代明凈 周昌棟 曾德禮 趙元炎

(1.伍家崗長江大橋項目建設(shè)現(xiàn)場指揮部 宜昌 443000； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034；3.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034)

宜昌至喜長江大橋位于葛洲壩壩址下游約2.7 km處，由于受大江、二江匯流的影響，橋區(qū)附近河段流態(tài)較為復雜，大江航道位于葛洲壩水利樞紐右側(cè)，橋址斷面通航水深條件較好，其地理位置航拍圖見圖1。

圖1 宜昌至喜長江大橋地理位置

根據(jù)大橋通航凈空尺寸和技術(shù)要求論證的成果，擬選橋位位于葛洲壩樞紐近壩河段，受葛洲壩樞紐人工調(diào)度的影響，橋區(qū)河段水流流速變化較大，流態(tài)較差，通航環(huán)境非常復雜，屬于敏感性河段，同時橋位處于長江宜昌中華鱘自然保護區(qū)核心區(qū)內(nèi)，根據(jù)湖北省水產(chǎn)局、湖北省環(huán)保局對本項目的批復結(jié)果，葛洲壩樞紐附近的水中不宜修建墩柱。綜合橋位處通航及環(huán)保的要求，結(jié)合本橋橋位處的水域?qū)挾龋蠼瓨蜻x定為838 m單跨過江的方案。主塔橋墩基礎(chǔ)都修建在河道的坡頂，既滿足通航和環(huán)保部門的要求，也便于施工。

1 橋式方案及主梁結(jié)構(gòu)形式選擇

1.1 橋式方案比選

對于主跨838 m的橋梁，可選取的橋梁類型為斜拉橋和懸索橋[1]。下文針對這2種橋型進行研究比選。

近年來，斜拉橋技術(shù)得到飛速發(fā)展，從國內(nèi)外已建成的斜拉橋看，采用主跨838 m的斜拉橋結(jié)構(gòu)在技術(shù)層面上是可行的[2]。大江橋斜拉橋方案橋式立面和兩岸接線工程平面布置見圖2。

圖2 斜拉橋方案橋式立面和兩岸接線工程平面布置圖(單位：m)

大江橋南岸與江南立交連接，主塔以外約27 m處橋面逐漸加寬并分離出上、下橋匝道，北岸與西壩立交連接，主塔以外約75 m處橋面逐漸加寬并分離出上、下橋匝道。結(jié)合橋式立面和平面布置圖來看，斜拉橋方案邊跨背索會與匝道路面交叉。另外，斜拉橋邊跨全部位于兩岸陸地上，且主梁離地面較低，而斜拉橋索塔較高，景觀效果很差。因此斜拉橋結(jié)構(gòu)不適合。

懸索橋方案跨越能力強，線形流暢，景觀效果好。結(jié)合大江橋兩岸地形、主墩位置，以及接線工程平面布置，懸索橋南主纜背纜跨度為250 m(無吊索)，北主纜背纜跨度為215 m(無吊索)，南錨碇位于江南立交匝道主線與匝道之間的空地上，北錨碇位于西壩立交主線與匝道之間的空地上，錨碇位置合適。橋址處地質(zhì)條件好，基巖埋置淺，錨碇基礎(chǔ)可采用擴大基礎(chǔ)，施工方便，工期短，造價省。從工程技術(shù)與經(jīng)濟性方面考慮，此處適合修建懸索橋。

同時，在宜昌市主城區(qū)至喜長江大橋下游4.9 km處為夷陵長江大橋，該橋為斜拉橋。從景觀方面考慮，大江橋也適合采用懸索橋方案，可做到一橋一景。經(jīng)比選，大江橋采用主纜跨度布置為250 m+838 m+215 m=1 303 m。中跨矢高83.8 m，矢跨比為1/10。

1.2 主梁結(jié)構(gòu)形式選擇

本橋為主跨838 m的懸索橋，主梁結(jié)構(gòu)形式選擇是設(shè)計的關(guān)鍵點之一，根據(jù)本橋的跨度特點，主梁主要考慮鋼箱梁、組合梁等2種形式。

鋼箱梁目前主要采用正交異性板橋面結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)疲勞損傷，目前宜昌長江大橋、武漢軍山大橋、舟山西堠門大橋的正交異性橋面板的U肋疲勞開裂均較嚴重[3]。同時相比組合梁的混凝土橋面鋪裝，鋼箱梁的橋面鋪裝耐久性較差，維護成本較高。組合梁和鋼箱梁方案的綜合比較見表1。

表1 組合梁和鋼箱梁主梁方案綜合比較表

綜合對比分析本橋采用鋼箱梁懸索橋和組合梁懸索橋的優(yōu)劣點，認為鋼板梁懸索橋方案與鋼箱梁懸索橋方案均可行，考慮到運營期維護管養(yǎng)頻率對城市交通的影響及成本因素，經(jīng)綜合比選，最終采用組合梁懸索橋方案。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)總體布置

大江橋主橋為單跨838 m懸索橋，主梁采用鋼-混結(jié)合梁，主纜橋跨布置為250 m+838 m+215 m，立面布置示意見圖3。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)向抗風支座；主梁端部縱向與主塔間設(shè)液壓阻尼器；主纜跨中設(shè)置中央短斜索(中央扣)來形成纜梁固結(jié)。這一方案有效地提高了大橋的扭轉(zhuǎn)剛度，反對稱扭轉(zhuǎn)頻率提高約20%。

圖3 大江橋立面布置圖(單位：m)

2.2 加勁梁

加勁梁采用鋼-混凝土結(jié)合梁的組合截面，見圖4。2片縱梁間距26 m，吊索設(shè)在縱梁腹板中心位置。縱梁腹板在吊點處加厚，從頂板穿出，作為吊索錨拉板。車行道布置在吊索內(nèi)側(cè)，采用混凝土橋面。混凝土橋面板通過設(shè)在縱、橫梁頂板上的剪力釘與縱橫梁連接成為整體。

圖4 加勁梁結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

2.3 主塔

主塔采用門形框架結(jié)構(gòu)，分別由塔座、塔柱、上橫梁及支墩4部分組成，除上橫梁采用預應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，其他部分均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主塔頂高程為+163.5 m，塔底高程為+56.5 m，塔高107 m。兩塔柱的橫向中心間距在塔頂為33.0 m，在塔底為35.0 m。塔柱橫向內(nèi)側(cè)壁豎直，間距28 m，外側(cè)塔呈1∶53.5的坡度。

2.4 主纜和吊索

全橋共設(shè)置2根主纜，中跨兩主纜中心橫向間距為26.0 m。每根索股由127絲直徑5.2 mm、公稱抗拉強度為1 770 MPa的鍍鋅鋁合金高強鋼絲組成。每根主纜通長索股由127股索股組成，西壩側(cè)主纜軸力較大，設(shè)計在該邊跨增加4股同規(guī)格索股，共131股組成。單根索股無應(yīng)力長約1 387.0 m，重約294 kN。中跨主纜索夾外直徑約為74 cm。

吊索采用高強平行鋼絲，鋼絲標準強度為1 770 MPa。吊點中心縱向間距16.0 m。主塔中心到最近吊點中心的距離均為19.0 m。每吊點布置2根吊索。吊索截面均由151根直徑5 mm高強平行鋼絲組成。上、下兩端均采用銷接式，錨頭采用熱鑄錨。與吊索相對應(yīng)，索夾采用銷接式結(jié)構(gòu)，上、下兩半的結(jié)構(gòu)形式，用高強螺桿連接緊固；材料采用ZG20SiMn。

2.5 鞍座

主索鞍為鑄焊組合結(jié)構(gòu)，采用肋傳力結(jié)構(gòu)型式。鞍頭采用鑄鋼ZG275-485H鑄造，鞍身采用Q345R鋼焊接而成。為減輕運輸?shù)跹b重量，施工時將邊塔主鞍鞍體分成兩半，吊至塔頂后用高強螺栓拼接起來。點軍側(cè)主索鞍結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 大江橋塔頂主鞍座結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

散索鞍采用擺軸式結(jié)構(gòu)，為鑄焊組合式。鞍槽用鑄鋼鑄造，鞍體由鋼板焊成，鑄鋼材料為ZG275-485H。點軍側(cè)散索鞍結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 大江橋散索鞍結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

2.6 錨碇

大江橋點軍側(cè)錨碇采用重力式嵌巖錨[4]，錨錠長度為46.6 m、寬度為52.0 m、高度為33.37 m，依靠錨碇基礎(chǔ)前端對基巖的承壓來平衡錨碇對水平力的抗力。西壩側(cè)錨碇采用重力式錨錠，錨碇基礎(chǔ)采用外徑60 m、壁厚1.2 m、深26.8 m的的圓形地下連續(xù)墻作為支護結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻總長184.5 m。錨碇基礎(chǔ)由地連墻、帽梁、內(nèi)襯、底板及填芯混凝土組成。錨固系統(tǒng)采用型鋼錨固系統(tǒng)，由后錨梁和錨桿組成。

3 主要技術(shù)特點

3.1 鋼-混結(jié)合梁設(shè)計

大江橋為主跨838 m懸索橋，為解決鋼箱梁橋面鋪裝耐久性差的難題，大江橋加勁梁采用了鋼-混結(jié)合梁[5]，結(jié)合梁的橋面板采用混凝土板，橋面鋪裝直接鋪設(shè)于混凝土板上，鋪裝層與混凝土橋面板黏結(jié)性好，鋪裝層更易于施工與養(yǎng)護，鋪裝層的壽命長，從全壽命周期成本比較，鋼-混結(jié)合梁較鋼箱梁造價低，是經(jīng)濟耐久型設(shè)計[6]。

通過抗風研究，編制了《宜昌廟嘴長江大橋抗風性能研究總研究報告》，初步設(shè)計階段的主要抗風研究工作為大江橋的 1/50 小比例加勁梁節(jié)段模型風洞試驗，重點研究加勁梁的顫振穩(wěn)定性和渦激共振性能，根據(jù)試驗結(jié)果，大江橋采用設(shè)置中央扣索，氣動措施“兩道1/4下穩(wěn)定板(下緣與檢修軌道高度齊平)”后，各來流風攻角下的顫振臨界風速滿足要求[7]。

3.2 鋅鋁合金鍍層鋼絲的應(yīng)用

大江橋主纜首次采用鋅鋁合金鍍層鋼絲，并進行了《宜昌廟嘴長江大橋大跨度懸索橋主纜系統(tǒng)耐久性設(shè)計研究》的專題研究，研究表明：鋅鋁合金鍍層鋼絲比傳統(tǒng)的鍍鋅鋼絲有更好的耐蝕性能，鍍層均勻致密、韌性好、結(jié)合力強，有利于橋梁纜索在制造加工、運輸、施工架設(shè)過程中鍍層的保護。

采用鋅鋁合金鍍層鋼絲纜索后主纜只增加了5%的材料成本，但其使用壽命比傳統(tǒng)鍍鋅纜索有明顯的提高，是一種經(jīng)濟性好、環(huán)保節(jié)能的纜索材料。目前國內(nèi)外的懸索橋主纜一般采用標準強度1 670 MPa和1 770 MPa 的熱鍍鋅鋼絲索股。韓國于本世紀初開發(fā)出了標準抗拉強度達到1 860 MPa和1 960 MPa 的鋅鋁合金鍍層鋼絲索股，并將其應(yīng)用于韓國的光陽大橋和蔚山大橋。宜昌至喜長江大橋大江橋主纜鋅鋁合金鍍層鋼絲為國內(nèi)懸索橋率先采用。

3.3 嚴格的環(huán)保設(shè)計理念

橋址位于葛洲壩下游2.7 km處，處中華鱘自然保護核心區(qū)內(nèi)，為了滿足工可階段環(huán)評報告及有關(guān)環(huán)保規(guī)定的相關(guān)要求，大橋的設(shè)計方案采用了一系列的環(huán)保設(shè)計，盡可能減小橋梁施工及運營期對中華鱘的不利影響。大江橋采用一跨過江的大跨度懸索橋方案，2個主塔墩均設(shè)置在岸邊上，避免橋墩涉水施工對中華鱘棲息繁殖的不利影響。橋面永久照明采用定向照射無燈桿的LED護欄燈[8]。LED護欄燈使用冷發(fā)光技術(shù)，該技術(shù)使燈光發(fā)熱量小，光束集中穩(wěn)定，可最大限度地減小橋梁運營期間橋位處光環(huán)境對中華鱘生活的不良影響。大橋設(shè)置雨水、污水收集系統(tǒng)，集中處理排放,大橋涂裝全部采用環(huán)保材料。

4 施工技術(shù)創(chuàng)新

本項目西壩錨碇基礎(chǔ)采用圓形地下連續(xù)墻加內(nèi)襯的支護形式，連續(xù)墻的外徑為60 m，墻厚1.2 m，地質(zhì)情況復雜，地層中10余m厚的卵石夾漂石層有強透水性，開挖成槽時易坍塌，創(chuàng)造性地采用了注漿穩(wěn)固卵石層，旋挖鉆引孔、成槽機取土的方法施工覆蓋層，底部基巖施工采用沖擊成孔、方錘修槽的方法，成功解決了地連墻的成槽施工難題[9]。西壩錨碇前期施工過程中受到征地拆遷等因素影響，致使其工期較江南側(cè)及主塔滯后2個多月，本項目提出了在西壩錨碇散索鞍支墩前面設(shè)置貓道承重索轉(zhuǎn)向支架，首創(chuàng)性地將貓道與西壩錨碇同步進行施工，為解決貓道架設(shè)完成后的線形與設(shè)計線形存在一定的偏差，首次采用了對貓道進行整體線形調(diào)整技術(shù)。調(diào)整后貓道線形與設(shè)計吻合，為后續(xù)主纜施工提供了安全便利的操作環(huán)境，保證了施工安全并提高了施工效率[10]。

5 結(jié)語

宜昌至喜長江大橋大江橋是宜昌構(gòu)建城市快速過江通道的控制性工程，環(huán)保要求高，施工難度大。設(shè)計致力于解決環(huán)保、橋面鋪裝、主纜耐久性等難題，該橋已于2016年7月18日順利建成通車，從橋梁健康監(jiān)測成果和定期檢測成果資料來看，大江橋通車四年來運營狀況良好，為宜昌市的經(jīng)濟和社會的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。