破解异型系杆拱桥的设计、施工难题

南京南部新城位于南京主城区东南方向。承天大道处在南京南部新城南北发展轴线上，全长约2.49km。承天大道跨外秦淮河大桥（以下简称承天大桥），是承天大道的控制性节点工程。南侧引桥下穿京沪高铁、仙西联络线，北引桥和绕城公路相交而过。承天大道工程是南京市“三年打通断头路”的重要工程，也是南京南部新城的“主城之门”，对缓解卡子门、双桥门立交拥堵，改善主城东南部路网，推动新城建设具有重要意义。

重要的交通节点

承天大道北起应天东街、南至江宁区界。路线总体呈南北走向。道路自北向南与应天东街、机场路，机场二、三、四、五、七路，绕城公路、地铁五号线试车线、秦淮河、规划宁芜货线、仙西联络线、京沪高铁、土城头路交叉。

由于大桥所处河段蜿蜒曲折，而且既有跨河桥梁众多，根据防洪防汛的需要，并结合水利设施建设的需求，该桥采用了一跨过河桥跨布置设计，满足了各方的需求。承天大桥全长约157m，红线宽42m,拱高分别为46m和35m。结构类型为下承式空间多索面异型系杆拱桥、钢结构总重约7500吨。北侧引桥上部结构采用预应力钢筋混凝土箱梁，南侧引桥上部结构为预制小箱梁，人非桥上部结构采用钢箱梁。

大桥于2018年10月正式开工，2018年12月完成两岸主墩桩基施工，2019年4月完成下部结构施工，2019年10月开始进行水中支架搭设，2019年12月26日主箱梁已拖拉就位， 2020年5月底完成大桥主体施工并拆除水中支架，目前正在开展大桥二层慢行系统及桥梁附属设施的施工。

承天大桥，横跨秦淮河岸，南侧穿越京沪高铁，北侧紧邻绕城公路，连接城市CBD和生态公园，是南部新城重要门户和城市地标。

南部新城位居“将军山”“方山”“青龙山”“紫金山”4座山峦的中央，得天独厚的地理位置，给了该桥设计以充分的灵感，将四山的剪影交汇于此，演化出桥的主体结构。大桥的4个三角拱象征汇聚的4座山，赋予了承天大桥稳定的结构和充满张力的形象。流动的线条漂浮于秦淮河上，远远望去，“如画山水”。承天大桥的轮廓延续了南部新城完整而跃动的城市天际线，为城市景观增添新高潮。
承天大桥创新采用双层人非结构，人行、非机动车、机动车在这里被有效地隔离开，互不干扰。上层通道给行人提供安全舒适的步行环境、休息座位以及全景观景台，行人能够欣赏到外秦淮河全景；下层通道给非机动车提供高效、安全、视野开阔的骑行环境，同时无阻碍观赏秦淮河风光。
承天大道桥梁沿线串联机场跑道公园、预留白地、河头湿地公园等多个城市公园绿地和公共活动设施，运用整体景观的设计手法，将承天大道桥梁打造成一条贯通南北、串联城市各个重要功能的生态绿线，一条缝合城市空间的“生态绿线”，还城市以“绿水青山”的南北轴线，创造一个立体、宜人的立体城市慢行空间。承天大桥是两岸景观的延续，连接了被道路、河流切断的城市空间，这条总长达1.3公里的大桥，不仅满足了交通通行，同时也是一个立体线性公园，在这里可以登高远望，观赏秦淮风光、充满生机的城市生态公园、摩登的城市天际线……

为实现大桥设计的美学创意和理念，经各方多轮研究、推敲，最终确定了承天大桥采用空间多索面刚性系杆拱结构，主桥为单孔157m，主拱采用钢箱拱，主梁采用正交异性板扁平钢箱梁，桥面宽度为42m。主桥为非对称拱桥，拱肋采用四边形钢箱拱，通过包封板外观形成六边形异形拱肋，拱轴线采用直线、圆曲线组成。

该桥为异型系杆拱桥，在实际工程中具有外观新颖、造价合理的特点。主要结构特点为：下承式空间三索面；异型非对称拱轴线；无横撑内倾斜靠式拱肋；主梁采用扁平钢箱梁，剪力滞效应明显。

其结构主要优点为：结构形式为拱-梁无推力组合体系，下承式系杆拱桥，有效降低了桥梁对地基和基础的要求；桥面系主要承受弯矩，吊杆将作用在桥面上的荷载传递到拱肋，具有非保向力作用，提高了拱结构的横向稳定性；拱肋形式多变，造型优美，充分利用了材料性能，同时极具韵律、动态之美，是当代桥梁力学与美学的高度和谐。

其主要的难点以及应对措施如下——

采用多种计算模型验证结构安全性

采用空间有限元软件 midas Civil对该桥进行单梁模型和梁格法计算，通过多方面对比，保证结构强度、刚度及稳定性方面均满足结构安全需求。同时为后续我国类似复杂结构桥梁的设计、建设提供一定的借鉴。

拱拱交接处以及拱梁交接处节点设计

该桥设计的难点和重点之一就是拱肋之间的连接，经过专家的层层把关，最终设计为拱肋与拱肋交接处结构板之间焊接，内部通过共用横隔板与腹板实现刚性连接，在不损伤方案外观的情况下，保证结构的连接强度。

拱肋与钢主梁的连接是该桥设计中的另一个难点。在拱肋与钢箱梁交接处，拱肋侧板深入主梁与主梁顶底板及横隔板进行熔透焊接，同时拱肋顶底板与箱梁顶板熔透焊接，通过加劲与钢主梁实现刚性连接。

吊杆与拱、梁交接点的设计

吊杆上下吊点均采用吊耳形式，上耳板与钢箱拱内部隔板一一对应，与拱肋底板焊接；下耳板伸入钢主梁箱室，通过加劲肋实现连接，保证结构安全的前提下最大限度降低施工难度。

桥面铺装与防腐的系统设计

由于桥梁的特殊结构和功能的缘故，本次桥面系统设计远比常规桥梁要复杂得多，因此，桥面铺装设计也是一个难题。经多方案研究比选，结合南京三桥、南京四桥以及南京眼步行桥的最新研究成果，形成的最终方案为——

1.中分带、侧分带：环氧富锌漆涂装+溶剂型橡胶防水粘结层+80mm富沥青砂（撒预拌碎石）；

2.机动车道：溶剂型橡胶防水粘结层+3.5mm浇筑式沥青混凝土+4,5mm高弹改性沥青混凝土；

3.下层非机动车道：0.5mm环氧树脂防水防腐涂装+4mm环氧树脂陶粒铺装下层+6mm环氧树脂陶粒铺装上层；

4.上层人行道：0.5mm环氧树脂防水防腐涂装+6mm环氧树脂陶粒铺装层 。

本专项设计将钢结构防腐、桥面排水、桥面铺装作为一个系统统筹研究，集成应用了国内近年来的最新成果，很好地解决了桥面铺装的问题。

耐久性设计

大气环境及大气污染对金属结构易造成腐蚀，腐蚀问题是金属结构的大敌。对于钢箱梁方案，钢箱梁中钢结构在斜拉桥结构中属主要受力结构，更要高度重视防腐问题。防腐设计是延长桥梁使用寿命、节约维护费用和优化桥梁景观的重要途径。因此，该桥在耐久性设计方面，对比国内多座钢桥的涂装方案，规定详细的涂装场地要求、工艺要求、质量及检测要求，满足景观需要的前提下同时满足耐久性要求。

抗震设计

该桥在抗震设计方面，具有明确的计算简图和合理的地震作用传力途径，具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。对可能出现的薄弱部位，采取措施提高抗震能力，构件构造尺寸、钢筋配置按抗震规范要求设计，采用球形抗震支座，同时设置阻止梁墩横桥向相对位移的构造，以阻止梁墩间在地震力作用下产生的相对横桥向位移。

抗风设计

抗风设计中，气流绕过一般非流线型外形的桥梁结构时，会产生涡旋和流动的分离，形成复杂的空气作用力。当桥梁结构的刚度较大时，结构保持静止不动，这种空气力作用只相当于静力作用；当桥梁结构的刚度较小时，结构振动得到激发，这时空气力不仅具有静力作用，而且具有动力作用。该桥结构刚度较大，空气作用力较小。在抗风细节设计中，拱肋结构外缘采用六边形断面，能有效控制风振影响，同时吊杆采用外层PE外表面需缠绕凸出的双螺旋线，以减少风雨激振对吊杆的影响。

施工过程

大桥的施工难点来源于两个方面。

第一，外秦淮河是通江河，是南京主城最重要的防汛“保护神”。每年的5月至9月，是南京主要的汛期，这个阶段不允许在河道中设置任何有碍行洪的障碍。因此，大桥的水上施工时间也只有从每年的10月份至来年的4月份这短短的7个月时间。

第二，大桥结构复杂，构建尺寸多、断面变化大，其加工因此而变得难度极大。同时，构建运输条件差而导致工厂化生产条件降低，现场拼装焊接的工作量加大。而作为一个景观桥，其构建加工及拼装精度要求又相对更高。

针对上述困难，参建各方开展“产学研”研究，采取具有创新性且扎实的有力措施，逐一破解难题，确保工程有序推进。

首先，施工方案研究与设计方案同步跟进、互相配合，实现设计、施工无缝衔接。

在设计总体方案基本稳定的同时，参建各方即同步跟进，根据现场各种条件，进行施工方案的研究和比选，最终确定了“利用汛期完成钢箱梁陆上运输和支架上拼装工作，利用一个枯水期完成水上支架搭设、钢箱梁整体顶推就位、钢箱拱节段水上运输安装并最终成桥的总体方案”。在这个方案的指导下，设计单位积极配合，在施工图设计阶段充分考虑其对施工的影响，在确保安全、规范的前提下，不断优化设计，为施工创造了有利的条件。

其次，突出“智慧+”模式，广泛采用BIM技术，破解复杂结构加工制造安装难题。

承天大道跨外秦淮河桥造型优美但结构极为复杂，拱肋采用六边形结构，拱与拱、拱与梁错综交叉，在厂内加工难度极大。针对特殊结构，必须采用特殊方法。项目选用优秀的设计团队及专业的技术人员相对接，结合工程特点和现场实际，利用BIM技术，反复研讨、比较最优拼装方案；以最优拼装方案确定制造加工方案，科学拆解总体结构，深化细化板单元的制造加工图纸。同时选用优秀的作业班组及经验丰富的现场管理人员，统筹策划、优化施工组织，实现设计与加工的无缝衔接，极大地提高施工效率，节约了建造成本。

该桥梁跨度大（157m）、桥面宽（42m）、吨位重（7500吨）、非常规造型，且现场地形复杂，支架设计难度大，施工风险高。项目创新采用“梁拱分离法”施工工艺，在详细调查现场情况的基础上，充分考虑钢结构节段划分、吊装能力、通航要求等因素影响，突破分岸上支架、水中支架、拱肋支架等多个难点，并形成工艺工法，有效降低施工安全风险及支架设计难度。最终，成功完成157m钢箱梁整体顶推，高质量地保证了总体工期的实现。

该桥的拱肋为非对称结构、空间扭曲，线形控制难度大。项目多次与监控单位共同成立技术攻关小组，对钢结构拼装关键技术进行攻关研究监测。同时利用三维模型及空间测量模拟，深化设计，选取最佳拼装顺序及工况，对拱单元进行科学分段，选定空间位置参数，提升现场拼装精度，确保结构线型满足设计要求。

最后，以一次张拉为目标，准确采集现场结构各类参数，反复演算支架拆除前后的受力变化结果，科学确定张拉力及张拉次序，真正实现了一次张拉到位。经检测，梁、拱线性和索力均满足设计要求。