浇节段形成连续梁的方法施工。

2、副通航孔连续梁总体布置

1000吨级副通航孔跨径布置为80+140+140+80m，通航孔净高25.0m。 500吨级副通航孔跨径布置为70+120+120+70m，通航孔净高17.5m。 500吨级副通航孔跨径布置为90+160+160+90m，通航孔净高17.5m。 副通航孔连续梁采用节段悬臂浇筑的施工方法。 3、主通航孔斜拉桥总体布置与施工工艺

5000吨级主通航孔斜拉桥孔跨布置为 73+132+420+132+73m，全长830m， 为双塔单索面钢箱—混凝土结合梁斜拉桥。通航孔净高 40m，桥面宽 33m（比标准桥宽加大 1.5米）。加劲梁采用节段拚装的施工方法。

4、桩基础采用钢管桩基桩、承台采用混凝土套箱工艺

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五、科学研究

1、总体设计关键技术研究 东海大桥车辆荷载论证

经综合分析，确定了东海大桥的设计校核荷载，即按汽车－超20级设计，挂车－120 验算，并以集装箱拖挂车重车密集型排列（前后车辆轴距为10m）进行校验。

2、基础波浪、水流作用研究

东海大桥海洋水文条件复杂，因此对于工程海洋水文条件、波浪、水流对桥梁基础作用的研究就显得尤为重要。通过科学研究，使大桥的设计可靠性更有保

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证，既确保了大桥的安全和正常营运，也使大桥设计更为经济合理。 3、结构耐久性设计研究 4、主体结构设计关键技术研究 5、船撞防护系统设计研究

百年一遇潮：H=3.73m；水流：约2m/s； 6、桥面防撞栏杆专题研究 百年一遇波：H1%＝6m，T=8.8s,L=89.6m。

主要试验内容：

·单直桩与斜桩的波流力模型试验。 ·群桩波流力模型试验。 ·桩基套箱的波流力模型试验。 ·桩基承台的波流力模型试验。 ·海洋动力环境模拟。 3、结构耐久性设计研究

东海大桥工程位于条件较恶劣的海洋环境中，针对不同的结构，不同的材料，所处的的环境，制定了一套完整、完全、经济、合理的防腐蚀措施，以有效全面抑制腐蚀，达到设计基准期 100年的要求。

制定了高性能混凝土原材料、配合比、生产、施工等技术要求，以指导现场施工。

经试验室试验、现场抽样试验及实体试验构件上取样试验，各项指标均达到设计要求。

主要措施： (1) PHC桩

① 采用高性能混凝土＋钢筋保护层＋纤维增强复合层包覆＋桩内混凝土填芯。

(2) 钢管桩

① 牺牲阳极的阴极保护法（35年更换）＋重防护涂层（1100μm,寿命10年）＋桩内混凝土填芯＋预留钢管桩腐蚀量（7mm）。 ② 施工临时阳极块寿命≥ 2年。

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(3) 钻孔桩

掺合料混凝土＋钢护筒＋钢筋保护层。 (4) 承台、墩柱与主梁

高性能混凝土＋钢筋保护层。浪溅区墩柱外表面采用防水涂料。 (5) 斜拉索：

拉索钢丝为镀锌钢丝，单根拉索外裹热挤高密度聚乙烯护套，采取密封措施，防止积水。 (6) 其它

支座采用三重防腐方案：“耐候钢（有09CuPCrNiA、15CrCuMn、ZG20Mn三种）＋金属喷涂＋重防腐涂装”的防护体系。 伸缩缝主体、栏杆采用热浸镀锌防腐措施。 暴露试验站:

为了长期监测这些具体措施的实际效果，为采取合理的维护措施提供重要的依据，并为我国海洋工程结构防腐蚀积累经验和参数。拟在桥线所经过的大乌龟岛西端北侧建立暴露试验站。暴露试验站作为整座大桥健康监测系统的组成部分，列入长期监控计划中。

小洋山岛

大乌龟岛

颗珠山岛

暴露试验站位置

4、主体结构设计关键技术研究 (1) 非通航孔桥设计关键技术

非通航孔桥规模大（占海上桥梁90％）、时间紧、难度高。通过多方案的论证比较，采用了大型预制构件陆（岛）上预制，海上整体吊装（最大吊重2000t）的新技术。通过科研，解决了大型预制构件运输、海上安装定位、调整、预制构件连接等技术难题。

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(2) 主通航孔桥设计关键技术 主通航孔斜拉桥主跨径达420m。

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(3) 港桥连接段海堤工程

海堤工程位于港桥连接段的大乌龟岛～颗珠山岛之间，是我国港桥连接段海堤工程在外海深厚软土筑填，最大填土近 30m，地质条件差，经科学攻关，改进塑料排水板技术处理深厚软土地基，解决了高路堤地基稳定与沉降问题，达到高速公路技术标准。

5、通航孔船撞防护系统设计研究

通过对通航标准、设计船型、船舶撞击力、防撞设施的多方案分析与试验，首次提出并采用了承台施工围堰与防船撞设施一体化的消波力套箱防护方案，减小了工程投资。

带开洞防撞设施的流体动力计算模型 施工情况

防撞设施有限元模型 计算结果

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6、桥面防撞栏杆专题研究

东海大桥为港区专用道路，荷载特殊，为确保车辆行驶安全，对防撞栏杆进行了专门研究。

对集装箱车辆的车型、总重量的调研，对防撞栏杆标准的论证及对防撞栏杆形式的比较与用规范公式、空间有限元和模拟碰撞仿真计算分析，指导与改进了能抵御 45T重载车辆撞击的防撞栏杆的设计。

六、结语

本设计弥补了现行规范没有涵盖跨海桥梁设计的内容，指导了外海桥梁的设计与施工，有利于确保在外海恶劣环境条件下建设类似工程的安全性，减小施工、运营风险和经济损失。

本工程提高了我国超大跨海桥梁的建设水平。对我国正在规划建设的一大批超大跨海桥梁工程（如：杭州湾跨海大桥、青岛湾跨海大桥、

港珠澳跨海大桥等）建设起到了示范与推动作用。

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