武漢二七長(zhǎng)江大橋總體方案研究

林 馳

(武漢市城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

素有“九省通衢”之稱(chēng)的湖北省武漢市是我國(guó)中部中心城市、全國(guó)重要工業(yè)基地和交通樞紐，“兩江三鎮(zhèn)”是其顯著的地域特色，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中心城區(qū)交通矛盾突出且長(zhǎng)期存在，既有長(zhǎng)江一、二橋的交通量處于超負(fù)荷狀態(tài)，在此背景下，二七長(zhǎng)江大橋的工程建設(shè)成為了緩解中心城區(qū)過(guò)江交通矛盾的關(guān)鍵工程。二七長(zhǎng)江大橋距上游長(zhǎng)江二橋3.2 km、距下游天興洲大橋6.7 km，工程北接漢口發(fā)展大道、南接武昌和平大道，全長(zhǎng)6.5 km，其中正橋長(zhǎng)2.9 km。

二七長(zhǎng)江大橋工程方案的研究始于2003年年底，經(jīng)數(shù)年多方研究論證，主通航孔橋梁實(shí)施方案采用了雙主跨616 m三塔結(jié)合梁斜拉橋方案，刷新三塔斜拉橋跨度與結(jié)合梁斜拉橋跨度兩項(xiàng)世界紀(jì)錄，大橋于2008年8月動(dòng)工，2011年12月建成通車(chē)，成為了武漢市二環(huán)線上建成的首座越江橋梁。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年;2)道路等級(jí):城市快速路;3)主線設(shè)計(jì)行車(chē)速度:80 km/h;4)車(chē)道及橋?qū)?橋?qū)?9.5 m，近期雙向六車(chē)道+兩側(cè)人行道，遠(yuǎn)期雙向八車(chē)道;5)設(shè)計(jì)洪水頻率:300年一遇;6)設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載:城—A級(jí);7)地震:基本烈度為6度;8)通航:Ⅰ—(1)級(jí)航道，單孔雙向通航孔凈寬大于575 m、凈高大于24 m。

3 建設(shè)條件

3.1 地形、地貌

橋區(qū)兩岸地形平坦開(kāi)闊，屬長(zhǎng)江沖積平原地貌。橋址兩岸防洪堤間距離約2.6 km，主河槽偏南岸，呈不對(duì)稱(chēng)的“U”字形，北岸邊灘寬約450 m、南岸邊灘寬約150 m。

3.2 水文、氣象

歷年最高水位27.65 m、最低水位8.00 m、多年平均水位16.89 m。最大流量76 100 m3/s、最小流量4 830 m3/s，一般流速1.5 m/s～2.0 m/s，最大流速 3.0 m/s以上。

武漢地處亞熱帶溫潤(rùn)區(qū)，冬夏溫差較大，歷史最高氣溫41.3℃、最低氣溫－18.1℃，年平均氣溫16.8℃。最大風(fēng)力可達(dá)9級(jí)，最大風(fēng)速高達(dá)29.4 m/s。

3.3 工程地質(zhì)

橋址第四系覆蓋層主要為全新統(tǒng)河流沖積相地層，厚度變化較大，兩岸及灘地較厚(厚度38 m～52 m);河床段相對(duì)較薄(厚度24 m～26 m)。橋址基巖由粉砂質(zhì)泥巖與泥巖組成，其特征主要表現(xiàn)為不同擠壓破碎程度的巖體呈高角度條傾斜帶狀相間分布，工程性能相差較大。

3.4 通航

橋位處于彎道分流口進(jìn)口段與航槽過(guò)渡段，水流與橋軸線法向夾角過(guò)大，又受港區(qū)碼頭和天興洲低灘沖淤變化的影響較大，且距長(zhǎng)江二橋較近，通航環(huán)境十分復(fù)雜。

中、枯水期的航道寬度不滿(mǎn)足兩個(gè)單向孔寬度，右側(cè)主通航孔需采用一個(gè)大跨度單孔雙向孔跨過(guò)此水域;在洪水期的天興洲左汊(既有橋通航孔徑80 m)、朱家河水域有進(jìn)出船舶和上水在此調(diào)頭船舶的通行，左側(cè)需設(shè)置備用通航孔。

通航代表船隊(duì)尺度為406 m×64.8 m×3.5 m，單孔雙向通航凈空寬度不得小于575 m。設(shè)計(jì)最高通航水位為25.81 m，設(shè)計(jì)最低通航水位為9.75 m。

4 橋梁方案總體構(gòu)思

大橋位于中心城區(qū)，處于長(zhǎng)江二橋與天興洲大橋間洲頭分汊河段，橋址水域?qū)掗煟降罈l件復(fù)雜。橋位資源寶貴，大橋既是路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)又關(guān)系著橋下航運(yùn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展以及與周邊環(huán)境的持續(xù)協(xié)調(diào)性。橋梁總體設(shè)計(jì)思路是本著“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的基本原則，注重航道資源的節(jié)約，注重橋梁造型與景觀，尤其是主通航孔橋梁，充分考慮地域性、時(shí)代性，以及與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，力爭(zhēng)使大橋成為“江城”武漢城市發(fā)展的新名片。

根據(jù)通航論證的意見(jiàn)，要求設(shè)置雙主孔，跨徑均不小于575 m，為此，設(shè)計(jì)提出了能夠滿(mǎn)足此條件的三種主通航孔橋型方案，即:桁架拱橋方案、三塔懸索橋方案、三塔斜拉橋方案進(jìn)行研究比較。

古代文化中陶瓷藝術(shù)品雖然造型多以瓶、壺、罐等器型為主，較為單一，但是陳設(shè)陶瓷在室內(nèi)空間中還是起著裝飾、使用或布置格局的作用。古人一般將其放入空間，作為特定寓意或是身份象征，其地位是別的物品所無(wú)法替代的。它作為陳設(shè)藝術(shù)品與當(dāng)時(shí)家具的發(fā)展也不無(wú)聯(lián)系，比如單獨(dú)的陳設(shè)架，做屏風(fēng)用的古董架，還有大尺度的案幾等等都是為了陳列藝術(shù)品而設(shè)計(jì)從中，可以窺見(jiàn)，陶瓷藝術(shù)品與家具設(shè)計(jì)的發(fā)展也是相互促進(jìn)，相得益彰。

比較而言:懸索橋方案橋型美觀，惜因武昌岸無(wú)布置錨碇的合適位置而予舍棄;拱橋方案造價(jià)比斜拉橋高出兩個(gè)多億;三塔斜拉橋方案經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，又與相鄰的長(zhǎng)江二橋、天興洲大橋雙塔斜拉橋型均有所不同，且“三塔”可與“三鎮(zhèn)”相呼應(yīng)而融入城市地域特色，三塔斜拉橋作為現(xiàn)代橋型具有鮮明的時(shí)代特征;橋型總體比較認(rèn)為三塔斜拉橋型適宜在本橋采用。

主通航孔橋三塔斜拉橋在造型景觀方面設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于塔形。

圖1為塔形研究中進(jìn)行比較的三種塔形，相比較而言，圖1中花瓶形塔造型較為新穎、美觀，與市內(nèi)既有斜拉橋的H形、鉆石形及倒Y形塔均有著明顯不同，可具標(biāo)志性，成為實(shí)施方案。

引橋需跨越深水區(qū)、灘地、大堤及兩岸線路，設(shè)計(jì)按照與主通航孔橋梁相協(xié)調(diào)的原則考慮，橋梁線形在滿(mǎn)足跨線、跨堤的基本條件下，力求簡(jiǎn)潔、流暢，橋梁孔徑布置滿(mǎn)足航道要求的情況下形成韻律，橋墩的設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔、通透為原則，從利于行洪的角度考慮宜盡量減少水中墩。引橋方案的總構(gòu)思是采用等跨徑、整幅橋墩與基礎(chǔ)布置的方案。從控制工程質(zhì)量與建設(shè)周期的角度考慮，橋梁結(jié)構(gòu)宜采用工廠化、預(yù)制化的先進(jìn)技術(shù)。從橋梁維護(hù)的角度考慮，應(yīng)采用對(duì)交通影響較少的結(jié)構(gòu)。鑒于國(guó)內(nèi)近20年來(lái)建成的大跨度纜索承重橋梁鋼橋面鋪裝出現(xiàn)問(wèn)題較多的現(xiàn)實(shí)情況:橋面維修的成本較高，且對(duì)交通帶來(lái)了不良影響，橋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路原則上優(yōu)先考慮混凝土橋面結(jié)構(gòu)，以合理規(guī)避工程風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 不同塔形比較圖

5 總體設(shè)計(jì)

正橋工程按航道與地形情況可分為通航孔主橋、深水區(qū)引橋、岸灘區(qū)引橋三個(gè)區(qū)段。

5.1 平、縱、橫斷面布置

平面線形在正橋范圍橋梁軸線布置為直線;縱斷面線形設(shè)計(jì)考慮通航凈空、上跨兩岸線路與堤頂凈空控制因素后，本著簡(jiǎn)潔、流暢、對(duì)稱(chēng)的美學(xué)原理，設(shè)計(jì)為以中塔中心線處為頂點(diǎn)的大半徑(R=42 951 m)豎曲線兩端接1.434%縱坡線;橫斷面布置:橋面寬29.5 m，設(shè)計(jì)按照近、遠(yuǎn)兩期統(tǒng)籌考慮，近期考慮六車(chē)道兩側(cè)設(shè)人行道，遠(yuǎn)期考慮取消人行道按照八車(chē)道布置。

5.2 孔跨布置

主通航孔橋雙主孔的跨度均按照單孔雙向通航孔凈寬不小于575 m要求考慮橋塔基礎(chǔ)構(gòu)造尺寸后確定為616 m的橋跨尺度，其中南主孔為主通航孔，北主孔為備用通航孔，以適應(yīng)未來(lái)航道變化的需要、節(jié)省寶貴的航道資源，南側(cè)邊跨布置在斜拉橋結(jié)構(gòu)受力的合理范圍內(nèi)考慮了橋墩與南岸跨大堤結(jié)構(gòu)中距其防護(hù)樁的安全凈距要求后確定為160 m+90 m，北側(cè)邊跨組成則按照與南側(cè)對(duì)稱(chēng)的原則進(jìn)行布置。因此，主通航孔橋的跨度組成為(90+160+616+616+160+90)m=1 732 m。

深水區(qū)引橋位于北側(cè)寬闊水域，孔跨布置需考慮以下內(nèi)容:

1)考慮航道部門(mén)提出的基本跨度不小于天興洲橋北汊80 m跨度的建議;

2)考慮與斜拉橋90 m邊跨的協(xié)調(diào)性;

3)考慮美學(xué)上的韻律，綜合考慮后布置為6孔90 m等跨連續(xù)梁。

岸灘區(qū)引橋橋跨布置按照經(jīng)濟(jì)性原則布置為5孔50 m等跨連續(xù)梁。

5.3 橋梁結(jié)構(gòu)布置

5.3.1 通航孔斜拉橋結(jié)構(gòu)布置

1)總體布置:三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)總體布置的主要控制因素在于如何控制結(jié)構(gòu)剛度，設(shè)計(jì)中分別對(duì)設(shè)置中塔穩(wěn)定索、設(shè)置跨中交叉索、增加中塔剛度的主要方案進(jìn)行了研究比較，綜合比較后認(rèn)為通過(guò)增加中塔剛度的措施既可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的剛度要求，又在美觀方面較為簡(jiǎn)潔而予采用;主梁等高布置，采用對(duì)橋面結(jié)構(gòu)剛度與橋面鋪裝均為有利的結(jié)合梁;索面為雙索面扇形布置;三塔等高布置。2)主梁結(jié)構(gòu):主梁采用構(gòu)造簡(jiǎn)單的鋼板梁與混凝土橋面板結(jié)合結(jié)構(gòu)與PC梁混合結(jié)構(gòu)，縱橫梁結(jié)構(gòu)，梁高3.5 m。主梁橋面采用利于鋪裝的混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉橋梁端各94.5 m范圍采用PC梁，依靠混凝土結(jié)構(gòu)自重大的優(yōu)勢(shì)來(lái)平衡在主跨范圍作用汽車(chē)荷載時(shí)邊跨橋墩處產(chǎn)生的負(fù)反力，除此范圍外梁段均采用結(jié)合梁。3)斜拉索:斜拉索作為本橋結(jié)構(gòu)承重的生命線，考慮到其耐久性與運(yùn)營(yíng)條件下?lián)Q索時(shí)對(duì)交通的影響因素，選擇了具有四層防護(hù)且可實(shí)現(xiàn)在不影響交通條件下進(jìn)行單根鋼絞線更換的無(wú)粘結(jié)鋼絞線體系。4)主塔結(jié)構(gòu):三塔等高布置，總高為209 m，設(shè)計(jì)采用花瓶形外觀的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合本橋三塔斜拉結(jié)構(gòu)特性的研究成果，中塔所需的剛度較大，中、邊塔在設(shè)計(jì)構(gòu)造尺寸的區(qū)別體現(xiàn)在順橋向塔柱寬度:中塔在順橋向?qū)挾葟纳现料聻? m～16 m、邊塔在順橋向?qū)挾葟纳现料聻? m～8.8 m，橫橋向輪廓尺寸相同。5)主塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu):主塔處的地質(zhì)條件覆蓋層厚度相對(duì)較薄、下伏泥巖是唯一可用的持力層，泥巖呈擠壓破碎高角度層狀特征，沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式不能夠適應(yīng)該種地質(zhì)條件。樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通過(guò)不同樁徑的經(jīng)濟(jì)比較后，漢口側(cè)邊塔、中塔及武昌側(cè)邊塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)為22根直徑2.8 m，18根直徑3.4 m，28根直徑2.8 m的大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)。

5.3.2 深水區(qū)引橋結(jié)構(gòu)布置

深水區(qū)引橋6×90 m連續(xù)梁橋，從線形簡(jiǎn)潔、流暢與主通航孔橋風(fēng)格相協(xié)調(diào)考慮，梁部結(jié)構(gòu)采用等高度分幅布置的箱形結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，梁高4 m，橋墩與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分綜合考慮視覺(jué)通透性及防船撞因素后，布置為整幅橋墩及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

5.3.3 岸灘區(qū)引橋結(jié)構(gòu)布置

岸灘區(qū)引橋結(jié)構(gòu)主要根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則考慮，采用5×50 m等高度分幅PC箱梁、整幅橋墩與結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語(yǔ)

武漢二七長(zhǎng)江大橋經(jīng)過(guò)多年多方面的方案研究論證，主通航孔橋最終采用了適應(yīng)航道要求與節(jié)約航道資源且能融入武漢“三鎮(zhèn)”地域特色的雙主跨616 m三塔結(jié)合梁斜拉橋方案，水中引橋采用了6×90 m大跨度等高箱形連續(xù)結(jié)合梁橋，橋梁總體線形簡(jiǎn)潔、流暢、通透，充分考慮了與環(huán)境的持續(xù)協(xié)調(diào)性。

設(shè)計(jì)中所秉承的“工廠化、預(yù)制化”的理念為大橋的質(zhì)量與工期控制創(chuàng)造了有利條件，大橋的順利建成及時(shí)分擔(dān)了武漢市的過(guò)江交通流量，同時(shí)刷新了結(jié)合梁斜拉橋與三塔斜拉橋兩項(xiàng)世界紀(jì)錄，獨(dú)特的花瓶形橋塔不同于武漢既有斜拉橋塔形，可為“江城”武漢增添一道新景觀，而三塔大跨結(jié)合梁斜拉橋的成功實(shí)踐則可為今后類(lèi)似橋梁的建設(shè)提供參考與借鑒。