南京南部新城位於南京主城區東南方向。承天大道處在南京南部新城南北發展軸線上，全長約2.49km。承天大道跨外秦淮河大橋（以下簡稱承天大橋），是承天大道的控制性節點工程。南側引橋下穿京滬高鐵、仙西聯絡線，北引橋和繞城公路相交而過。承天大道工程是南京市“三年打通斷頭路”的重要工程，也是南京南部新城的“主城之門”，對緩解卡子門、雙橋門立交擁堵，改善主城東南部路網，推動新城建設具有重要意義。
重要的交通節點
承天大道北起應天東街、南至江寧區界。路線總體呈南北走向。道路自北向南與應天東街、機場路，機場二、三、四、五、七路，繞城公路、地鐵五號線試車線、秦淮河、規劃寧蕪貨線、仙西聯絡線、京滬高鐵、土城頭路交叉。
圖1 橋位佈置圖
由於大橋所處河段蜿蜒曲折，而且既有跨河橋樑眾多，根據防洪防汛的需要，並結合水利設施建設的需求，該橋採用了一跨過河橋跨佈置設計，滿足了各方的需求。承天大橋全長約157m，紅線寬42m,拱高分別為46m和35m。結構類型為下承式空間多索麵異型系杆拱橋、鋼結構總重約7500噸。北側引橋上部結構採用預應力鋼筋混凝土箱梁，南側引橋上部結構為預製小箱梁，人非橋上部結構採用鋼箱梁。
大橋於2018年10月正式開工，2018年12月完成兩岸主墩樁基施工，2019年4月完成下部結構施工，2019年10月開始進行水中支架搭設，2019年12月26日主箱梁已拖拉就位， 2020年5月底完成大橋主體施工並拆除水中支架，目前正在開展大橋二層慢行系統及橋樑附屬設施的施工。
圖2 承天大橋效果圖
聚山水之靈氣
承天大橋，橫跨秦淮河岸，南側穿越京滬高鐵，北側緊鄰繞城公路，連接城市CBD和生態公園，是南部新城重要門戶和城市地標。
南部新城位居“將軍山”“方山”“青龍山”“紫金山”4座山巒的中央，得天獨厚的地理位置，給了該橋設計以充分的靈感，將四山的剪影交匯於此，演化出橋的主體結構。大橋的4個三角拱象徵匯聚的4座山，賦予了承天大橋穩定的結構和充滿張力的形象。流動的線條漂浮於秦淮河上，遠遠望去，“如畫山水”。承天大橋的輪廓延續了南部新城完整而躍動的城市天際線，為城市景觀增添新高潮。
圖3 山水包容的承天大橋
承天大橋創新採用雙層人非結構，人行、非機動車、機動車在這裡被有效地隔離開，互不干擾。上層通道給行人提供安全舒適的步行環境、休息座位以及全景觀景臺，行人能夠欣賞到外秦淮河全景；下層通道給非機動車提供高效、安全、視野開闊的騎行環境，同時無阻礙觀賞秦淮河風光。
圖4 雙層人非結構
承天大道橋樑沿線串聯機場跑道公園、預留白地、河頭溼地公園等多個城市公園綠地和公共活動設施，運用整體景觀的設計手法，將承天大道橋樑打造成一條貫通南北、串聯城市各個重要功能的生態綠線，一條縫合城市空間的“生態綠線”，還城市以“綠水青山”的南北軸線，創造一個立體、宜人的立體城市慢行空間。承天大橋是兩岸景觀的延續，連接了被道路、河流切斷的城市空間，這條總長達1.3公里的大橋，不僅滿足了交通通行，同時也是一個立體線性公園，在這裡可以登高遠望，觀賞秦淮風光、充滿生機的城市生態公園、摩登的城市天際線……
圖5 承天大橋全景圖
設計難點及特色
為實現大橋設計的美學創意和理念，經各方多輪研究、推敲，最終確定了承天大橋採用空間多索麵剛性系杆拱結構，主橋為單孔157m，主拱採用鋼箱拱，主樑採用正交異性板扁平鋼箱梁，橋面寬度為42m。主橋為非對稱拱橋，拱肋採用四邊形鋼箱拱，通過包封板外觀形成六邊形異形拱肋，拱軸線採用直線、圓曲線組成。
該橋為異型系杆拱橋，在實際工程中具有外觀新穎、造價合理的特點。主要結構特點為：下承式空間三索麵；異型非對稱拱軸線；無橫撐內傾斜靠式拱肋；主樑採用扁平鋼箱梁，剪力滯效應明顯。
其結構主要優點為：結構形式為拱-梁無推力組合體系，下承式系杆拱橋，有效降低了橋樑對地基和基礎的要求；橋面系主要承受彎矩，吊杆將作用在橋面上的荷載傳遞到拱肋，具有非保向力作用，提高了拱結構的橫向穩定性；拱肋形式多變，造型優美，充分利用了材料性能，同時極具韻律、動態之美，是當代橋樑力學與美學的高度和諧。
其主要的難點以及應對措施如下——
採用多種計算模型驗證結構安全性
採用空間有限元軟件midas Civil對該橋進行單梁模型和梁格法計算，通過多方面對比，保證結構強度、剛度及穩定性方面均滿足結構安全需求。同時為後續我國類似複雜結構橋樑的設計、建設提供一定的借鑑。
圖6 midas Civil有限元模型
拱拱交接處以及拱梁交接處節點設計
該橋設計的難點和重點之一就是拱肋之間的連接，經過專家的層層把關，最終設計為拱肋與拱肋交接處結構板之間焊接，內部通過共用橫隔板與腹板實現剛性連接，在不損傷方案外觀的情況下，保證結構的連接強度。
拱肋與鋼主樑的連接是該橋設計中的另一個難點。在拱肋與鋼箱梁交接處，拱肋側板深入主樑與主樑頂底板及橫隔板進行熔透焊接，同時拱肋頂底板與箱梁頂板熔透焊接，通過加勁與鋼主樑實現剛性連接。
吊杆與拱、梁交接點的設計
吊杆上下吊點均採用吊耳形式，上耳板與鋼箱拱內部隔板一一對應，與拱肋底板焊接；下耳板伸入鋼主樑箱室，通過加勁肋實現連接，保證結構安全的前提下最大限度降低施工難度。
橋面鋪裝與防腐的系統設計
由於橋樑的特殊結構和功能的緣故，本次橋面系統設計遠比常規橋樑要複雜得多，因此，橋面鋪裝設計也是一個難題。經多方案研究比選，結合南京三橋、南京四橋以及南京眼步行橋的最新研究成果，形成的最終方案為——
1.中分帶、側分帶：環氧富鋅漆塗裝+溶劑型橡膠防水粘結層+80mm富瀝青砂（撒預拌碎石）；
2.機動車道：溶劑型橡膠防水粘結層+3.5mm澆築式瀝青混凝土+4,5mm高彈改性瀝青混凝土；
3.下層非機動車道：0.5mm環氧樹脂防水防腐塗裝+4mm環氧樹脂陶粒鋪裝下層+6mm環氧樹脂陶粒鋪裝上層；
4.上層人行道：0.5mm環氧樹脂防水防腐塗裝+6mm環氧樹脂陶粒鋪裝層 。
本專項設計將鋼結構防腐、橋面排水、橋面鋪裝作為一個系統統籌研究，集成應用了國內近年來的最新成果，很好地解決了橋面鋪裝的問題。
耐久性設計
大氣環境及大氣汙染對金屬結構易造成腐蝕，腐蝕問題是金屬結構的大敵。對於鋼箱梁方案，鋼箱梁中鋼結構在斜拉橋結構中屬主要受力結構，更要高度重視防腐問題。防腐設計是延長橋樑使用壽命、節約維護費用和優化橋樑景觀的重要途徑。因此，該橋在耐久性設計方面，對比國內多座鋼橋的塗裝方案，規定詳細的塗裝場地要求、工藝要求、質量及檢測要求，滿足景觀需要的前提下同時滿足耐久性要求。
抗震設計
該橋在抗震設計方面，具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳力途徑，具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。對可能出現的薄弱部位，採取措施提高抗震能力，構件構造尺寸、鋼筋配置按抗震規範要求設計，採用球形抗震支座，同時設置阻止梁墩橫橋向相對位移的構造，以阻止梁墩間在地震力作用下產生的相對橫橋向位移。
抗風設計
抗風設計中，氣流繞過一般非流線型外形的橋樑結構時，會產生渦旋和流動的分離，形成複雜的空氣作用力。當橋樑結構的剛度較大時，結構保持靜止不動，這種空氣力作用只相當於靜力作用；當橋樑結構的剛度較小時，結構振動得到激發，這時空氣力不僅具有靜力作用，而且具有動力作用。該橋結構剛度較大，空氣作用力較小。在抗風細節設計中，拱肋結構外緣採用六邊形斷面，能有效控制風振影響，同時吊杆採用外層PE外表面需纏繞凸出的雙螺旋線，以減少風雨激振對吊杆的影響。
施工過程
大橋的施工難點來源於兩個方面。
第一，外秦淮河是通江河，是南京主城最重要的防汛“保護神”。每年的5月至9月，是南京主要的汛期，這個階段不允許在河道中設置任何有礙行洪的障礙。因此，大橋的水上施工時間也只有從每年的10月份至來年的4月份這短短的7個月時間。
第二，大橋結構複雜，構建尺寸多、斷面變化大，其加工因此而變得難度極大。同時，構建運輸條件差而導致工廠化生產條件降低，現場拼裝焊接的工作量加大。而作為一個景觀橋，其構建加工及拼裝精度要求又相對更高。
針對上述困難，參建各方開展“產學研”研究，採取具有創新性且紮實的有力措施，逐一破解難題，確保工程有序推進。
圖7 拆除水中支架後大橋全貌
首先，施工方案研究與設計方案同步跟進、互相配合，實現設計、施工無縫銜接。
在設計總體方案基本穩定的同時，參建各方即同步跟進，根據現場各種條件，進行施工方案的研究和比選，最終確定了“利用汛期完成鋼箱梁陸上運輸和支架上拼裝工作，利用一個枯水期完成水上支架搭設、鋼箱梁整體頂推就位、鋼箱拱節段水上運輸安裝並最終成橋的總體方案”。在這個方案的指導下，設計單位積極配合，在施工圖設計階段充分考慮其對施工的影響，在確保安全、規範的前提下，不斷優化設計，為施工創造了有利的條件。
其次，突出“智慧+”模式，廣泛採用BIM技術，破解複雜結構加工製造安裝難題。
承天大道跨外秦淮河橋造型優美但結構極為複雜，拱肋採用六邊形結構，拱與拱、拱與梁錯綜交叉，在廠內加工難度極大。針對特殊結構，必須採用特殊方法。項目選用優秀的設計團隊及專業的技術人員相對接，結合工程特點和現場實際，利用BIM技術，反覆研討、比較最優拼裝方案；以最優拼裝方案確定製造加工方案，科學拆解總體結構，深化細化板單元的製造加工圖紙。同時選用優秀的作業班組及經驗豐富的現場管理人員，統籌策劃、優化施工組織，實現設計與加工的無縫銜接，極大地提高施工效率，節約了建造成本。
該橋樑跨度大（157m）、橋面寬（42m）、噸位重（7500噸）、非常規造型，且現場地形複雜，支架設計難度大，施工風險高。項目創新採用“梁拱分離法”施工工藝，在詳細調查現場情況的基礎上，充分考慮鋼結構節段劃分、吊裝能力、通航要求等因素影響，突破分岸上支架、水中支架、拱肋支架等多個難點，並形成工藝工法，有效降低施工安全風險及支架設計難度。最終，成功完成157m鋼箱梁整體頂推，高質量地保證了總體工期的實現。
該橋的拱肋為非對稱結構、空間扭曲，線形控制難度大。項目多次與監控單位共同成立技術攻關小組，對鋼結構拼裝關鍵技術進行攻關研究監測。同時利用三維模型及空間測量模擬，深化設計，選取最佳拼裝順序及工況，對拱單元進行科學分段，選定空間位置參數，提升現場拼裝精度，確保結構線型滿足設計要求。
圖8 精細化三維模型指導施工
最後，以一次張拉為目標，準確採集現場結構各類參數，反覆演算支架拆除前後的受力變化結果，科學確定張拉力及張拉次序，真正實現了一次張拉到位。經檢測，梁、拱線性和索力均滿足設計要求。
圖9 承天大橋夜景圖
本文刊載 / 《橋樑》雜誌 2020年 第5期 總第97期
作者 / 濮衛
作者單位 / 南京市公共工程建設中心
