宜昌廟嘴長江大橋大江橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)

張曉勇 舒思利 易倫雄

（中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056）

1 工程概況

宜昌市廟嘴長江大橋位于葛洲壩下游2.7 km處，距夷陵長江大橋4.9km。長江經(jīng)葛洲壩后被西壩分割為大江和三江，西壩長約3.4km，尾部為廟嘴，兩江經(jīng)過廟嘴后回流。廟嘴長江大橋工程連接宜昌市江南片區(qū)、西壩區(qū)及江北主城區(qū)，起于東岳二路，沿線跨江南大道、跨越大江，穿西壩區(qū)、跨越三江，跨沿江大道、止于西陵二路，全長3 229.681m。橋址位于葛洲壩水利樞紐下游近壩河段，樞紐下泄水流條件十分復(fù)雜，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的選址規(guī)定，在此建橋要求一跨過江。同時(shí)橋址位于長江中華鱘自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)水產(chǎn)部門和環(huán)保部門的要求，水中亦不適合設(shè)置橋墩。據(jù)此，結(jié)合大江橋橋位處的水域?qū)挾燃皟砂妒杞馄矫娌贾?，?jīng)過橋梁方案比選，大江橋采用跨度布置為250m＋838m＋215m的單跨簡支鋼板結(jié)合梁懸索橋［1］，大江橋立面布置見圖1。

圖1 廟嘴長江大橋大江橋立面布置（單位：m）

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級。城市主干路，雙向6車道。

（2）設(shè)計(jì)車速。60km／h。

（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)。汽車荷載城A級荷載；人群荷載2.875kN／m2。

（4）橋面縱坡。點(diǎn)軍側(cè)坡度1.5%，西壩側(cè)坡度2.3%，橋面最高點(diǎn)位于橋跨中心；橋面橫坡：雙向2%。

（5）凈空標(biāo)準(zhǔn)。橋面凈空不小于5m。

（6）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期。100年。

3 總體布置

3.1 矢跨比

本橋?yàn)閱慰珉p鉸懸索橋，主纜跨度布置為250 m＋838m＋215m。成橋狀態(tài)主纜中跨矢跨比為1／10，跨中處主纜中心點(diǎn)設(shè)計(jì)高程為＋82.7m，塔頂處主纜中心理論交點(diǎn)高程為＋166.5m，點(diǎn)軍側(cè)主纜理論散索點(diǎn)高程為＋72.0m，西壩側(cè)主纜理論散索點(diǎn)高程為＋63.5m。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

主梁采用的支承體系為：在主塔處上、下游均設(shè)縱向活動支座；主梁與主塔間上、下游均設(shè)置側(cè)向抗風(fēng)支座；主梁端部與主塔間設(shè)縱向液壓阻尼器。

3.3 橫斷面布置

橋面寬31.5m，設(shè)雙向6車道，兩側(cè)設(shè)人行道。車行道防撞護(hù)欄和人行道欄桿之間設(shè)吊索錨固區(qū)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主纜

主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股（PPWS）法形成。全橋共2根主纜；每根主纜有127股通長索股；西壩側(cè)邊跨主纜內(nèi)力大，每根主纜增設(shè)4根同規(guī)格背索索股，錨在主索鞍上。每根索股由127根直徑為5.2mm的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770MPa。索股用定型捆扎帶綁扎而成，使其斷面成正六邊形，兩端設(shè)熱鑄錨頭。在主要荷載組合作用下，主纜安全系數(shù)不小于2.5。中跨2根主纜橫向間距為26.0m。根據(jù)線路總體布置，點(diǎn)軍側(cè)散索點(diǎn)橫向間距調(diào)整為34m，西壩側(cè)散索點(diǎn)橫向間距調(diào)整為28m。

4.2 吊索與索夾

全橋共設(shè)51對吊索，吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)間距為16m，端部吊點(diǎn)至主塔中心的距離為19m。每一吊點(diǎn)設(shè)置2根吊索，全橋共204根吊索。每根吊索由151根直徑為5.0mm的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770MPa，設(shè)計(jì)安全系數(shù)不小于3.0，兩端采用銷接式熱鑄錨頭。吊索外擠包8mm厚雙護(hù)層PE進(jìn)行防護(hù)，PE內(nèi)層為黑色，外層為彩色。長度小于20m的吊索，在其上下端銷軸處設(shè)置能橫向轉(zhuǎn)動±3°的軸承，以適應(yīng)在橫向風(fēng)力作用下主纜與加勁梁的橫向位移差所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，并改善其疲勞性能。長度大于20 m的吊索，在吊索中部設(shè)置減振架，減振架將一個吊點(diǎn)的2根吊索互相聯(lián)系，以減小吊索的風(fēng)致振動。在距橋跨中心16m的前后2個吊點(diǎn)處設(shè)置柔性斜扣索，形成纜梁聯(lián)結(jié)。全橋共有8根斜扣索；每根扣索由61根高強(qiáng)平行鋼絲組成，采用與吊索相同的雙層PE防護(hù)，鋼絲技術(shù)要求也與吊索鋼絲相同?？鬯魃隙瞬捎娩N接式熱鑄錨頭，下端采用承壓式熱鑄錨頭。

索夾采用上下對合的結(jié)構(gòu)形式，用縮腰形的M42高強(qiáng)螺桿連接緊固。索夾壁厚均為35cm，材質(zhì)為ZG20Mn鑄鋼。連接吊索的索夾根據(jù)索夾長度不同分為8組，同一組索夾耳板銷孔位置略有變化，以適應(yīng)索夾傾角的變化。距橋跨中心16m處吊點(diǎn)的索夾與吊索和斜扣索連接。

4.3 主索鞍

主索鞍采用鑄焊結(jié)合結(jié)構(gòu)；鞍頭用ZG270－480H鑄鋼鑄造，鞍身由Q345R鋼板焊成。主索鞍結(jié)構(gòu)見圖2。主索鞍長5.7m，寬2.8m，高3.25m，主纜中心線處鞍槽半徑6.5m。鞍槽內(nèi)各列索股間設(shè)豎向隔板以增加主纜與鞍槽間的摩阻力并方便索股定位。在索股全部就位并調(diào)股后，在頂部用鋅質(zhì)填塊填平，再將鞍槽側(cè)壁用螺栓夾緊。主索鞍設(shè)頂推反力裝置，鞍體下設(shè)不銹鋼板－聚四氟乙烯板滑動副，以便于鞍座頂推。西壩側(cè)主索鞍設(shè)錨梁，用于錨固邊跨增加的4根背索索股。塔頂設(shè)有鋼格柵，用于安裝主索鞍。鋼格柵向邊跨側(cè)懸出塔頂以外；懸出部分設(shè)頂推反力架，以便安置控制鞍體移動的千斤頂。主索鞍就位后，通過鎖定板固定鞍體，再割除格柵的懸出部分。為減輕吊裝運(yùn)輸重量，將鞍體沿豎直面分割成前后2件，每件重量控制在45t以下，吊至塔頂后用高強(qiáng)度螺栓拼接整體。

圖2 主索鞍結(jié)構(gòu)（尺寸單位：mm）

4.4 散索鞍

散索鞍為擺軸式結(jié)構(gòu)，采用鑄焊結(jié)合的形式，鞍槽用ZG270－480H鑄鋼鑄造，鞍身由Q345R鋼板焊成。散索鞍結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 散索鞍結(jié)構(gòu)（單位：mm）

理論散索點(diǎn)到散索鞍底混凝土面的距離為5.0m。鞍槽底最低處豎彎半徑從邊跨向錨跨分3次變化，半徑分別為7.0，5.0和3.0m；鞍槽側(cè)壁的平彎半徑為9.1m。

為增加主纜與鞍槽間的摩阻力和方便索股定位，鞍槽內(nèi)設(shè)豎向隔板。隔板適應(yīng)散索線形，由邊跨到錨跨逐漸變厚。在索股全部就位并調(diào)股后，在頂部用鋅塊填平，上緊壓板及楔形塊等壓緊設(shè)施，再將鞍槽側(cè)壁用螺桿夾緊。

4.5 錨固系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)采用鋼構(gòu)件錨固體系，由后錨梁和錨桿組成。后錨梁埋于錨碇混凝土內(nèi)，錨桿一端連接在后錨梁上，另一端伸出錨體，與主纜索股相連接［2］。索股拉力通過錨桿傳遞到后錨梁，再通過后錨梁的承壓面?zhèn)鬟f到錨碇混凝土。后錨梁由2片［形梁通過綴板連接而成。錨桿采用H形截面，置于后錨梁的2片［形梁之間，2塊翼板與后錨梁2片［形梁的腹板焊接，錨桿內(nèi)力通過該焊縫傳遞給后錨梁。為了避免由于錨桿與錨體混凝土之間的粘結(jié)而導(dǎo)致錨桿周圍混凝土受拉開裂，在錨體混凝土澆注前，用超低模量高伸長率聚硫防腐密封膠蓋裹于錨桿外圍，再澆筑錨體混凝土。

4.6 加勁梁設(shè)計(jì)

加勁梁采用板式結(jié)構(gòu)的鋼－混凝土結(jié)合梁，由鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合而成，斷面布置見圖4。加勁梁全寬33.2m，中心線處梁高3.08m，頂面設(shè)坡度為2%的雙向橫坡。鋼梁采用Q345qD鋼材，分段制造、安裝；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為16.0m，節(jié)段間采用熔透對接焊連接?；炷翗蛎姘宀捎肅60混凝土，厚度為22cm，橫向?qū)?5m。

混凝土橋面板通過圓柱頭剪力釘與鋼梁結(jié)合共同受力。橋面板分塊預(yù)制，橫向分2塊，縱向每個橫梁間隔1塊，濕接縫處現(xiàn)澆C60微膨脹混凝土與鋼梁結(jié)合。預(yù)制橋面板標(biāo)準(zhǔn)平面尺寸為2.64 m×11.74m，邊緣開有鋸齒狀剪力槽。

圖4 1／2吊點(diǎn)處橫梁截面（尺寸單位：mm）

4.7 主塔設(shè)計(jì)

主塔作為懸索橋的主要傳力構(gòu)件，其基本功能是滿足結(jié)構(gòu)受力要求，在此基礎(chǔ)上由于其高聳的形象引人注目，起著象征、標(biāo)志的作用，是懸索橋景觀設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。懸索橋主塔不僅要運(yùn)用結(jié)構(gòu)學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足交通使用的要求，還要運(yùn)用美學(xué)原理進(jìn)行構(gòu)思，展現(xiàn)鮮明的地域文化特征，滿足人們觀賞的要求。大江橋主塔基本形態(tài)為門形框架，但采用一種別致新穎的構(gòu)建方式，集中突出“山石”的造型特征，反映宜昌的山水文化。主塔外形效果見圖5。

圖5 主塔效果圖

主塔由塔柱和上橫梁組成。塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上橫梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主塔高107.0m，塔頂高程為＋163.5m。2塔柱內(nèi)側(cè)壁豎直，外側(cè)壁沿高度呈1∶53.5的坡度，塔柱間橫向凈距28m；采用梯形單箱雙室變截面，內(nèi)側(cè)縱向尺寸從塔頂7.5m漸變至塔底8.5m，外側(cè)縱向尺寸從塔頂6.5m漸變至塔底7.1m；橫向尺寸從塔頂5.0m漸變至塔底7.0m。上橫梁采用矩形箱形截面，中部8.0m為等截面，高8.5m，寬5.5m，壁厚均為1.0m；兩端各10.0m為變截面，高均為8.5m，寬由5.5m漸變?yōu)?.5 m，頂面和底面壁厚為1.0m，側(cè)面壁厚由1.0m漸變?yōu)?.5m。

5 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。自美國塔科瑪大橋風(fēng)毀事故后，對懸索橋加勁梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性研究引起了各國的重視。多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)者認(rèn)同板式加勁梁結(jié)構(gòu)因剛度小、抗扭能力差而容易出現(xiàn)顫振失穩(wěn)的觀點(diǎn)［3］?？癸L(fēng)穩(wěn)定性是板式加勁梁設(shè)計(jì)需要解決的重要問題。影響板式加勁梁懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的因素有加勁梁的扭轉(zhuǎn)能力、加勁梁截面形狀的氣動特性和結(jié)構(gòu)體系方面的制振措施。廟嘴長江大橋大江橋加勁梁采用了如下有利于抗風(fēng)的措施：①采用22cm厚的實(shí)心混凝土橋面板，扭轉(zhuǎn)剛度大，同時(shí)恒載重，重力剛度大，對抗風(fēng)有利；②鋼梁兩側(cè)設(shè)置風(fēng)嘴和橋面板下方距中心線7m處設(shè)置抗風(fēng)穩(wěn)定板，均改善了加勁梁的氣動外形；③在距橋跨中心16m的兩側(cè)吊點(diǎn)處設(shè)置斜扣索和在梁端設(shè)縱向阻尼器，有助于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系制振能力?？癸L(fēng)試驗(yàn)研究結(jié)果見表1。研究結(jié)果表明廟嘴長江大橋加勁梁顫振穩(wěn)定性滿足要求。

表1 全橋氣彈模型試驗(yàn)結(jié)果

（2）主纜耐久性設(shè)計(jì)。大江橋主纜防腐通過鋼絲表面鍍層、主纜表面防腐涂裝和注入干燥空氣除濕3道措施保證。主纜表面防腐涂裝采用“不干性密封膏＋圓形鋼絲纏絲＋聚硫橡膠包覆層＋防腐涂裝材料”，滿足《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術(shù)條件》（JT／T 69－2007）的技術(shù)要求；而主纜內(nèi)注入干燥空氣除濕通過設(shè)置專門的除濕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)已建成懸索橋的主纜鋼絲普遍采用鍍鋅層防腐；但已有研究認(rèn)為，鍍鋅鋁合金鋼絲耐腐蝕性好于鍍鋅鋼絲，且鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲在國外懸索橋主纜已有應(yīng)用實(shí)例，國內(nèi)僅泰州長江大橋主纜有1根索股試驗(yàn)性采用鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲。為使大江橋使用壽命更長，大江橋主纜在國內(nèi)首次全部采用鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲。

6 靜力計(jì)算結(jié)果

6.1 計(jì)算模型

采用非線性有限元軟件BNLAS建模進(jìn)行整體靜力分析和計(jì)算。主纜用懸鏈線索單元進(jìn)行模擬，吊索以膜單元進(jìn)行模擬，主塔、基礎(chǔ)和加勁梁用梁單元進(jìn)行模擬?？紤]加勁梁豎曲線、橋面橫坡等情況，邊界約束條件為：樁底固結(jié)；主纜在錨固點(diǎn)固結(jié)；加勁梁兩端約束豎向位移，橫向與塔柱連接。

6.2 荷載

（1）恒載。按各結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量取值。

（2）汽車活載。按公路－I級6車道加載計(jì)算，橫向折減系數(shù)0.55，縱向折減系數(shù)0.94。

（3）人群荷載?？傮w計(jì)算取2.875kN／m2，局部計(jì)算取4kN／m2。

（4）溫度荷載。參考橋址處平均最高氣溫、平均最低氣溫，并考慮結(jié)構(gòu)本身的升溫、降溫特征，選取鋼結(jié)構(gòu)體系升溫30℃，降溫－30℃，混凝土結(jié)構(gòu)體系升溫20℃，降溫－20℃。

（5）風(fēng)荷載。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG／T D60－01－2004）的規(guī)定，宜昌v10＝24.1 m／s，橋址處地表類別取為B類，參與汽車荷載組合的有車風(fēng)荷載基于橋面高度處的風(fēng)速vd＝25 m／s。其他構(gòu)件的風(fēng)荷載根據(jù)以上風(fēng)速按規(guī)范求取。

6.3 主要計(jì)算結(jié)果

（1）位移結(jié)果。加勁梁在活載作用下的最大豎向撓度和風(fēng)荷載作用下的最大橫向變形見表2。

表2 加勁梁撓度

活載和溫度作用下，梁端位移和塔頂縱向位移見表3。

表3 縱向位移 m

（2）應(yīng)力結(jié)果。加勁梁在恒載＋活載＋溫度組合作用下，混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為2.63 MPa，最大壓應(yīng)力為3.58MPa；鋼主梁最大拉應(yīng)力為105.47MPa，最大壓應(yīng)力為73.54MPa。主纜在恒載＋活載＋溫度組合作用下最大應(yīng)力為694.2MPa，安全系數(shù)為2.55。主塔主力組合作用下，最大壓應(yīng)力為16.44MPa，最小壓應(yīng)力為3.06MPa。主力＋附加力組合作用下，最大壓應(yīng)力為17.97MPa，最小壓應(yīng)力為1.06MPa。計(jì)算結(jié)果表明，上述各項(xiàng)應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

宜昌廟嘴長江大橋大江橋纜索在國內(nèi)首次全部采用鍍鋅鋁合金鋼絲，加勁梁采用鋼板梁與混凝土橋面板結(jié)合的板式結(jié)構(gòu)梁。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著重研究了懸索橋板式加勁梁抗風(fēng)穩(wěn)定性問題，采用的抗風(fēng)構(gòu)造措施簡單、有效，可為懸索橋加勁梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供借鑒。該橋于2012年11月開工建設(shè)，目前正在進(jìn)行加勁梁吊裝，計(jì)劃2015年12月建成通車。

［1］中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢市政設(shè)計(jì)研究院有限公司.宜昌市廟嘴長江大橋工程施工圖［Z］.武漢：中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

［2］唐賀強(qiáng)，曹洪武，萬田保.重慶寸灘長江大橋主橋設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2013，43（3）：71－76.

［3］徐恭義.板式加勁梁懸索橋［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.