我国在重庆建设一座世界级大桥

我国在重庆建设一座世界级大桥---重庆菜园坝长江大桥，位于重庆两路口到南坪之间大江之上。具有110年造桥史的中铁山桥集团有限公司，将承担这座大桥钢结构的制造任务。至此，这家企业制造的钢桥已13次跨越长江。中铁大桥局第五工程公司承担了主桥及引桥的混凝土浇筑，钢桁梁及钢拱的架设等施工。其他单位如威胜利工程有限公司参与了大桥配套设施的施工。

重庆菜园坝长江大桥是目前国内最大的公共交通和城市轻轨两用大跨径拱桥，主跨420米，为中国第二大跨度拱桥，钢结构总重18000吨。该桥结构形式采用中承式无推力钢管混凝土系杆拱桥，是集钢管拱、钢箱梁、钢桁梁各种新型桥梁结构形式和科技成果于一身的现代化桥梁，这种结构形式不仅在我国绝无仅有，而且在世界桥梁中也具有独特的地位。菜园坝长江大桥于2003年2月5日正式开工。菜园坝长江大桥已经在2007年10月29日建成通车。

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菜园坝大桥揭秘：桥型世界首创

菜园坝长江大桥大桥设计者邓文中在接受专访时称，整座大桥造型轻盈、苗条，犹如一个美丽的姑娘，“她将在世界桥梁史上拥有自己独特的地位”。 设计花10个月 曾查阅地方志

邓文中，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，是世界工程科技界权威刊物《工程》学术周刊在2000年评选出的，世界近现代史上125位对人类发展最具有贡献的杰出科学家之一。

年近七旬的邓文中称，菜园坝长江大桥是他在国内亲自完成设计的第一座特大型跨江大桥。整个大桥设计耗时长达10个月。曾被授予“名誉文学博士”称号的邓文中，查阅我市地方志等书籍，目的就是打造一座与我市人文、地貌相吻合的大桥。 大桥未破坏重庆山水景观

菜园坝大桥横跨长江，东西两岸落差大，必须要选择轻盈、苗条的桥型，否则周边环境将遭到破坏。经过反复思考，绘制上万张草图，邓文中最终决定选择“钢箱提篮拱”作为大桥的桥型。

菜园坝长江大桥轻盈、苗条，而又不失“精神”。邓文中告诉记者，菜园坝大桥的桥型属于世界首创，完全是为重庆特有的两江环抱、群山相拥的地貌量身定做。因为桥型一旦“臃肿”，就会出现“只见一座大桥而不见一座城”的尴尬。

大桥创下六个第一

邓文中称，大桥在设计时并没有刻意追求“第一”，但即将通车的菜园坝长江大桥却创下了六个第一，“将在世界桥梁史上拥有自己的独特地位”。

“Y”型混凝土钢构与提篮式钢箱系杆拱和钢桁梁组成，主跨420米，“公路+轻轨”两用桥跨度居世界同类桥梁之首；主桥采用特殊智能化主动控制体系，确保主体结构施工的内力和稳定，该技术在国内是首次应用；独特的主桁体系和安装方法全国首创，其中钢梁整体节段拼装，节段最大重360吨；Y型结构施工难度及支架工程规模，居全国之首；边侧孔钢桁梁安装支架难度和规模属全国第一；用于起吊的缆索吊机达152米，从地面起算达202米，跨度达420米，规模居全国第一，目前已拆除。

重庆菜园坝长江大桥主桥设计理念与实践 孙峻岭、邓文中、刘孝辉林同棪国际（重

庆）工程咨询有限公司 摘 要 重庆菜园坝长江大桥正桥设六线行车道、双侧人行道（上层桥面），双线城市轻轨（下层桥面）。重庆菜园坝长江大桥主桥为公轨两用特大城市桥梁，居世界同类桥梁之首。重庆菜园坝长江大桥主桥的实施有着项目所特有的极为苛刻社会、经济与技术条件，其中主要的项目边界条件包括：420米拱桥一跨过江、公路与轨道交通同桥共建、都市核心区特大型梁建筑美学设计、项目造价与工期的限制。 重庆菜园坝长江大桥效果图面对挑战、重庆菜园长江大桥设计组坚守―求实、创新、效率‖的设计理念，即：结合国情、引入并创造性地发展桥梁结构新技术、实现安全、使用、可实施条件下结构的高效率， 使结构的安全性、实用性、经济性及结构的建筑美观在高效结构上得以自然合一。重庆菜园坝长江大桥主桥设计首创组合式刚构-系杆拱拱式桥梁结构体系。巧妙地将―钢‖与―混凝土‖建筑主材进行组合提高材料使用效率、又将预应力混凝土刚构与钢箱系杆拱组合提高结构跨越能力，再将正交异性板与钢桁架梁组合共同承受公轨荷载。这一组合式拱桥结构体系使安全、经济、美观这三个看似矛盾的理想追求得到了自然、同步、合一性的实现。重庆菜园坝长江大桥主桥的关键技术创新主要包括： - 组合式预应力混凝土―Y‖型刚构-钢箱系杆拱拱式桥梁结构体系； - 组合式公轨交通正交异性板-钢桁架梁梁体结构体系； - 组合式公轨交通正交异性板-钢桁架梁的节段化设计、节段化运输、节段化施工的工业化技术； - 中跨-边跨分离系杆体系与刚构-系杆拱主体结构主动控制技术。本文将就项目的主要社会与环境背景、项目关键边界条件、大桥主桥设计理念、主桥结构体系、关键节点、关键设计与施工技术做简要陈述与讨论。 关键词 公轨两用 长江大桥 刚构-系杆拱 主动控制 大节段 1 重庆菜园坝长江大桥主桥项目主要背景与关键边界条件主要项目背景重庆菜园坝长江大桥工程是1996年国务院批准的重庆总体规划中的主城区的一座特大桥梁，同时也是主城区规划中又一条南北大通道上的关键工程。该大通道起于江北新牌坊、经加洲花园分流路、渝澳大桥、八一、向阳隧道、菜园坝长江大桥，止于大石路立交，与起于江北五里店、经黄花园大桥、石黄隧道、石板坡长江大桥，止于南坪四公里的另一南北大道，形成主城区两条平行的南北大通道。菜园坝长江大桥工程北起向阳隧道口立交自重庆长途汽车站过江，跨越长江接南岸苏家坝立交，穿过隧道经花园路、大石路与大石立交相接，路线全长约7km，为规划中的城区主干线的关键节点。大桥工程由菜园坝大桥正桥（含主桥和引桥）、菜园坝立交、苏家坝立交、南城隧道、南城立交及海铜路改造工程组成，桥位如图1.1所示。路线行经地域分属重庆市渝中区和南岸区，辖区内道路纵横、人居密度极高。该桥上游离鹅公岩长江大桥约4km，下游距石板坡长江大桥约1.2km（目前石板坡长江大桥日通行量已达7万辆）。根据对重庆菜园坝长江大桥的交通量预测，其交通量2005年可达26317辆/日，2025年可达50961辆/日。 图1-1 重庆菜园坝长江大桥主桥桥位重庆菜园坝长江大桥主桥为重庆菜园坝长江大桥项目的核心工程， 是国内首座特大公路、城市轨道两用拱桥。主桥上层桥面设六线汽车行车道加双侧人行道，行车道宽度 2×3×3.75m，中央分隔带宽度1.0m，两侧路缘带

宽度2×2×0.5m，人行道宽度2×2.5m。汽车荷载按城—A级进行设计，设计行车速度V=60km/h。在主桥下层桥面，即钢桁梁的下横梁上布置双线城市轻轨，采用跨座式单轨交通车辆，设计行车速度V=75km/h。菜园坝长江大桥主桥设计基准年限100年设计目标重庆市人民政府及项目业主重庆市城市建设投资公司为重庆菜园坝长江大桥建设制定了一个很高目标，要求参建单位把大桥建成一个使用功能完备、景观优美、安全、又便于维护的重庆都市主城区标志性桥梁工程。其它主要技术、经济、环境边界条件除了公轨同桥公建的要求，重庆菜园坝长江大桥的设计还必须考虑项目所特有的其它重要边界条件，其中包括： - 政府确定的拱桥桥型； - 397 米的最小通航静宽； - 长江上游季节性水位的巨大落差（常年最高水位182米，常年最底水位162米）； - 都市中心区大型基础设施建设所面临的各种场地限制； - 工期限制与造价限额； - 大桥建筑与都市核心区自然景观和建筑景观的和谐关系。 2 重庆菜园坝长江大桥的基本设计理念与原则面对设定的项目目标，面对项目所特有技术、经济、社会、环境边界条件之挑战，大桥设计联合体坚定基本设计理念，即：靠理性技术创新，提高结构效率；效率是目的与条件天然合一的桥梁，并依据设计理念也制定了下列设计原则： 1）在满足安全、使用、耐久要求的前提下，结构造型应力求美观、新颖、简洁大方、富有时代风貌。充分体现当代建桥的新技术、新水平。同时要立足国内，选用经济合理、施工可行的方案。 2）充分尊重、认真分析现有周边环境，注重城市景观组织，合理处理好与周边自然与建筑景观的和谐。 3）充分考虑大桥所处位置的地质、水文以及通航条件。合理布置，尽量减少对交通、水文的干扰。以设计目标为准绳、坚守设计理念与设计原则，尊重本项目所特有的设计各种技术、环境、经济边界条件，设计组对全球范围内现有主要特大拱桥桥型（如图2-1a、b、c、d、e所示）进行了综合比较与分析，最终推出了钢混组合式刚构系杆拱桥这一新型桥梁结构体系为重庆菜园坝长江大桥主桥桥梁结构体系。 图2-1（a、b、c、d、e）主要特大系杆拱桥比较桥型 图2-2 重庆菜园坝长江大桥主桥效果 - 组合式刚构系杆拱桥 3 重庆菜园坝长江大桥主桥结构体系及其关键技术 3.1 重庆菜园坝长江大桥主桥主体结构体系重庆菜园坝长江大桥主桥由420米的中跨和112米及88米对称分布的边跨、侧跨组成。主桥总长800米，立面布置如图3-1所示。大桥主体结构有六大子结构体系组成：主桥桩基承台基础、钢混组合式提蓝刚构-系杆拱、组合式正交异性桥面板桁架钢梁、分离式系杆索体、吊杆索体、支座及伸缩缝。 图3-1/重庆菜园坝长江大桥主桥总体布置 3.2 重庆菜园坝长江大桥主桥主体结构设计关键技术重庆菜园坝长江大桥主桥结构总体设计核心技术主要可归结如下几点。组合设计技术为了提高结构的整体效率，重庆菜园坝长江大桥主桥设计在三个层面上使用了―组合‖技术，即：在材料上，将混凝土与钢组合提高材料使用效率；在直接活载承载梁体设计中将正交异性桥面板与桁架钢梁组合提高梁体承载效率；在主体承载结构设计中将预应力混凝土―Y‖型刚构与提篮钢箱系杆拱组合提高主体结构跨越能力。 图3-2a 钢混接头 图3-2b正交异性桥面钢桁架梁 图3-2c 一对对称的预应力混凝土连续刚构 + 系杆中拱 从系杆拱桥结构理论最常用到的方程式3-1，不难理解组合的效率。 （3-1）其中： 是作用在拱肋上的竖向力； 是拱肋的有效跨度； 是系杆拱肋失高。 是作用在拱肋上的平均竖向力所引起的水平推力。众所周知，拱桥的设计与实施中，水平推力可能最能反应设计与实施的技术难度及大桥建成的经济指标的技术参数，即水平力越大、技术难度及其经济指标就越高，水平推力越小技术难度及其经济指标就越低。假设失高不变的情况下，降低水平推力的有效方法：一是减小有效跨度 ；二是减少拱重和梁重。与常用的钢桁架-混凝土桥面板结合梁及分离式钢桁架-正交异性桥面板叠和梁梁体相比，组合式正交异性桥面钢桁架梁使用―组合‖ 理念设计，让正交异性桥面板与钢桁架梁联合作用，使得公轨荷载同梁承担，进而使公轨双用钢梁梁重降到最轻；由于在主体承载结构设计中将预应力混凝土―Y‖型刚构与提篮钢箱系杆拱进行组合，从而使系杆中拱的有效跨度从420米减少到320米，极大地降低了大桥水平推力，提高结构总体效率同时降低了关键子结构设计

难度；在主体结构的下部结构使用预应力混凝土―Y‖型刚构也带来了其它优点：充足的强度与刚度、优良的抗船击能力与耐久性能、良好建筑的可塑造性及经济指标。另，大桥提蓝拱肋仅设六各横撑，在保障主体结构有足够的稳定安全系数的前提下，又降低了主拱自重。正是这些关键材料、结构―组合‖技术、重庆菜园坝长江大桥主桥具有很高的材料与结构效率，在保证结构安全性与耐久性的同时，与功能类似规模相当的大桥相比，预计本桥节约永久结构钢材约13000吨。大型结构主动控制技术重庆菜园坝长江大桥大桥设计首次采用特大系杆拱桥设计中的纵向系杆分离体系，即将纵向系杆分为中跨系杆与边跨系杆，并将其独立锚定。在此基础上，设计又在边墩增设了竖向系杆索。三套相对独立的系杆体系可在实施过程中对大桥的主体（刚构、主拱）进行内力与线形空间的调整与控制。 图3-2d 预应力混凝土―Y‖型刚构及系杆中拱系杆工作基本原理图示 正交异性桥面钢桁架梁大节段工业化技术现代钢结构设计与钢结构的制造、架安密不可分。一般来讲，钢结构的设计受到、并接受钢结构制造条件、钢结构安装措施的限制。现代钢结构设计、制造、安装技术的发展史也可以基本上说是一部不断深入的―工业化‖理念的实践史。所为钢结构的―工业化‖理念在这里是指：钢结构设计、制造、运输及安装的工厂化、标准化、及大型化， 现代钢结构工业化的基本目标是更好更快地实施钢结构工程。我国现代钢桁架桥梁基本单元从杆件+板片到杆件+整体节点，钢结构单元的基本连接形式从卯接到栓焊连接，整整走过了近百年的历史。目前，国际发达国家已经发展到了大节段乃至超大节段设计、制造、运输、及吊安，极大地提高了项目实施的效率，更好地保证了钢结构工程的质量。重庆菜园坝长江大桥的正交异性桥面桁架梁设计在已经发展成熟的整体节点、高强镙栓、厚板焊接等技术的基础之上在国内首次采用大节段设计、大节段制造、大节段运输、大节段吊安的设计理念旨在保证质量，并给施工单位提供了更大的工期保障空间。 图3-2e 桥面板制造分割方安 与节段吊安示意 正交异性桥面与钢桁架梁的组合提高组合桁梁的承载效率，工地吊安的节段化提高了施工速度、更好地保证了结构质量。但也同样给设计、制造、施工带来了新的挑战与难题。在设计层面需要解决的新问题主要包括： -正交异性桥面与桁架梁上玄杆的联合作用； -桁架梁上玄杆桥面板及桥面板主、次横梁的连接构造细节； -吊杆-组合式桁架梁横梁-斜吊杆-下玄杆-下轨道横梁传力设计及构造设计。在制造方案及工艺设计方面的新问题更多，其中主要有： -组合式桁架梁正交异性桥面板制造基本单元分块； -组合式桁架梁正交异性桥面板制造基本单元的连接形式； -组合式桁架梁正交异性桥面板形变控制技术； -组合式桁架梁多种整体节点的制造工艺； -组合式桁架梁大节段总体组装方案与精度控制技术； 图3-2f 重庆菜园坝长江大桥组合式公轨两用钢桁架梁大节段段间对拼实验 重庆菜园坝长江大桥组合式公轨两用钢桁架梁大节段段间对拼足尺实验于2005年4月30日在重庆船厂首次实施，两节段八点同时对接在四十六分钟内顺利完成。大节段对接的成功标志着我国钢结构设计、制造技术在工业化的道路上又迈上了新的台阶。 3.3 重庆菜园坝长江大桥主桥关键构造设计 关键结构构造设计是桥梁设计理念到实现的桥梁。考虑到重庆菜园坝长江大桥主桥的设计寿命为100年这一因素，设计组将结构构造设计基本原则定为：保证安全、耐久、可实施性，有选择地保证特殊构造或结构单元的可更换性设计。考虑到篇幅所限，本节仅对菜园坝长江大桥个别关键构造设计的考虑、设计构思及设计细节简要陈述如下。钢箱拱肋与吊杆拱肋锚点认识到钢材对混凝土材料的套箍效应，近年来我国拱桥的设计者与建设者在许多拱桥建设中采用了凝土填充的钢管作为拱桥拱肋，积累了许多的经验与教训。在菜园坝长江大桥设计之初，设计针对钢拱肋的截面形式的两个备选方案，即：钢箱拱肋与钢管拱肋，进行了反复的论证比较。比较与论证的技术层面包括：拱肋强度与刚度，拱肋重量与造价，拱肋关键构造的安全性与耐久性，拱肋的可维护性，拱肋与横撑的连接构造，拱肋的建筑观感等。论证表明，尽管在理论轴压作用条件下，钢管混凝土拱肋的建安性价比略好，但其混凝土钢管相互作用机理缺乏试验基础，关键构造的强度安全性、耐久性、可维护性、生命周期造价及建筑感官较差。基