摘要: 上海长江大桥全长16.5km，是目前我国最大的公路与轨道交通合建的跨江桥梁。设计中根据大桥的建设条件与特点，开发与应用了公轨合建、大跨度斜拉桥、大跨度组合梁、大型预制构件、节段拼装主梁等新技术、新结构、新工艺，为大桥的建设提供了技术支撑。本文着重介绍了上海长江大桥跨江段桥梁的设计与科研。
关键词: 上海长江大桥；公轨合建；跨江桥梁；斜拉桥；组合梁；预制构件
1、 概况
上海崇明越江通道工程是国家公路网规划中上海至西安高速公路的重要组成部分。工程采用“南隧北桥”的建设方案，总长25.5km，是目前世界上最长的隧桥结合工程。
工程起点位于上海浦东与a30立交相接，以隧道方案穿越长江南港，全长8.95km；经长兴岛以桥梁方案跨越长江北港水域，终点至崇明岛陈家镇，全长16.5km。
上海长江大桥近期全线按高速公路标准建设，桥面设双向六个车道，两侧设硬路肩。远期改造硬路肩，通行联络上海浦东与崇明三岛的轨道交通线。高速公路设计车速100km/h，设计荷载为公路ⅰ级；轨道交通设计速度：90km/h，列车按10辆车编组，车辆轴重为120kn。
桥址位于长江入海口北港水域，该处江底呈现南北两个水道。南水道宽约4.2公里，水深16～18m；北水道宽约800m，最大水深约16m。在近崇明岛北港北侧分布有一宽约2.7公里的暗砂（堡镇沙），砂体落潮时露出水面。
台风、寒潮、雨涝和雾等灾害性天气对水上工程作业与桥梁运行影响较大。
大桥业主为上海长江隧桥建设发展有限公司；设计单位为上海市政工程设计研究总院。中铁大桥设计院与上海城建设计院参与了设计审查工作。业主另外委托丹麦cowi公司对桥梁设计与施工进行国际咨询。
本工程从1993年开始，历经10多年的前期研究工作，于2005年9月开工建设，主体结构已在2008年6月全线贯通。预计2009年底大桥建成通车。
图1 工程位置图
2、 桥梁总体设计
图2所示为选定的上海长江大桥跨江段桥梁的设计方案。跨江段桥梁是一座巨型组合桥，全长9.966km，包括一座主航道桥、一座辅航道桥和大量非通航孔桥。
2.1跨径布置与桥型
图2跨径布置
跨江段跨径布置与桥型为：［6×21+15×30m+15×50m+23×70m ］pc连续梁桥+［85m+5×105m+90m］钢－混凝土组合连续梁桥+［92m+258m+730m +258m+92m］双塔双索面分离钢箱梁斜拉桥+［90m+5×105m+85m］钢－混凝土组合连续梁桥+［9×70m ］pc连续梁桥＋［32×60m］预制节段拼装pc连续梁桥+［80m+140m+140m+80m］pc连续梁桥+［14×50m+17×30m］pc连续梁桥=9966m，其中预留轨道交通空间与跨江段桥梁共线长度9180m。
2.2横断面
横断面设计考虑了近、远期结合，分期实施。近期桥面设双向六车道，两侧设4.15m宽硬路肩，标准横断面宽度35.3m；远期将硬路肩改造成轨道交通空间。桥面设双向六车道与双线轨道交通，标准横断面宽度36.4m。
跨江段设四处连接段，将两座上、下行桥梁联系起来，特殊状态下供管理养护与救援车辆通行。
图3 标准横断面（近期）
图4 标准横断面（远期）
3、 结构设计
3.1主航道桥
主航道桥位于长江北港中间，主跨可通行3万吨级集装箱及5万吨级散货船，采用主跨730m的双塔双索面分离钢箱梁斜拉桥，跨径布置为92m+258m+730m +258m+92m。斜拉桥采用五跨连续全飘浮体系，空间双索面布置。主塔与主梁顺桥向之间设置粘滞阻尼器，以延长结构的周期，提高结构的耗散能力，减小结构的冲击力和主梁位移。阻尼器主要参数：最大阻尼力f＝±2400kn，最大限位力3500kn，阻尼常数c=2500kn/(m/s)α，阻尼指数α＝0.2，阻尼器的运动速度小于等于0.762m/s。主塔与主梁横桥向设限位支座。
图5总体布置图
（1）桥塔
上海长江大桥是长江门户的第一桥。在满足使用功能的同时，大桥也应是一座优美的地标性建筑物。设计中重点突出主航道斜拉桥的标志性。经对倒y形、a形、h形、门形、i形、钻石形、人字形等塔形的技术、建筑、经济、施工等方面的综合比较，推荐采用人字形桥塔。人字形桥塔总高216.3m，顺桥向尺寸7.4m（塔顶）——10.5m（桥面处）——12m（塔底）；横桥向尺寸7.4m（塔顶）——9.0m（桥面处）。桥塔为钢筋混凝土结构，采用c50混凝土。索塔锚固采用了便于施工的钢锚箱方式。钢锚箱与混凝土塔壁之间用剪力钉连接共同参与受力。进行了剪力钉与索塔锚固区的模型试验，指导了设计，验证了索塔锚固的安全性与可靠性。
图6 桥塔示意图
（2）主梁
为与人字形桥塔协调，主梁采用分离式钢箱梁，全宽51.5m，梁高4m，采用q345qd钢材。分离钢箱梁之间由钢横梁连接。钢箱梁标准节段长度为15m，采用全焊连接。边跨及辅助墩顶范围钢箱梁内设平衡压重。
索梁锚固节点是斜拉桥的关键连接点，本桥采用锚箱式结构。设计中对索梁锚固区进行了空间有限元的计算分析与静力、疲劳试验。1：1模型索梁锚固区疲劳试验结果，疲劳荷载幅值190吨，重复荷载200万次，结构完好；，疲劳荷载幅值增加至250吨，进行了100万次加载，结构仍完好，试验表明结构疲劳性能满足要求。
本桥位于长江入海口，强风、台风频繁，因此，斜拉桥抗风稳定性显得非常重要。通过cfd数值风洞模拟分析，提出了结构三分力系数，为静风荷载计算提供了重要参数。模型试验表明，裸塔涡振振幅较小、成桥与施工阶段结构颤振稳定性优秀。1：25大尺度节段模型涡振试验发现，分离钢箱梁在低风速下有轻微涡振，为此在梁底预留了导流板措施，以抑制涡振。
图7主梁标准横断面图
（3）斜拉索
斜拉索在梁上标准索距15.0m，塔上标准索距2.5m。采用扭绞型平行钢丝斜拉索，钢丝标准强度1670mpa，冷铸锚。对最大规格为pes(c)7－409的斜拉索进行了动、静载试验。斜拉索动载性能满足应力上限σ上=0.45σb＝751.5mpa，应力幅δσ=250mpa，200万次重复荷载后断丝率不大于5%的要求。每根拉索在出厂前均进行了预张拉，预拉索力值为破断荷载的0.60倍。斜拉索外设双层pe护套，护套表面压花，以提高斜拉索抗风雨振性能。在任何一根拉索退出工作（换索或断索）的不利状态下，结构处于弹性变形状态，并具有足够的强度与稳定性。
（4）基础
主塔基础设60根φ3m（上段）～2.5m（下段）变截面钻孔灌注桩，持力层位于(11)层灰色含砾粉砂。对桩底进行了注浆加固，以保证桩的承载能力，减小基础沉降。承台采用圆端形，以减小水流力、波浪力与船舶撞击力。在承台外设钢套箱消能防撞装置。该装置在承台施工期间作为施工围堰。
（5）其它
桥面采用55mm厚双层环氧沥青混凝土。
钢箱梁内外均设置了检修车，塔内设置检修升降机与步梯、平台，塔顶设置可360°旋转的吊挂检修设备，方便桥梁养护与维修。
3.2 辅航道桥
辅航道桥离崇明岛大堤500m，可通行3000吨级船舶，采用变高度pc连续梁桥。跨径布置为80m+140m+140m+80m。主梁横桥向由上、下行箱梁组成，每片箱梁宽度17.15m，采用单箱单室截面，三向预应力，c50高性能混凝土，支点梁高8.5m，跨中梁高4.0m。主梁采用挂篮悬臂浇筑。桥墩采用钢筋混凝土空心薄壁墩；φ3m（上段）～2.5m（下段）变截面钻孔灌注桩基础。
图8总体布置图
图9横断面布置图
3.3 非通航孔桥
非通航孔总长约7km，占水上段桥梁的80%，分深水区、漫滩、浅滩区。通过对不同区段桥梁的桥型、跨径、施工方法、工程投资等技术、经济比较，确定了推荐方案。
（1）长兴岛浅滩及崇明岛岸堤内、外区：水深较浅，不能采用大型浮吊施工。主梁采用29孔50m跨等高度pc连续梁桥，单箱单室截面，梁高3.0m，纵、横双向预应力结构。主梁采用移动模架逐孔浇筑混凝土。
（2）堡镇沙漫滩区：最远处离岸近3km，水深浅，不能通行施工船只。为减小水上混凝土作业量、有利于质量控制、减少对环境污染，经多方案比较，采用32孔主跨60m预制节段拼装pc连续梁桥，六至七孔一联。纵向预应力采用体内束和体外束相结合的预应力体系。体外预应力束采用为27φs15.20环氧钢绞线，采用环氧涂层、油脂与pe护套的三道保护。
主梁节段采用短线法在工场预制。预制节段划分长度为3～4m，节段数量为17块/跨，节段重量小于150t。要求主梁节段存放3个月以上以减小混凝土徐变、收缩的影响。现场采用架桥机节段悬臂拼装施工工艺，拼装时接缝表面涂2～4mm拼缝胶，均匀施加0.3mpa临时预应力。主梁合龙段湿接缝宽度0.2m。
（3）深水区：水深在7~12m，具备采用大型水上设备施工条件。
1）一般区段，采用32孔70m跨径等高度pc连续梁桥，单箱单室截面，梁高4.0m，纵、横双向预应力结构。主梁采取整体预制，“天一”号3000吨大型浮吊整体运输、吊装（重量约2370吨），先简支后连续的施工工艺。
2）近主通航孔桥两侧桥面离水面高差近50m，从减少阻水、防船撞、建筑景观等考虑，加大跨径更为有利，经比较采用主跨径105m钢－混凝土组合连续梁，跨径组合为85m＋5×105m＋90m，7孔一联。组合梁由pc桥面板和槽形钢梁组成，单箱单室截面，梁高5.0m。
为了限制负弯矩区混凝土裂纹宽度，确保结构的耐久性与使用性能，主要采取了以下设计措施：（1）合理配置普通钢筋，控制混凝土裂缝宽度在0.2mm以下；（2）选用先简支后连续整孔吊装方案，在结构自重荷载作用下，中支点处的后结合桥面板不承担负弯矩作用；（3）先在支点对梁顶升，待相应桥面板完成结合施工后再回落，向负弯矩区桥面板施加预应力，有效改善了负弯矩区受力状况；（4）重视桥面防水，在负弯矩区选用性能优良的防水层。
组合梁中支点截面钢梁底板压应力较高，需要使用厚钢板。考虑现场厚板焊接要求很高，设计中采用30～40cm厚混凝土板与钢梁底板结合，形成整体截面共同受力，减小了钢梁底板厚度，有利于现场钢结构焊接质量的控制。
组合梁在经改造的70m梁预制场制作，采用“天一”号3000吨大型浮吊水上长距离运输，现场整体吊装，先简支后连续施工工艺。
图10总体布置图
图11主梁横断面
非通航孔桥采用采用矩形空心薄壁墩，钢筋混凝土结构。深水区采取预制墩柱吊装、浅水区水上现浇墩柱混凝土。
预制墩柱重量受预制场起吊设备与码头的承载能力控制，最大为400t。低墩整节预制安装，中高墩分2~4节预制安装。墩柱采用湿接缝连接，掺加了高****聚乙烯醇纤维防止开裂，并进行了连接部位的试验，该部位可靠性满足要求。承台系梁也采用了部分预制构件。
漫滩区、浅水区采用φ1.6～2.0m钻孔灌注桩基础；陆上段采用φ0.6mphc桩基础；深水段采用ф1.2m钢管桩基础。钢管桩采用熔融结合环氧粉末涂层（厚度400微米）与外加电流阴极保护的联合保护方案。
4公轨合建桥梁关键技术
国内外公路与轨道交通合建的跨江桥梁建设经验很少，目前尚无专门规范指导设计。对此，设计中开展了预留轨道交通空间位置、设计标准、设计参数、桥梁方案、列车走行性与强风作用下行车安全以及无缝线路方案等关键技术研究。
强风作用下车桥耦合振动列车走行性分析结果是，大桥在允许行车风速25m/s以下，sperling指标小于2.5，行车舒适度优秀；车辆过桥最大轮重减载率小于0.65限值、最大脱轨系数小于1.0限值，倾覆系数小于0.8，满足行车安全性要求。
车辆运行安全主要受风速影响，正常荷载车辆安全运行临界风速为30m/s左右，对于完全空载的车辆，设计车速情况下，临界风速为20m/s左右，慢速通行时，可提高至25m/s。
轨道方案设计推荐铺设超长无缝线路，好处是不但减少列车动力作用，改善桥梁运营条件，也将大大减少轨道维修量。推荐采用“2+2”组调节器，预制板式轨道。提出了无缝线路轨桥共同作用的纵向力，为结构设计提供了依据。
5结语
上海长江大桥是一项特大型交通基础设施项目，设计中根据大桥的建设条件与特点，开发与应用了公轨合建、大型斜拉桥、大跨度组合梁、大型预制构件、节段拼装主梁等新技术、新结构、新工艺，为大桥的安全、优质、高效建设提供了技术支撑。
参考文献
（1） 上海长江大桥工程（预留轨道交通）相关技术研究.上海市政工程设计研究总院、同济大学等单位编制.2006年.
（2） 上海长江大桥工程施工图设计.上海市政工程设计研究院编制.2006年.
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