宜昌至喜长江大桥大江桥设计研究

2020-10-23代明净周昌栋曾德礼赵元炎

交通科技 2020年5期

代明净周昌栋曾德礼赵元炎

(1.伍家岗长江大桥项目建设现场指挥部宜昌 443000； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉 430034；3.中铁大桥科学研究院有限公司武汉 430034)

宜昌至喜长江大桥位于葛洲坝坝址下游约2.7 km处，由于受大江、二江汇流的影响，桥区附近河段流态较为复杂，大江航道位于葛洲坝水利枢纽右侧，桥址断面通航水深条件较好，其地理位置航拍图见图1。

图1 宜昌至喜长江大桥地理位置

根据大桥通航净空尺寸和技术要求论证的成果，拟选桥位位于葛洲坝枢纽近坝河段，受葛洲坝枢纽人工调度的影响，桥区河段水流流速变化较大，流态较差，通航环境非常复杂，属于敏感性河段，同时桥位处于长江宜昌中华鲟自然保护区核心区内，根据湖北省水产局、湖北省环保局对本项目的批复结果，葛洲坝枢纽附近的水中不宜修建墩柱。综合桥位处通航及环保的要求，结合本桥桥位处的水域宽度，大江桥选定为838 m单跨过江的方案。主塔桥墩基础都修建在河道的坡顶，既满足通航和环保部门的要求，也便于施工。

1 桥式方案及主梁结构形式选择

1.1 桥式方案比选

对于主跨838 m的桥梁，可选取的桥梁类型为斜拉桥和悬索桥[1]。下文针对这2种桥型进行研究比选。

近年来，斜拉桥技术得到飞速发展，从国内外已建成的斜拉桥看，采用主跨838 m的斜拉桥结构在技术层面上是可行的[2]。大江桥斜拉桥方案桥式立面和两岸接线工程平面布置见图2。

图2 斜拉桥方案桥式立面和两岸接线工程平面布置图(单位：m)

大江桥南岸与江南立交连接，主塔以外约27 m处桥面逐渐加宽并分离出上、下桥匝道，北岸与西坝立交连接，主塔以外约75 m处桥面逐渐加宽并分离出上、下桥匝道。结合桥式立面和平面布置图来看，斜拉桥方案边跨背索会与匝道路面交叉。另外，斜拉桥边跨全部位于两岸陆地上，且主梁离地面较低，而斜拉桥索塔较高，景观效果很差。因此斜拉桥结构不适合。

悬索桥方案跨越能力强，线形流畅，景观效果好。结合大江桥两岸地形、主墩位置，以及接线工程平面布置，悬索桥南主缆背缆跨度为250 m(无吊索)，北主缆背缆跨度为215 m(无吊索)，南锚碇位于江南立交匝道主线与匝道之间的空地上，北锚碇位于西坝立交主线与匝道之间的空地上，锚碇位置合适。桥址处地质条件好，基岩埋置浅，锚碇基础可采用扩大基础，施工方便，工期短，造价省。从工程技术与经济性方面考虑，此处适合修建悬索桥。

同时，在宜昌市主城区至喜长江大桥下游4.9 km处为夷陵长江大桥，该桥为斜拉桥。从景观方面考虑，大江桥也适合采用悬索桥方案，可做到一桥一景。经比选，大江桥采用主缆跨度布置为250 m+838 m+215 m=1 303 m。中跨矢高83.8 m，矢跨比为1/10。

1.2 主梁结构形式选择

本桥为主跨838 m的悬索桥，主梁结构形式选择是设计的关键点之一，根据本桥的跨度特点，主梁主要考虑钢箱梁、组合梁等2种形式。

钢箱梁目前主要采用正交异性板桥面结构，易出现疲劳损伤，目前宜昌长江大桥、武汉军山大桥、舟山西堠门大桥的正交异性桥面板的U肋疲劳开裂均较严重[3]。同时相比组合梁的混凝土桥面铺装，钢箱梁的桥面铺装耐久性较差，维护成本较高。组合梁和钢箱梁方案的综合比较见表1。

表1 组合梁和钢箱梁主梁方案综合比较表

综合对比分析本桥采用钢箱梁悬索桥和组合梁悬索桥的优劣点，认为钢板梁悬索桥方案与钢箱梁悬索桥方案均可行，考虑到运营期维护管养频率对城市交通的影响及成本因素，经综合比选，最终采用组合梁悬索桥方案。

2 主桥结构设计

2.1 结构总体布置

大江桥主桥为单跨838 m悬索桥，主梁采用钢-混结合梁，主缆桥跨布置为250 m+838 m+215 m，立面布置示意见图3。主梁采用的支承体系为：在主塔处上、下游均设纵向活动支座；主梁与主塔间上、下游均设置侧向抗风支座；主梁端部纵向与主塔间设液压阻尼器；主缆跨中设置中央短斜索(中央扣)来形成缆梁固结。这一方案有效地提高了大桥的扭转刚度，反对称扭转频率提高约20%。

图3 大江桥立面布置图(单位：m)

2.2 加劲梁

加劲梁采用钢-混凝土结合梁的组合截面，见图4。2片纵梁间距26 m，吊索设在纵梁腹板中心位置。纵梁腹板在吊点处加厚，从顶板穿出，作为吊索锚拉板。车行道布置在吊索内侧，采用混凝土桥面。混凝土桥面板通过设在纵、横梁顶板上的剪力钉与纵横梁连接成为整体。

图4 加劲梁结构图(单位：cm)

2.3 主塔

主塔采用门形框架结构，分别由塔座、塔柱、上横梁及支墩4部分组成，除上横梁采用预应力钢筋混凝土结构外，其他部分均采用钢筋混凝土结构。主塔顶高程为+163.5 m，塔底高程为+56.5 m，塔高107 m。两塔柱的横向中心间距在塔顶为33.0 m，在塔底为35.0 m。塔柱横向内侧壁竖直，间距28 m，外侧塔呈1∶53.5的坡度。

2.4 主缆和吊索

全桥共设置2根主缆，中跨两主缆中心横向间距为26.0 m。每根索股由127丝直径5.2 mm、公称抗拉强度为1 770 MPa的镀锌铝合金高强钢丝组成。每根主缆通长索股由127股索股组成，西坝侧主缆轴力较大，设计在该边跨增加4股同规格索股，共131股组成。单根索股无应力长约1 387.0 m，重约294 kN。中跨主缆索夹外直径约为74 cm。

吊索采用高强平行钢丝，钢丝标准强度为1 770 MPa。吊点中心纵向间距16.0 m。主塔中心到最近吊点中心的距离均为19.0 m。每吊点布置2根吊索。吊索截面均由151根直径5 mm高强平行钢丝组成。上、下两端均采用销接式，锚头采用热铸锚。与吊索相对应，索夹采用销接式结构，上、下两半的结构形式，用高强螺杆连接紧固；材料采用ZG20SiMn。

2.5 鞍座

主索鞍为铸焊组合结构，采用肋传力结构型式。鞍头采用铸钢ZG275-485H铸造，鞍身采用Q345R钢焊接而成。为减轻运输吊装重量，施工时将边塔主鞍鞍体分成两半，吊至塔顶后用高强螺栓拼接起来。点军侧主索鞍结构示意见图5。

图5 大江桥塔顶主鞍座结构示意图(单位：cm)

散索鞍采用摆轴式结构，为铸焊组合式。鞍槽用铸钢铸造，鞍体由钢板焊成，铸钢材料为ZG275-485H。点军侧散索鞍结构示意见图6。

图6 大江桥散索鞍结构示意图(单位：cm)

2.6 锚碇

大江桥点军侧锚碇采用重力式嵌岩锚[4]，锚锭长度为46.6 m、宽度为52.0 m、高度为33.37 m，依靠锚碇基础前端对基岩的承压来平衡锚碇对水平力的抗力。西坝侧锚碇采用重力式锚锭，锚碇基础采用外径60 m、壁厚1.2 m、深26.8 m的的圆形地下连续墙作为支护结构，地下连续墙总长184.5 m。锚碇基础由地连墙、帽梁、内衬、底板及填芯混凝土组成。锚固系统采用型钢锚固系统，由后锚梁和锚杆组成。

3 主要技术特点

3.1 钢-混结合梁设计

大江桥为主跨838 m悬索桥，为解决钢箱梁桥面铺装耐久性差的难题，大江桥加劲梁采用了钢-混结合梁[5]，结合梁的桥面板采用混凝土板，桥面铺装直接铺设于混凝土板上，铺装层与混凝土桥面板黏结性好，铺装层更易于施工与养护，铺装层的寿命长，从全寿命周期成本比较，钢-混结合梁较钢箱梁造价低，是经济耐久型设计[6]。

通过抗风研究，编制了《宜昌庙嘴长江大桥抗风性能研究总研究报告》，初步设计阶段的主要抗风研究工作为大江桥的 1/50 小比例加劲梁节段模型风洞试验，重点研究加劲梁的颤振稳定性和涡激共振性能，根据试验结果，大江桥采用设置中央扣索，气动措施“两道1/4下稳定板(下缘与检修轨道高度齐平)”后，各来流风攻角下的颤振临界风速满足要求[7]。

3.2 锌铝合金镀层钢丝的应用

大江桥主缆首次采用锌铝合金镀层钢丝，并进行了《宜昌庙嘴长江大桥大跨度悬索桥主缆系统耐久性设计研究》的专题研究，研究表明：锌铝合金镀层钢丝比传统的镀锌钢丝有更好的耐蚀性能，镀层均匀致密、韧性好、结合力强，有利于桥梁缆索在制造加工、运输、施工架设过程中镀层的保护。

采用锌铝合金镀层钢丝缆索后主缆只增加了5%的材料成本，但其使用寿命比传统镀锌缆索有明显的提高，是一种经济性好、环保节能的缆索材料。目前国内外的悬索桥主缆一般采用标准强度1 670 MPa和1 770 MPa 的热镀锌钢丝索股。韩国于本世纪初开发出了标准抗拉强度达到1 860 MPa和1 960 MPa 的锌铝合金镀层钢丝索股，并将其应用于韩国的光阳大桥和蔚山大桥。宜昌至喜长江大桥大江桥主缆锌铝合金镀层钢丝为国内悬索桥率先采用。

3.3 严格的环保设计理念

桥址位于葛洲坝下游2.7 km处，处中华鲟自然保护核心区内，为了满足工可阶段环评报告及有关环保规定的相关要求，大桥的设计方案采用了一系列的环保设计，尽可能减小桥梁施工及运营期对中华鲟的不利影响。大江桥采用一跨过江的大跨度悬索桥方案，2个主塔墩均设置在岸边上，避免桥墩涉水施工对中华鲟栖息繁殖的不利影响。桥面永久照明采用定向照射无灯杆的LED护栏灯[8]。LED护栏灯使用冷发光技术，该技术使灯光发热量小，光束集中稳定，可最大限度地减小桥梁运营期间桥位处光环境对中华鲟生活的不良影响。大桥设置雨水、污水收集系统，集中处理排放,大桥涂装全部采用环保材料。

4 施工技术创新

本项目西坝锚碇基础采用圆形地下连续墙加内衬的支护形式，连续墙的外径为60 m，墙厚1.2 m，地质情况复杂，地层中10余m厚的卵石夹漂石层有强透水性，开挖成槽时易坍塌，创造性地采用了注浆稳固卵石层，旋挖钻引孔、成槽机取土的方法施工覆盖层，底部基岩施工采用冲击成孔、方锤修槽的方法，成功解决了地连墙的成槽施工难题[9]。西坝锚碇前期施工过程中受到征地拆迁等因素影响，致使其工期较江南侧及主塔滞后2个多月，本项目提出了在西坝锚碇散索鞍支墩前面设置猫道承重索转向支架，首创性地将猫道与西坝锚碇同步进行施工，为解决猫道架设完成后的线形与设计线形存在一定的偏差，首次采用了对猫道进行整体线形调整技术。调整后猫道线形与设计吻合，为后续主缆施工提供了安全便利的操作环境，保证了施工安全并提高了施工效率[10]。