武漢二七長江大橋橋塔設(shè)計

李翠霞，石建華

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430056）

1 概況

二七長江大橋工程位于武漢市二環(huán)線上，大橋北起漢口發(fā)展大道、上跨解放大道、過長湖地六村、跨鐵路，經(jīng)后湖船廠過長江，接武昌側(cè)的羅家港，并沿羅家港明渠至和平大道，總長度約6.5 km[1]。

二七長江大橋正橋工程，具體包括通航孔主橋、非通航孔深水區(qū)及兩岸非通航孔岸灘區(qū)，總長度為2 922 m。主橋采用三塔斜拉橋方案，跨徑布置為（90+160+616+616+160+90)m，全長1 732 m。主跨跨徑達到616 m[2]，為目前國內(nèi)外同類多塔斜拉橋中跨徑最大的橋梁。

斜拉橋主橋總體布置見圖1所示。

2 橋塔方案構(gòu)思

三塔斜拉橋與常見的兩塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力特性區(qū)別表現(xiàn)為中間塔兩側(cè)均無輔助墩和過渡墩，不能對主梁和索塔提供位移約束，并使結(jié)構(gòu)各個響應(yīng)的活載影響線范圍增大，各個構(gòu)件的活載效應(yīng)變大。

二七長江大橋主跨跨徑達到616 m，為目前國內(nèi)外同類多塔斜拉橋中跨徑最大的橋梁。在力求橋梁方案景觀協(xié)調(diào)、經(jīng)濟合理的前提下，如何通過合適的結(jié)構(gòu)措施，控制結(jié)構(gòu)具有必要的體系剛度，是該橋設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

該橋體系剛度相對較弱，需要采取措施提高橋梁的整體剛度。設(shè)計中分別對設(shè)置中塔穩(wěn)定索、設(shè)置跨中交叉索、增加中塔剛度的三種主要方案進行了研究比較。經(jīng)綜合比較后，認(rèn)為通過增加中塔剛度的措施既可滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，又在美觀方面較為簡潔而予以采用。邊塔剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小，結(jié)構(gòu)布置時中塔要具有必要的剛度，受溫度力等影響，邊塔剛度不宜太大。

橋塔外形選擇（見圖2）：比較適合該橋的塔形主要有鉆石形、H 形及花瓶形。H 形塔基礎(chǔ)規(guī)模相對較大，鉆石形塔與武漢市既有的天興洲長江大橋及白沙洲大橋的橋塔稍顯雷同[3][4]。而花瓶形塔造型完整和諧，流露出一種秀美，總體上給人一種變化活潑的感覺。斜拉索布置成空間索面，可以提高主梁的抗扭剛度，在承受橫向風(fēng)力、地震力等荷載方面較優(yōu)。同時，下塔柱內(nèi)收，使得基礎(chǔ)規(guī)模較小、工程投資較省。故花瓶形塔在結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟和美觀等方面均較佳，因此以花瓶形塔為二七長江大橋的主塔外形[5](見圖3）。

3 橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

斜拉橋共有三個主塔，分別為南、北邊塔和中塔,三塔外觀造型一致。均以黃海高程+13.5 m 以上為主塔結(jié)構(gòu)，三塔等高，均為206 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

橋塔結(jié)構(gòu)由下、中、上塔柱及橫梁四部分組成。中、上塔柱采用曲線連接,內(nèi)外曲線均為圓曲線，半徑分別為280 m 和320 m，兩塔柱在頂端微合，中間以弧形板相連，上、下圓弧均與塔柱內(nèi)側(cè)直、曲線相切。上塔柱內(nèi)設(shè)有斜拉索錨塊。塔頂部設(shè)有0.8 m 厚的蓋板，蓋板上設(shè)有進人孔。上塔柱頂設(shè)有4 m 的裝飾段[2]（見圖3）。

中塔下橫梁頂面布置有支座墊石及縱向約束裝置，邊塔下橫梁頂面則布置有支座墊石及有抗震作用的縱向液壓阻尼裝置的固定墊塊。橋塔結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。

圖1 斜拉橋主橋總體布置圖

圖2 斜拉橋主塔外形選擇方案效果圖

圖3 花瓶型主塔效果圖

主塔結(jié)構(gòu)尺寸：兩塔順橋向變化形式一致，上塔柱均等寬，中塔為8 m，邊塔寬7 m。中塔柱到下塔柱，中塔由8 m 變化至塔底16 m，邊塔由7 m變化至塔底8.8 m。

下塔柱：兩塔尺寸變化較大。中塔為單箱雙室截面：高38.5 m，橫橋向?qū)?.05～12 m，截面基本壁厚順、橫橋向均為1.5 m；邊塔為單箱單室截面：高34 m，橫橋向?qū)?.05～10 m，截面基本壁厚順、橫橋向均為1.5 m。

圖4 橋塔結(jié)構(gòu)圖

中塔柱：兩塔尺寸接近，均為單箱單室截面，橫橋向均寬6 m。中塔高106 m，截面基本壁厚順橋向1.5 m，橫橋向1.0 m；邊塔高110.5 m，基本壁厚順橋向、橫橋向均為1 m。

上塔柱：兩塔除橫向外，尺寸一樣，均為單箱單室截面，橫橋向均寬4～6.05 m，高61.5 m，截面基本壁厚順橋向1.5 m，橫橋向1.0 m。

下橫梁：兩塔除因順橋向?qū)挾炔煌斐山孛嫘问讲灰粯油猓溆嗑嗤２煌c：順橋向?qū)挾龋兴?3 m，單箱雙室截面；邊塔7 m，單箱單室截面。相同點：高6 m，橫橋向?qū)?8 m，頂、底、腹板基本壁厚均為0.8 m。

根據(jù)總體受力的要求,中、邊塔所需剛度不同,相關(guān)參數(shù)對比見表1 所列。

表1 塔縱向剛度比較表

根據(jù)二七長江大橋橋塔的形式及拉索的構(gòu)造特點，可考慮三種錨固方式：鋼錨箱錨固、鋼錨梁錨固和預(yù)應(yīng)力錨固。經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟比較，采用技術(shù)成熟且經(jīng)濟的預(yù)應(yīng)力錨固形式。其布置見圖5所示。

圖5 塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力圖

4 主塔結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 主塔橫向受力分析

4.1.1 模型介紹

主塔橫向受力分析，采用自編的SCDS 分析軟件，取塔柱底部與基礎(chǔ)剛性固結(jié)，將結(jié)構(gòu)簡化成平面桿系有限元法進行靜力計算分析，主塔橫向框架計算模型見圖6所示。

4.1.2 荷載內(nèi)容

（1）恒載包括：

a.主塔自身重量;

b.主塔橫梁預(yù)應(yīng)力;

c.混凝土收縮徐變影響力;

圖6 塔橫向計算圖

d.恒載作用下斜拉索力及支反力。

（2）活載作用下斜拉索力及支反力。

（3）溫度影響力，包括:

a.體系升、降溫±20℃；

b.側(cè)照引起的主塔左、右側(cè)溫差5℃。

（4）風(fēng)力:

風(fēng)力按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）計算[6]，該橋按 1 00 a 一遇、10 m 高、10 min 最大平均風(fēng)速V10=25.6m/s 計算梁、索、塔風(fēng)力。

4.1.3 分析步驟

主塔計算主要分為三大階段，即施工、施工完成和成橋階段，每個階段又包含各種計算工況：

（1）施工階段。主塔自身處于施工狀態(tài)，即獨塔狀態(tài)。此階段應(yīng)根據(jù)各施工階段的結(jié)構(gòu)體系，同時考慮結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換進行受力分析。有些施工荷載應(yīng)視具體施工方案而定，如施工吊機及構(gòu)架、施工預(yù)頂力等[6]。此階段風(fēng)力按施工期間的風(fēng)力計算。

（2）施工完畢，施工掛索及架梁狀態(tài)。此階段為無活載階段。應(yīng)根據(jù)恒載索力，無活載風(fēng)力進行受力分析。

（3）成橋狀態(tài)。此階段為成橋運營階段。按有活載風(fēng)力計，索力最大，即活載運營索力。

（4）主塔受力分析還考慮了成橋狀態(tài)船撞力。

由此進行每個階段各種組合工況的受力分析，見表2所列。

表2 各組合工況的受力分析表

4.1.4 分析主要結(jié)果

各種工況中除恒載為強制組合外，其余均為判別組合。計算結(jié)果：

中塔：

塔柱應(yīng)力：最大10.52 MPa

最小-0.48 MPa

邊塔：

塔柱應(yīng)力：最大13.01 MPa

最小-0.78 MPa

圖7為中塔計算應(yīng)力包絡(luò)圖，圖8為邊塔計算應(yīng)力包絡(luò)圖。

圖7 中塔計算應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 邊塔計算應(yīng)力包絡(luò)圖

4.2 索錨區(qū)受力分析

索錨區(qū)作為傳遞斜拉索力的關(guān)鍵部位，分別建立平面及空間節(jié)段模型進行受力分析。平面受力分析，采用自編的SCDS 分析軟件，取一索距分析。通過計算，錨固區(qū)空心矩形斷面在每一索距間均配有一定數(shù)量的φ32 mm 的預(yù)應(yīng)力精軋螺紋粗鋼筋，以抵抗纜索水平分力作用。預(yù)應(yīng)力精軋粗鋼筋布置計算的原則是：

（1）施工階段無索力時，截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，截面壓應(yīng)力不超過0.5 fck;

（2）有索力且索力達到最大值時，截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

以邊塔最大索力22 號索為例，其局部橫向框架計算模型及應(yīng)力計算圖見圖9所示。

圖9 邊塔最大索力22 號索計算圖

5 主塔的配筋

塔柱截面豎向配有φ32 mm 的受力主筋，基本間距為15 cm，采用冷擠壓套筒接頭，上、中、下塔柱截面面積配筋率均不小于1%。箍筋采用φ20 mm，間距為10～15 cm，拉筋為φ12 mm，基本間距為45 cm[7]。

主塔橫梁受力復(fù)雜，下橫梁除了受自重彎曲拉應(yīng)力外，更受上、中塔柱傳入的豎向壓力，為保證豎向壓力自中塔柱順暢傳入下塔柱及滿足局部承載能力需要，下橫梁布置了橫向預(yù)應(yīng)力筋，中塔和邊塔分別布有87、68 根19-φj15.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線。其公稱抗拉強度Rby=1 860 MPa,彈性模量E=195 GPa。錨下控制張拉應(yīng)力為1 395 MPa[8]。

索錨區(qū)施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋粗鋼筋，直徑為32 mm，對應(yīng)于不同的索間距，粗鋼筋間距分別為 1 5 cm、20 cm、25 cm、30 cm、40 cm、100 cm，fpK=930 MPa，錨下控制張拉力為673 kN。

6 主塔施工

主塔是斜拉橋的主要承重結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸較大，塔內(nèi)鋼筋密集，施工精度要求較高。該橋主塔施工以爬模為主，以傳統(tǒng)的萬能桿件構(gòu)架為輔的方法進行。采用泵送混凝土工藝[9]。

由于主塔塔柱均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而中塔柱又為斜柱，故塔柱自身重量均產(chǎn)生很大的彎矩。為調(diào)整塔柱的受力狀況，使塔柱截面應(yīng)力滿足要求，施工步驟中在中塔柱中間加四道橫撐，并施以一定的頂推力，以平衡傾斜塔柱因自重產(chǎn)生的彎矩。具體方法：中塔橫撐的豎向位置分別布置在：+80.0、+105.0、+130.0、+154.0 標(biāo)高處，每處橫撐的頂力約為150～300 t；邊塔橫撐的豎向位置分別布置在：+75.5、+100.5、+125.5、+154.0 標(biāo)高處，每處橫撐的頂力約為110～250（t 見圖10）。施工中應(yīng)確保橫撐具有足夠的剛度及與塔柱連接牢靠，以保證中塔柱施工過程中的受力安全，并要求中塔柱范圍橫撐待上塔柱施工完成后方可拆除。下橫梁立模澆筑前，應(yīng)考慮通過對膺架進行預(yù)壓重等措施消除支架非彈性變形[10]。

7 結(jié)語

二七長江大橋距上游長江二橋3.2 km，距下游天興洲大橋6.7 km，二七長江大橋的建設(shè)將有效分流武漢長江二橋的過江交通壓力。

建成后的二七長江大橋?qū)⒊蔀槲錆h地區(qū)的一個新的景觀，大橋的橋塔則是這個新景觀的標(biāo)志。二七橋采用三塔斜拉橋方案，橋塔穩(wěn)重的氣勢與浩瀚的長江相呼應(yīng)，三塔高聳，寓意武漢三鎮(zhèn)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)均衡蓬勃發(fā)展。

圖10 施工現(xiàn)場實景

[1] 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，武漢二七長江大橋初步設(shè)計[Z].武漢：2008.

[2] 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，武漢二七長江大橋施工圖[Z].武漢:2010.

[3] 胡漢舟，劉自明，秦順全，等.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋斜拉橋技術(shù)總結(jié)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] 秦順全，高宗余，潘東發(fā).武漢天興洲公鐵兩用長江大橋關(guān)鍵4技術(shù)研究[J].橋梁建設(shè)，2007，（1）：1-4，20.

[5] 龍濤，胡佳安.簡約的完美——武漢二七長江大橋橋塔造型設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2009，（1）：48-51.

[6] JTG/G D60-01-2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范 [ S].

[7] JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設(shè)計細則 [ S].

[8] JTGD60-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[9] 蔣本俊，劉生奇.武漢二七長江大橋主橋橋塔施工關(guān)鍵技術(shù) [ J].橋梁建設(shè)，2012，42（3）：7-13.

[10] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋 [ M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1995.