卢浦大桥尾端节点设计
郝维索 卢永成
(上海市政工程设计研究院)

摘要 尾端节点是中承式系杆拱桥的关键部位，在运营和施工过程中均具有重要作用。本文介绍了卢浦大桥尾端节点的功能和结构设计，以及与此有关的水平拉索、施工临时拉索和平衡压重的设计。
关键词 拱桥 节点 设计
1 工程概况
卢浦大桥是上海市南北快速干道跨越黄浦江的重要节点。大桥浦西端位于江南造船厂西侧，向北在鲁班路立交附近连接南北高架预留接口；浦东端位于上钢三厂油料码头附近，向南穿过上钢三厂厂区后直达外环线。卢浦大桥是黄浦江上的又一座特大型桥梁；不同于已建成的几座斜拉桥，卢浦大桥为拱梁组合体系中承式系杆拱桥，造型新颖，将成为新世纪上海的又一座标志性建筑。
卢浦大桥跨径组合为：100+550+100=750m，两端各设45m过渡孔T梁，双向六车道。桥梁荷载标准：汽车—20级，挂车—100。卢浦大桥为空间提篮拱，拱肋、立柱、吊杆在同一倾斜平面内，斜率5:1；中拱矢跨比f/L=1：5.5，悬链线拱轴线，拱肋高6.0~9.0m；边拱矢高3.2m，抛物线拱轴线，拱肋高7.0~9.0m；拱肋均为陀螺形断面，宽度5.0m。加劲梁通过吊杆或立柱支承于拱肋上，梁高3.0m；中跨加劲梁为开口断面，两端通过滑动支座支承在中横梁上；边跨加劲梁为闭口断面，两端与拱肋、中横梁及端横梁刚结。全桥在两端横梁之间布置强大的水平拉索，以平衡中跨拱产生的水平推力。卢浦大桥总体布置见 图1。

2       尾端节点功能
尾端节点是指在锚墩之上一定范围内，由边跨拱肋、边跨加劲梁和端横梁刚结而成的复杂的空间结构件。尾端节点在卢浦大桥的结构总体受力上具有举足轻重的地位，在施工过程中也不可或缺。尾端节点的功能主要有以下几点：
1．卢浦大桥为拱梁组合体系中承式系杆拱桥，拱桥的受力特点是要产生推力，而上海的软土地基抵抗水平力的能力很差，所以沿加劲梁布置了16根强大的水平拉索以平衡中跨拱产生的巨大的水平推力，水平拉索两端锚固在尾端节点的锚碇上面；
2．无论是在施工阶段还是在运营阶段，中承式拱桥都会在锚墩处产生一定的负反力，这就需要在边跨放置平衡压重，而尾端节点上提供的平衡压重是最有效的；
3．卢浦大桥采用斜拉扣索法施工，在施工阶段相当于斜拉桥体系。临时钢塔固定在大立柱顶端的桥面上，河跨临时拉索拉起拱肋节段，边跨临时拉索则锚固在尾端节点的锚碇上以使临时钢塔保持平衡；
4．卢浦大桥为空间提篮拱，尾端节点的端横梁作为二片内倾拱肋的强大的横向联系，对增强拱桥的整体受力性能十分有益；
5．尾端节点的端横梁上设牛腿以搁置过渡孔T梁，是主桥和引桥的连接构造；
6．上海属于地震区域，为避免拱桥在地震时产生过大位移，在尾端节点上设置了横向和竖向限位抗震装置。
上述众多的重要功能和复杂的空间结构决定了尾端节点是卢浦大桥最重要，也是设计、制造、安装难度最大的构件之一。
3       尾端节点总体布置
尾端节点是边跨拱肋、边跨加劲梁、端横梁和水平拉索等中承式系杆拱桥的主要受力构件的连接节点，其总体布置决定于它的受力状况；所以，尾端节点的总体布置首先要满足结构受力的要求，同时还要考虑使结构处理简单化以方便构件的加工和安装。
通过尾端节点的力主要有：水平拉索的锚固力；分配到边跨拱肋和边跨加劲梁上用以平衡中跨拱推力的压力，分配比例约为0.85：0.15；锚墩支座反力。为使结构受力合理，上述几个力构成的力系应交汇于一点；但是，由于水平拉索和加劲梁的重心不可能完全重合，所以设计控制水平拉索中心线、边跨拱肋拱轴线和锚墩支座中心线（也是端横梁中心线）交汇于一点，这样就保证了几个主要的力力线传递合理；边跨加劲梁虽然略有偏差，但所占比例很小。

尾端节点总体布置见 图2；该节点沿顺桥向长度约29m，其中锚墩中心线以外约6m，以内约23m。每个尾端节点共分为8个节段：锚碇（2个）、GL1（2个）、GL2（2个）、端横梁（1个）和边跨系梁B0（1个）；每个节段分别在工厂内加工制作完成，然后运输至现场吊装拼接就位，最后节段之间再以环缝焊接成整体。尾端节点为全焊钢结构，采用可焊接细晶粒正火S355N结构钢板，并按AWS标准进行加工、制造和检验。
为使尾端节点的结构处理简单且传力有利，拱轴线在锚墩中心线处由抛物线转为沿水平方向，拱肋断面由GL2处的陀螺形逐步过渡为锚碇处的矩形，加劲形式也由T字形过渡为I字形。在锚墩中心线处拱肋高度为7m；除水平拉索穿过拱肋顶板的地方需开孔外，拱肋的主要钢板和加劲均保持连续。
边跨加劲梁为箱形断面，腹板在拱肋倾斜平面内且与拱肋腹板对应。加劲梁顶底板钢板一直通到锚碇内，但在碰到拱肋主要钢板时断开并焊接在拱肋钢板上，在碰到拱肋加劲板时开孔以使加劲板连续通过；尾端节点范围内的加劲梁腹板和拱肋腹板为同一块钢板。
端横梁横桥向连接二个锚碇，顺桥向连接加劲梁和过渡孔。端横梁为箱形断面，高度7m，宽度6m，另设宽度2m的牛腿以搁置过渡孔T梁。端横梁的顶板、中板分别与加劲梁的顶板、底板对应，底板与锚墩支座垫板对应，三道腹板与锚碇隔板对应。
锚碇内隔板根据水平拉索锚固力的传递规律并结合拱肋、加劲梁和端横梁钢板由密及疏布置；加劲梁的隔板和拱肋隔板对应布置，间距为3.665m；端横梁隔板与过渡孔T梁支座一一对应，浦东侧间距为2.38m，浦西侧间距为1.84m。
锚碇底板下面设35000KN纵向滑动球形钢支座；端横梁顶板和过渡孔相接处设转角伸缩缝，底板处设横向限位装置和竖向拉杆；锚碇、GL1和端横梁内填充混凝土以作为平衡压重。
4       水平拉索设计
卢浦大桥为中承式系杆拱桥，但桥面加劲梁是不连续的，中跨拱产生的水平推力必须通过沿桥面加劲梁布置的水平拉索来平衡。水平拉索两端锚固在尾端节点的锚碇上面，其锚固力大部分（85%左右）通过边跨拱肋传递到拱座上，小部分（15%左右）则通过三角区加劲梁直接传递到中跨拱肋，以此平衡中跨拱产生的推力。上海的软土地基抵抗水平力的性能很差，中承式拱桥体系的形成完全依靠水平拉索来保证；可以说，水平拉索是卢浦大桥的生命线。
水平拉索索力的确定原则是平衡中跨拱在恒载作用下产生的推力，而活载及其它可变荷载产生的推力则依靠主墩基础来抵抗。经计算分析确定，水平拉索的拉力为170000~180000KN；采用16根421ф7的塑料护套半平行钢丝拉索，钢丝抗拉强度为1670MPa，冷铸镦头锚。为确保水平拉索螺母、锚垫块与锚碇的接触面顶紧，要求对接触面进行铣平处理；还对冷铸镦头锚进行了1：1实物模型的静力持荷试验。拉索的空间布置、锚碇设计以及索长的精确计算是水平拉索设计过程中需要解决的关键技术。
水平拉索空间布置见 图3；在横桥向16根水平拉索分成2组在上下游拱肋附近对称布置，每组8根按2×4排列；在顺桥向则结合道路竖曲线沿桥面加劲梁布置，在拱梁结合段附近设置转向器以简化拉索的空间线形。在拱梁结合段处拱肋顶底板需要开孔以使水平拉索穿过。为方便施工并使拉索和加劲梁之间受力相互独立，必须保证拉索能够纵向活动自由，所以在桥梁全长范围内水平拉索均放置在由尼龙材料制成的滚轮上，滚轮再通过支架固定在加劲梁的隔板上，间距一般为3.375m。鉴于水平拉索的重要性，在运营过程中水平拉索可更换。

水平拉索的锚碇同悬索桥的锚碇在功能和构造上有一定的相似性，但也有其自身的特殊性。悬索桥的锚碇体积庞大，主缆的拉力可以扩散到很大的承压面上，锚箱的布置相对容易；而卢浦大桥属自锚体系，锚碇不可能做得很大，锚箱的布置要困难的多。设计过程中采取了一些措施，如增大拉索吨位以减少拉索根数、采用内部填芯混凝土的钢结构锚碇、拉索的排列和锚碇的构造布置统一考虑等，这些措施保证了水平拉索能够安全地锚固在有限的面积上并使锚固力有效地扩散传递。锚碇钢板根据力线传递规律，并结合拱肋、加劲梁和端横梁钢板由厚及薄，由密及疏布置。
水平拉索的施工分二批进行：第一批上排8根拉索在拱肋合龙后、加劲梁安装前，在猫道上进行架设，根据施工控制需要超张拉；第二批下排8根拉索在加劲梁合龙成桥后，在加劲梁内穿索，张拉时要根据成桥状态调整第一批索力。
5       施工临时拉索设计
卢浦大桥采用斜拉扣索法施工，在拱肋安装阶段相当于斜拉桥体系。临时钢塔矗立在大立柱顶端的桥面上，顶端标高约为180m，其中桥面以上高度128m，为钢桁架结构。中跨拱肋每向前拼装一个节段，就用临时拉索拉起并锚固在临时钢塔上；为使临时钢塔受力平衡，需要在边跨设置相应的临时拉索。边跨临时拉索集中锚固在尾端节点的锚碇上，这种锚固方式把施工临时措施同运营阶段的永久性构造结合起来，造价较低且安全可靠。施工临时拉索示意见 图4。

根据施工程序，全桥共设4×14根临时拉索，即每个锚碇上需要锚固14根拉索，拉索最大拉力达5000KN。拉索采用钢绞线拉索，抗拉强度1860MPa。边跨临时拉索分成二段：前锚束和后锚束，前后锚束之间用连接器连接起来。前锚束是指在临时钢塔和锚碇之间的外露部分，采用PE护套钢绞线，在临时钢塔上张拉并可调整索力；前锚束在施工完毕后即拆除。后锚束预埋在锚碇的填芯混凝土内，为有粘结预应力体系，它是临时拉索的“根”；后锚束在施工完毕后保留以加强锚碇。后锚束在锚碇内要避开水平拉索、主要钢板和横向预应力等，为复杂的空间曲线；后锚束的下端为自锚端（P锚），上端为张拉端。为确保前后锚束的连接安全可靠，对连接器进行了多种方案的比较，并通过1：1实物模型试验进行验证。
6       平衡压重设计
在运营阶段中承式系杆拱桥的锚墩支座要产生一定的负反力；在施工阶段，尤其是在拱肋节段合龙前悬臂长度达到最大时，锚墩支座可能出现的负反力更大。一般有二种方法用以克服锚墩负反力：第一种方法是设抗拉支座，这就要求桥墩基础体积庞大以提供足够的重量，支座构造也复杂；第二种方法是结合尾端节点的构造设置平衡压重，这种方法充分利用了尾端节点的空间，也比较安全可靠，故卢浦大桥采用了这种方法。
平衡压重吨位的确定原则是：永久平衡压重必须使结构在运营阶段可能发生的最不利荷载组合下，锚墩支座不得出现负反力，并应适当保留一定的压力储备；另外设置临时平衡压重以克服在施工阶段增加的负反力，临时平衡压重在施工完毕后搬掉。
永久平衡压重由三部分组成：尾端节点在总体计算中未计入的结构重量如锚碇和端横梁等；过渡孔T梁传递到端横梁牛腿上的恒载重量；其余部分用填芯混凝土的方法解决。施工临时平衡压重则通过在锚碇和端横梁附近堆载钢锭的方法予以解决。
填芯混凝土主要分布在锚碇、端横梁和GL1节段内；为使传力直接并减小结构的负担，填芯混凝土尽量布置在靠近锚墩支座的部位。填芯混凝土采用C40微膨胀混凝土，在有关钢板上设焊钉以增加钢—混凝土的整体性。填芯混凝土应根据施工控制要求分期分批进行浇筑，施工过程中严格控制填芯混凝土的方量；为使填芯混凝土浇筑密实并方便施工，需要在一些钢板上开一定数量的施工孔（包括人孔、送料孔、振捣孔、冒浆孔等）。填芯混凝土不仅提供了平衡重量，而且增强了锚碇这种受力和构造都异常复杂的结构的受力性能，还能起到防腐的作用。
7 结语
尾端节点的复杂性对设计、加工和安装单位都是富有挑战性的；在有关各方的通力合作下，通过制定合理的施工程序、采用先进的施工工艺并借助计算机三维模型技术，尾端节点已经顺利施工完成，为卢浦大桥全桥建成通车创造了有利的条件。