南京長江第五大橋跨江主橋採用縱向鑽石形索塔中央雙索麵三塔組合梁斜拉橋，橋跨佈置為
80+218+600+600+218+80=1796m，索塔採用鋼-混凝土組合索塔，索塔基礎採用鑽孔灌注樁基礎，主樑採用粗骨料活性粉末混凝土為橋面板的流線型扁平整體箱形組合梁，斜拉索採用鋼絞線斜拉索。本文系統全面地介紹了該橋的設計標準、總體設計以及主橋各部分的結構設計，以資借鑑參考。
項目地理位置圖
三塔斜拉橋
南京長江第五大橋是G205和G312共線的過江通道，同時也是南京“高快速路系統”中繞城公路的重要組成部分，在南京長江第三大橋下游約5公里，在南京長江大橋上游約13公里處，是國務院批覆的《南京市城市總體規劃(1991-2010)》中確定的南京地區過江通道之一，已經列入國家《長江經濟帶綜合立體交通走廊規劃（2014-2020）》。
項目路線起自南京市浦口區五里橋，接改建的江北大道，跨越長江主航道後，經梅子洲，下穿夾江南岸，接已建成的江山大街，全長約10.334km。其中，跨長江大橋長4134m，夾江隧道長1754.6m，其餘路段長約4.4km。跨江大橋主橋採用橋跨佈置為80+218+600+600+218+80=1796m的三塔斜拉橋。初步設計批覆總概算約62億元人民幣。
設計標準如下——
公路等級：雙向六車道一級公路，兼具城市快速路功能。
計算行車速度：路基、橋樑100km/h，隧道80km/h。
橋樑結構設計基準期：100年。
標準寬度：雙線六車道，橋樑標準寬度30.5m，隧道12.25m×2。
設計洪水頻率：特大橋1/300，其他結構物1/100。
航道等級：設計最高通航水位為8.53米，設計最低通航水位為-0.03米（85國家高程基準）。
通航淨空尺度：單孔單向通航：268×32m，單孔雙向通航：525×32m。
荷載標準：車輛荷載為公路Ⅰ級；設計基本風速為31.7m/s；地震基本烈度為Ⅶ度，按實測地震動參數進行結構抗震分析，按規範規定進行抗震設防，E1、E2設防標準如表1所示；跨江大橋橋墩船舶撞擊力標準如表2所示。
主橋設計
跨江主橋橋型佈置圖
橋跨佈置
根據水文、通航條件，南京長江第五大橋跨江大橋主橋採用橋跨佈置為80+218+600+600+218+80=1796m三塔斜拉橋。該方案基本覆蓋10.5m水深區域，其中2×600m橋跨為主通航孔；左側218m邊孔預留，右側218m邊孔為非通航孔。上述佈置方案滿足現有航道通航要求，亦可適應航道可能變化、航運發展及多線通航需求。
結構體系
根據三塔斜拉橋的結構特點佈置合理的結構體系：①中塔處設置支座約束縱向位移及豎向位移，並設置橫向抗風支座；②邊塔索塔處設置豎向支座及橫向抗風支座，並設置縱向限位裝置；③輔助墩處設置豎向支座、橫向抗風支座及縱向E型動力耗能裝置；④過渡墩處設置豎向支座及橫向抗風支座。
為提高三塔雙主跨斜拉橋的整體結構性能，在中塔及邊塔均設置兩排四組豎向約束支座，雙排豎向支座共同作用，以約束主樑的豎向轉動位移和偏載扭轉位移。為改善支座自身以及支座區域主樑受力性能，索塔區域的豎向支座均採用彈性支座，彈性剛度16000t/m。
索塔設計
1. 索塔結構選型
三塔斜拉橋與常規斜拉橋結構在受力上有所不同，主要表現為中間塔兩側均無輔助墩和過渡墩，不能對主樑和索塔剛度提供有效幫助，並使結構各個響應的活載影響線幅度和範圍增大，各個構件的活載效應變大。如何提高中塔穩定性、主樑豎向剛度、控制斜拉索疲勞應力幅度和滿足索塔受力要求，是三塔斜拉橋結構設計的關鍵。
（a）邊塔構造示意 （b）中塔構造示意
索塔構造示意（cm）
經研究與比選，通過將索塔縱向打開成鑽石形來提高索塔自身剛度，是較為有效且經濟的解決方案。當塔柱縱向打開成鑽石形時，如橫向仍採用雙柱塔，單個索塔在橋面上將存在四個塔肢，其結合處受力較為複雜；斜拉索與四肢索塔塔柱共存一個空間，線條多且雜，視覺效果不佳。若將四塔肢適當合併，形成中間獨柱式，再結合斜拉索的搭配性佈置，則整體呈現簡潔流暢的美感，產生獨特的視覺效果。因此，結合力學與美學的統一，索塔選用縱向鑽石形—橫向獨柱型索塔。
（a）上塔柱斷面 （b）中塔柱斷面
（c）下塔柱斷面 （d）塔底斷面
中塔截面構造示意（cm）
2.索塔結構材料選擇
分別研究鋼索塔、混凝土索塔、鋼混組合索塔三種結構形式。鋼索塔由於可提供的剛度有限並且造價較高，不宜選用。而鋼混組合索塔相比於混凝土索塔具有以下優勢：
①承載能力高，由於鋼外殼的協同承載作用，其承載能力高於鋼筋混凝土索塔。
②塑性和韌性好，鋼材的約束作用可以改善核心混凝土的變形性能，使組合索塔具有良好的塑性和韌性，從而顯著改善結構的抗震性能。
③外觀質量好，索塔外表面均為鋼結構，光潔度、平整度相較於混凝土索塔更易保證，另外表面塗裝顏色可根據景觀設計要求確定，更易獲得較好的美學效果。
④耐久性好，鋼殼的約束作用可減緩鋼筋混凝土的裂縫發展，內部鋼筋因有鋼殼的保護不會引起鏽蝕，運營期間只要做好鋼殼的外表面塗裝維護，即可保證結構的耐久性。
⑤採用工廠化、裝配化施工，減少現場作業強度及難度，提高工程質量，並且施工方便，索塔施工過程中鋼殼可兼作混凝土模板，省去了大型爬模設備。
雖然鋼混組合塔工程造價較混凝土索塔略高，但結構性能明顯佔優，亦符合交通部推進鋼結構橋樑建設戰略，故最終選擇採用鋼混組合索塔。
3.索塔結構設計
索塔採用縱向鑽石形索塔，橫向為獨柱塔，結構為鋼—混凝土組合索塔，鋼結構採用Q345C板材和Q235B型材，混凝土採用C50補償收縮混凝土。
縱向鑽石形塔柱演變
索塔採用鋼混組合結構，中塔高175.407m，邊塔高167.7m。下塔柱為縱向雙肢，每肢為單箱三室的外側帶凹槽的六邊形斷面，橫向13.8m、縱向7m（邊塔6m）、壁厚1.2～1.4m，底部合併縱向14m（邊塔12m），向上逐步分離，至下塔柱頂部縱向21m（邊塔17.6m）。中塔柱為縱向雙肢，每肢為單箱單室的外側帶凹槽的四邊形斷面，橫向5.8m、縱向7～5.686m(邊塔6～5.024m)、壁厚1.2～1.4m。上塔柱合併為單箱單室，橫向5.8m、縱向11.328～5.0m（邊塔10.066～5.26m）。下橫樑為鋼結構，高2.0m、寬4.6m，設置順橋向預應力。中上塔柱結合部設置預應力。上塔柱設置鋼牛腿和鋼錨梁。
4.鋼混組合塔施工工藝
基於鋼-混組合索塔的特點，採用了工廠化、裝配化的施工工藝，將大部分鋼筋在工廠內預穿並隨鋼殼整體吊裝裝配，用鋼殼兼作混凝土模板，省去了大型爬模設備，現場僅需連接節段間鋼筋和澆築混凝土，有效減少現場作業強度及難度，提高工程質量。
主樑設計
1.主樑結構形式
對應於本橋主跨600m的三塔斜拉橋而言，主樑結構選擇鋼箱梁或組合梁均是可行的。組合梁由於橋面板採用了混凝土結構，可以有效規避正交異性鋼橋面板的疲勞病害和鋼橋面鋪裝易損問題，並且經濟性相對更優，故南京五橋主樑選擇了鋼混組合梁方案。
傳統鋼混組合梁的橋面板混凝土通常採用C55～C60混凝土，板厚一般不低於27cm，主要由車輪局部荷載作用下引起的局部彎矩和結構總體受力共同控制。較大的橋面板厚度使得鋼混組合梁結構自重較鋼箱梁大，自重引起的斜拉索索力、塔柱軸力比重加大。為克服自重，必須加大索塔尺寸和斜拉索規格，從而影響了其經濟性以及朝更大跨度斜拉橋應用的可能性。
選用高性能的粗骨料活性粉末混凝土作為橋面板材料，不僅可有效提高混凝土橋面板的受力性能，而且可優化橋面板的厚度，使鋼混組合梁自重明顯降低，進而降低索塔尺寸、斜拉索規格，改善整體結構性能，使鋼混組合梁能夠適應更大跨徑斜拉橋的需求。
粗骨料活性粉末混凝土是由粒徑不大於10mm的粗骨料、細度模數為2.6－2.8的細骨料和活性粉末混凝土組份（其中不應摻加任何起膨脹作用的添加劑）組合而成，基於最緊密堆積原理優化顆粒級配，以超微細顆粒、細顆粒和粗顆粒間的逐級均質充分填充，提高混合材料內部的緻密性，有效減小其內部孔隙，大幅提高混合材料的抗壓強度和彈性模量。
採用粗骨料活性粉末混凝土作為橋面板材料，橋面板厚度由傳統的27cm降低至17cm，單位重量由37.3t/m降低至27.7t/m。將顯著改善結構整體受力性能，並降低主樑架設難度和工程造價，極大地拓寬組合梁斜拉橋的適用領域。
綜合考慮大跨度組合梁斜拉橋對橋面板的受力要求、粗骨料活性粉末混凝土材料自身的性能特點以及經濟性，對其物理力學性能要求如表3。
2.主樑結構設計
主樑採用扁平流線型整體箱形鋼混組合梁，其兩側路肩區為底部開放的懸臂結構，主樑標準寬度35.6m，梁高3.6m（組合梁中心線處）。
主樑標準橫斷面(mm)
鋼混組合梁為單箱三室結構，其3個箱室的寬度分別為12.05m、5.6m、12.05m，兩側挑臂寬度2.95m，在索塔與梁交匯處，中間箱室加寬至6.2m。
中間箱內設置斜拉索錨箱，是箱梁內受力最大的區域。中間箱兩側中腹部厚度36mm，縱向設置3道板式加勁；對應底板標準段厚度16mm，索塔及輔助墩區域加厚至20mm，縱向設置6道U肋加勁；中腹板上翼緣尺寸600×20mm。
兩側邊箱底板、斜底板標準厚度均為12mm，索塔及輔助墩區域平底板加厚至20mm，斜底板加厚至16mm，縱向共設置15道U肋加勁；邊腹板厚度20mm，縱向設置一道板式加勁，邊腹板上翼緣尺寸500×20mm。箱內設橫隔板，橫隔板標準間距3.65m，非拉索處橫隔板厚10mm；拉索處橫隔板邊箱厚14mm，中間箱厚16mm；橋面吊機加勁處橫隔板厚16mm，支座處橫隔板厚20～24mm。
鋼—粗骨料活性粉末混凝土組合梁結構示意圖
鋼樑上鋪設粗骨料活性粉末混凝土橋面板，鋼和混凝土通過剪力釘連接，以形成組合截面。橋面板標準厚度17cm，在中腹板及邊腹板頂加厚至20cm，中間箱橋面板厚20cm。輔助跨梁段橋面板厚度均為20cm。
粗骨料活性粉末混凝土橋面板分為預製板、工廠溼接縫、工地橫向溼接縫三部分製作。單個梁段共設4塊預製板。標準梁段長14.6m，橋面板全寬35.6m，分為4塊預製板，3道縱向溼接縫，1道工廠橫向溼接縫和1道工地橫向溼接縫。預製板尺寸6.92m×11.3m，兩側縱向溼接縫寬3.275m，中箱頂縱向溼接縫寬6.45m，工廠橫向溼接縫寬38cm，工地橫向溼接縫寬38cm。
全橋組合梁劃分成129個梁段，節段標準長度14.6m、邊跨尾索區節段為10.95m，標準梁段重量為408t。
3.主樑施工工藝
針對粗骨料活性粉末混凝土材料的性能特點，組合梁橋面板制定了標準化、裝配化、自動化、智能化的施工工藝。
預製板採用標準模具預製，使得混凝土橋面板達到鋼結構的精度標準；橋面板無論是預製還是現澆，均採用自動化、智能化的數控布料、插入振搗、平板振搗系統完成澆築，以減少施工隨機因素對橋面板質量的影響。預製板採用全機械化、數控化製造，並在工廠內完成鋼—混疊合，除橋位對接外的主樑所有制作均在工廠內完成，大大降低現場作業難度，以保證主樑結構整體質量。
鋼混疊合工藝具體施工流程如下：
①預製橋面板，鋼樑的部分橫隔板及其上翼緣，作為預埋件在預製板製作中預埋，養護3～6個月。
②在鋼結構加工場胎架上拼裝鋼箱梁。
③吊裝預製板，將其擱置於鋼樑上，精確調整後，焊接預埋部分橫隔板和鋼樑橫隔板之間的對接焊縫，使預埋部分鋼板和鋼樑連成整體。
④澆築縱向溼接縫和工廠橫向溼接縫，張拉橫向預應力，養護2～3月後運至橋位。
斜拉索及其錨固構造設計
1.斜拉索設計
考慮安裝及後期更換方便，斜拉索採用抗拉標準強度為1860MPa鋼絞線斜拉索，根據索力的不同，選取不同的鋼絞線束數，全橋採用15.7-31、15.7-37、15.7-43、15.7-55、15.7-61、15.7-73共6種規格的錨具。全橋共240根斜拉索。斜拉索在主樑上採用鋼錨箱構造錨固，在索塔上採用鋼錨梁構造錨固，張拉端設置在梁端。
斜拉索錨固構造示意
2.斜拉索錨固構造
斜拉索梁端採用錨箱式錨固，錨箱安裝在主樑中腹板內側，並與其焊成一體。斜拉索拉力主要通過錨箱傳遞給主樑腹板。
斜拉索塔端採用鋼錨梁的錨固方式，鋼錨梁支承於鋼牛腿上，鋼牛腿焊接於索塔內壁板，鋼錨梁與鋼牛腿之間設置不鏽鋼摩擦副。斜拉索的水平分力主要由鋼錨梁承擔，豎向分力則通過鋼牛腿傳遞至塔壁上。每個索塔共20對鋼錨梁，每對鋼錨梁錨固4根斜拉索。索塔內自下而上佈置兩類鋼錨梁： A類11對鋼錨梁不設拉桿、B類9對鋼錨梁設拉桿。
索塔承臺鋼套箱
索塔基礎
1.中塔基礎
中塔基礎採用30根D2.8m鑽孔灌注樁基礎，鋼護筒直徑3.2m，梅花形佈置，樁長113m。承臺為圓形，直徑43m、厚8m。所有鑽孔灌注樁均按摩擦樁設計。承臺施工鋼套箱兼做永久防撞套箱，在套箱外壁板設置防撞橡膠護舷。
中塔鑽孔樁群樁基礎一般構造(cm)
2.邊塔基礎
採用24根D2.8m直徑鑽孔灌注樁基礎，梅花式佈置，按摩擦樁設計，樁底高程-94.0m，樁端持力層為中風化泥岩。承臺為六邊形構造，平面尺寸29.6（順橋向）×40.2（橫橋向）m，厚8.0m，承臺上設圓臺式塔座，塔座頂面直徑18m，底面直徑22m，厚2.0m。承臺施工鋼套箱兼做永久防撞套箱，在套箱外壁板設置防撞橡膠護舷。
主橋邊塔索塔基礎構造(cm)
輔助墩、過渡墩及其基礎
輔助墩基礎採用鑽孔灌注樁群樁基礎，共佈置12根D2.2m直徑的鑽孔樁，按摩擦樁設計；承臺為矩形加圓倒角截面，平面尺寸15.2（順橋向）×21.4（橫橋向）m，厚4.5m；墩身為矩形帶凹槽截面，平面尺寸為4.5（順橋向）×10（橫橋向）m，橫橋向中心處開0.3m深、2.8m寬凹槽。
主橋輔助墩一般構造(cm)
過渡墩基礎採用鑽孔灌注樁群樁基礎，共佈置12根D2.2m直徑鑽孔樁，按摩擦樁設計；承臺為矩形加圓倒角截面，平面尺寸15.2（順橋向）×21.4（橫橋向）m，厚4.5m；墩身為分離式實心墩，單墩截面尺寸為4.5（順橋向）×4.2（橫橋向）m，兩肢墩身淨距4.2m；蓋梁採用矩形截面，平面尺寸4.5（順橋向）×23.4（橫橋向）m，蓋梁高2.8m，兩側懸臂段梁高從1.2m漸變至2.8m。
主橋過渡墩一般構造(cm)
南京長江第五大橋跨江主橋是世界上首座採用粗骨料活性粉末混凝土橋面板結構的組合梁斜拉橋，也是跨徑最大的鋼混組合索塔斜拉橋。設計圍繞“品質工程”創建工作，將工廠化、裝配化、標準化的預製安裝方案作為橋樑方案的考慮主線，將約75%的工作量放在工廠內完成，儘量減少水上作業和現場作業強度及難度，切實保證工程質量，有效提升了橋樑建造的工業化水平。
本文刊載 / 《橋樑》雜誌 2018年 第6期 總第86期
作者 / 崔冰 閆永倫 魏樂永 馬增
作者單位 / 中交公路規劃設計院有限公司
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