1 工程概况

南京仙新路长江大桥距离上游南京八卦洲长江大桥约6.2km，距离下游南京栖霞山长江大桥约4.3km。

项目南岸为南京市栖霞区，北岸为南京市江北新区，项目全长13.17km。

桥位自北向南分别为长江冲积平原，长江河床、漫滩，岗地、丘陵区。长江北岸地势开阔、平坦，水网发育，地面高程+4.0~+6.0m；长江南岸地势起伏较大，地面高程+10.0~+60.0m。

桥位处历年最高气温43.0℃，历年最低气温-14.0℃，多年平均气温15.4℃。

桥位处设计基本风速Us10为31.2m/s，主桥桥面高度处设计基准风速Ud为44.0m/s。

该桥为城市快速路(兼顾公路功能)，采用双向6车道，设计车速80km/h，设计荷载为城—A级、公路—Ⅰ级，地震基本烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1g。

2 总体设计

南京仙新路长江大桥主桥为跨径1760m的单跨钢箱梁悬索桥，主桥以跨中为对称点设双向2.5%纵坡，竖曲线半径R=32000m。

主缆垂跨比 1/9，边跨跨径 580m，边跨 比 0.33。该桥立面布置见图1。

图1 南京仙新路长江大桥立面布置

加劲梁总宽31.5m(含风嘴)，两主缆横向间距为27.7m。

吊索纵向标准间距为18m，主缆与加劲梁之间在跨中设置纵向柔性中央扣索。

加劲梁采用单跨双铰简支支承体系，在两桥塔下横梁处上、下游均设竖向支座，在桥塔下横梁处设置横向抗风(抗震)支座，纵向设置阻尼器和限位结构。

3 主桥结构设计3.1 缆索系统3.1.1主缆

该桥上、下游各设1根主缆，单根主缆由169股127φ5.4mm镀锌铝高强钢丝索股组成，长约3110.4m，采用PPWS法施工。

主缆钢丝标准抗拉强度2100MPa，屈服强度1680MPa，抗扭性能12转。

主缆在索夹外(内)的空隙率按照19%(17%)设计，主缆挤圆后索夹外(内)直径为879mm(868mm)。

主缆索股两端设置热铸锚头，锚杯内浇注锌铜合金，锚杯由ZG20Mn铸造而成。

主缆采用钢结构锚固系统，该锚固系统由锚杆和锚梁组成，均采用Q345qD钢制作，埋于混凝土中的锚杆采用油漆及密封胶进行隔离与防腐。

3.1.2吊索及索夹

该桥仅主跨设置吊索，吊索与索夹采用销接式结构。

吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外挤包双护层PE进行防护。

钢丝采用φ5.0mm镀锌铝高强钢丝，标准抗拉强度1770MPa。

塔侧1对吊索距桥塔中心线28m，其余吊索纵向间距布置为(2×21+90×18+2×21)m，每个吊点处均设置2根吊索。

塔侧3对吊索为特殊吊索，单根吊索由151根钢丝组成；其余吊索为普通吊索，单根吊索由121根钢丝组成。

为了改善桥梁的抗风性能与短吊索疲劳弯折性能，跨中设置中央斜扣索，每根索由211根钢丝组成。

为减小吊索的风致振动，对于成桥状态长度大于30m的吊索，同一吊点2根吊索之间设置1~9道减振架，减振架竖向沿吊索的间距为20m。

为适应主缆横向位移，在跨中区域短吊索和斜扣索的上、下端锚头处设置可适应横向转动的关节轴承。

全桥索夹共有10种类型。SJ1~SJ8为有吊索索夹，采用销接式连接，其中SJ7、SJ8短吊索设置关节轴承，SJ8位于中央扣索处；SJ9为边跨紧固索夹；SJ10为索鞍处锥形索夹。

索夹内径868mm，壁厚40mm，采用M48高强度螺杆，设计张拉力为900kN；所有索夹均采用上下对合型结构形式，在两半索夹间留有40mm缝隙，索夹外设通缝，填密封胶密封。吊索索夹最长1990mm，最短1190mm；紧固索夹长830mm，锥形索夹长1000mm。

3.1.3索鞍

主索鞍采用单纵肋传力结构，采用铸焊结合式，鞍槽宽970mm。鞍体长7.4m、宽3.5m、高4m，鞍槽处主缆中心线半径8.5m。

纵肋厚180mm，纵向布置11对横肋。鞍体纵向分2块制造，吊至塔顶后用高强度螺栓栓接成整体，单件最大吊装重量约82t。

散索鞍采用底座式结构，由上部的鞍体和下部的特制大吨位柱面钢支座组成。鞍体采用ZG300-500H整体铸造，吊装重量约78t，柱面钢支座重量约58t。

3.2 加劲梁

加劲梁采用扁平流线型封闭整体钢箱梁，总宽31.5m，梁高4m。在主缆中心线处设置2道纵向通长腹板，腹板横向中心距27.7m，钢箱梁两侧各设置宽1.5m的风嘴。钢箱梁采用Q345qD钢。

全桥加劲梁总计97个节段，节段长分别为15.4、16.6、18、21m，标准节段长18m、重约270t，最重节段重约333t(梁端节段)，纵向每隔3m设置1道实腹式横隔板；为提高结构的抗风稳定性，在加劲梁上设置0.67m高中央稳定板，两侧风嘴处设置1m宽水平稳定板。加劲梁横断面见图2。

图2 加劲梁横断面

加劲梁采用正交异性钢桥面板，顶板厚18mm，采用U肋及板肋加劲，顶板与U肋之间采用双面埋弧全熔透焊接。

标准节段底板厚10mm，采用U肋加劲。加劲梁顶、底板U肋及板肋全桥连续，遇横隔板时开孔穿越。

吊点横隔板厚14mm，普通横隔板厚12mm。一般区域加劲梁吊索耳板厚32mm，纵向腹板厚16mm。纵向腹板每隔1.5m设置1道竖向加劲肋。

风嘴顶、底板及斜腹板厚8mm，采用板肋进行加劲；风嘴内设置纵向通长排水槽，排水槽采用复合不锈钢板。

钢箱梁外表面采用S07长效型防腐体系，涂装总厚度300μm。钢箱梁内部为封闭环境，内表面采用冷喷锌涂层体系，同时在钢箱梁内部设置除湿机。

3.3 桥塔及基础

桥塔采用门形混凝土结构，采用C60混凝土，桥塔总高277.3m，由塔柱、横梁、塔顶钢鞍罩及塔座组成。

塔柱(从塔座顶面至鞍座底)高263.8m。棱台形塔座高3.5m。

桥塔两塔柱横向中心间距塔顶处为27.7m，塔底处为42.7m。

塔柱截面为五边形，横桥向轮廓尺寸从顶面7.5m变化到塔底10.5m，纵向尺寸从顶面11.0m变化到塔底14.0m，桥塔构造见图3。

图3 桥塔构造

桥塔由上、中、下塔柱和上、下横梁构成。上、中、下塔柱为钢筋混凝土结构，上、下横梁为预应力混凝土结构。

下塔柱高49.8m，壁厚为1.6m；中塔柱高187.5m，壁厚为1.4m；上塔柱高26.5m，壁厚为1.2m。

桥塔下横梁为单箱双室截面，梁底以半径58.72m的圆弧变化，横梁高由跨中点8m增至梁端10m；下横梁宽12m，顶、底板厚度均为1.0m，腹板厚度分别为1.5m(边腹板)和1.0m(中腹板)。

上横梁为单箱单室截面，高17m，宽6m，顶、底、腹板厚度均为1.2m；上横梁外包钢结构，为N字造型，寓意南京和宁(图4)。

图4 桥塔上横梁造型

南塔处覆盖层厚度约60m，为粉质黏土及砂层；基岩为泥质粉砂岩和含砾砂岩，岩面埋深为61.1~63.6m。

北塔处覆盖层厚度约80m，为粉土、黏性土及混合土；基岩为粉砂岩，岩面埋深为81.7~83.6m。

南、北塔基础均采用66根直径2.8m钻孔灌注桩，按摩擦桩设计，南塔桩长101m，北塔桩长110m，桩端均进入中风化岩层。承台平面尺寸74.8m×39.8m，厚8m。

3.4 锚碇

南锚碇处覆盖层主要为填土、淤泥质粉质黏土、软~流塑粉质黏土、粉土及少量粉细砂；基岩为砾岩，埋深53.2~58.4m。南锚碇采用圆形地下连续墙基础，地下连续墙外径65m，墙厚1.5m。

锚碇基坑深度54m，地下连续墙嵌入微风化砾岩3m，高度分为60m及63m两种。

锚体在平面呈U形，锚块后端为半圆形，纵向长64.75m，横向宽62.8m，高24.8m。南锚碇结构见图5。

图5 南锚碇结构

北锚碇处上部覆盖层为厚7~8m流塑状淤泥质粉质黏土夹少量粉土、粉砂，其下为厚30~45m的粉细砂夹少量粉质黏土，粉细砂以下为厚15~20m中粗砂、含卵砾石中粗砂、圆砾等混合土层；基岩为白垩系赤山组粉砂岩，岩面高程-60m左右。

北锚碇采用沉井基础，沉井高50m，持力层为圆砾土，平面尺寸70m(纵向)×50m(横向)，设置20个井孔，沉井标准节段外壁厚2.2m，内壁厚2m，封底混凝土厚10.5m。锚体在平面呈U形，纵向长70.25m，横向宽48m，高33.3m。

北锚碇结构见图6。

图6 北锚碇结构

4 结构计算

采用悬索桥非线性分析软件SNAS进行结构计算。

主缆用分段悬链线索单元模拟，吊索用索单元模拟，桥塔、加劲梁用梁单元模拟。边界约束条件为：桥塔在塔底固结，主缆在锚固点固结，加劲梁在两端可以竖向转动、横向转动和纵向水平有控制移动，其它方向约束。

4.1 静力计算4.1.1结构刚度

由车道荷载频遇值引起的加劲梁最大上拱为1.945m，最大下挠为3.625m，相应挠跨比为1/485，竖向刚度满足《公路悬索桥设计规范》(JTG/TD65-05—2015)不宜大于跨度的1/250的要求。

在横向极限风荷载作用下，加劲梁跨中最大横向位移为7.429m，与跨度比值为1/237，横向刚度满足《公路悬索桥设计规范》不宜大于跨度的1/150的要求。

4.1.2结构强度

恒载状态下主缆轴力为344714kN，最不利组合主缆最大轴力为383874kN，按照极限状态法计算，主缆钢丝最大应力设计值974.6MPa，小于抗拉强度设计值1021.6MPa，满足规范要求。

恒载状态下普通吊索最大轴力为2215kN，最不利组合吊索最大轴力为2541kN，按照极限状态法计算，吊索钢丝最大应力设计值689.9MPa，小于抗拉强度设计值804.5MPa，满足规范要求。

活载作用下加劲梁最大正、负弯矩分别为59218kN·m和31959kN·m；横向极限风作用下加劲梁最大横向弯矩为577071kN·m。最不利组合下，加劲梁竖向最大拉应力为109MPa，最大压应力为79MPa；横向最大拉应力为135MPa，最大压应力为138MPa。加劲梁强度满足规范要求。

恒载状态下单塔柱塔根轴力为711036kN。最不利工况组合下单塔柱塔根纵向、横向弯矩分别为965239kN·m和1144923kN·m。按照极限状态法计算，桥塔塔柱的截面承载力、裂缝宽度均满足规范要求。

4.2 抗风计算及试验研究

大跨度悬索桥属于相对柔性结构，在风荷载作用下容易发生动力失稳。南京仙新路长江大桥主桥跨度大、桥塔高，是典型的柔性风敏感结构，为确保主桥具备良好的气动稳定性，在主桥设计过程中，对其动力特性及抗风性能进行了深入的理论和试验研究。

4.2.1风参数

根据实测资料推算桥位处设计基本风速Us10为31.2m/s，根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)计算得到南京仙新路长江大桥主要风参数见表1。

4.2.2结构动力特性

采用ANSYS软件建立主桥有限元模型，对主桥的动力特性进行计算，主桥前30阶内有代表性的加劲梁模态见表2。

4.2.3风洞试验

对南京仙新路长江大桥进行了1∶50的颤振、涡振节段模型风洞试验，1∶140的全桥气弹模型风洞试验以及1∶20大比例尺节段模型涡振性能风洞试验。试验主要结论如下：

(1)颤振性能

节段模型风洞试验结果表明，加劲梁断面设置0.67m高中央稳定板+风嘴处1.0m宽水平稳定板措施下，颤振临界风速为70.7m/s，大于颤振检验风速60.3m/s；施工状态颤振临界风速为50.6m/s，大于颤振检验风速48.2m/s。

全桥气弹模型风洞试验结果表明，大桥颤振临界风速为85.2m/s、静风失稳临界风速为108.9m/s，分别显著高于颤振检验风速60.3m/s、静风稳定性检验风速61.6m/s；施工状态颤振临界风速为56.2m/s，大于颤振检验风速48.2m/s。

因此，大桥的颤振稳定性满足规范要求。

(2)涡振性能

节段模型风洞试验结果表明，加劲梁涡振性能对加劲梁气动外形较为敏感。

在小阻尼比情况下，加劲梁断面在0.67m高中央稳定板+风嘴处1m宽水平稳定板气动措施下，0°、±3°、±5°五种攻角下的竖向、扭转涡振响应已经完全被抑制，加劲梁具有良好的抗涡振性能。

大比例尺节段模型风洞试验结果表明：

①大攻角、小阻尼比情况下加劲梁具有良好的抗涡振性能，进一步说明该桥具备一定的阻尼储备。加劲梁节段模型涡振性能风洞试验结果表明，最大涡振振幅对阻尼比较为敏感，随着阻尼比增大，最大涡振振幅会迅速下降，根据既有大跨度桥梁的运维经验，随着桥梁服役时间的延长，阻尼比会逐渐减小，因此为大桥预留阻尼储备，对保证大桥在长期服役期间具有良好的抗涡振性能意义重大。

②桥上水马对涡振响应有不利影响，在桥梁运营检修期间，不应将水马置于靠近边防撞护栏的位置。

(3)驰振性能。通过节段模型风洞试验测试了成桥状态和施工状态加劲梁的静力三分力系数，其升力系数和力矩系数曲线的斜率在较大攻角范围内为正，不具备发生驰振的条件。

5 结语

南京仙新路长江大桥是仙新路过江通道的控制性工程，大桥跨度大、宽度窄，整体相对较为轻柔，结构抗风、景观及桥面疲劳性能要求较高。该桥主缆采用新研制的标准抗拉强度2100MPa高强钢丝，节省了主缆材料用量，降低了工程造价；主索鞍采用宽槽单纵肋铸焊结合结构，改善了焊接条件，提高了制造质量；桥塔上横梁采用预应力混凝土外包N字造型钢结构，兼顾结构受力和建筑造型，景观效果独特，地标性强；加劲梁正交异性顶板与U肋之间采用双面埋弧全熔透焊接，提高了结构疲劳性能；在加劲梁上设置0.67m高中央稳定板、两侧风嘴处设置1m宽水平稳定板，提高了大桥的颤振、涡振等抗风性能，并预留一定的阻尼储备。

南京仙新路长江大桥2020年3月开工建设，计划2024年12月建成通车。

本文转自《桥梁建设》——南京仙新路长江大桥主桥结构设计，作者：肖海珠，高宗余，陆勤丰，唐贺强，于俊杰；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！

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