宜昌廟嘴長江大橋大江橋上部結構設計與技術特點

張曉勇 舒思利 易倫雄

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 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，兩江經過廟嘴后回流。廟嘴長江大橋工程連接宜昌市江南片區、西壩區及江北主城區，起于東岳二路，沿線跨江南大道、跨越大江，穿西壩區、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雜，根據《內河通航標準》的選址規定，在此建橋要求一跨過江。同時橋址位于長江中華鱘自然保護區內，根據水產部門和環保部門的要求，水中亦不適合設置橋墩。據此，結合大江橋橋位處的水域寬度及兩岸疏解平面布置，經過橋梁方案比選，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 技術標準

（1）道路等級。城市主干路，雙向6車道。

（2）設計車速。60km／h。

（3）荷載標準。汽車荷載城A級荷載；人群荷載2.875kN／m2。

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

（5）凈空標準。橋面凈空不小于5m。

（6）設計基準周期。100年。

3 總體布置

3.1 矢跨比

本橋為單跨雙鉸懸索橋，主纜跨度布置為250 m＋838m＋215m。成橋狀態主纜中跨矢跨比為1／10，跨中處主纜中心點設計高程為＋82.7m，塔頂處主纜中心理論交點高程為＋166.5m，點軍側主纜理論散索點高程為＋72.0m，西壩側主纜理論散索點高程為＋63.5m。

3.2 結構體系

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

3.3 橫斷面布置

橋面寬31.5m，設雙向6車道，兩側設人行道。車行道防撞護欄和人行道欄桿之間設吊索錨固區。

4 結構設計

4.1 主纜

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

4.2 吊索與索夾

全橋共設51對吊索，吊點標準間距為16m，端部吊點至主塔中心的距離為19m。每一吊點設置2根吊索，全橋共204根吊索。每根吊索由151根直徑為5.0mm的鍍鋅鋁合金高強鋼絲組成，鋼絲標準抗拉強度為1 770MPa，設計安全系數不小于3.0，兩端采用銷接式熱鑄錨頭。吊索外擠包8mm厚雙護層PE進行防護，PE內層為黑色，外層為彩色。長度小于20m的吊索，在其上下端銷軸處設置能橫向轉動±3°的軸承，以適應在橫向風力作用下主纜與加勁梁的橫向位移差所產生的轉角，并改善其疲勞性能。長度大于20 m的吊索，在吊索中部設置減振架，減振架將一個吊點的2根吊索互相聯系，以減小吊索的風致振動。在距橋跨中心16m的前后2個吊點處設置柔性斜扣索，形成纜梁聯結。全橋共有8根斜扣索；每根扣索由61根高強平行鋼絲組成，采用與吊索相同的雙層PE防護，鋼絲技術要求也與吊索鋼絲相同。扣索上端采用銷接式熱鑄錨頭，下端采用承壓式熱鑄錨頭。

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

4.3 主索鞍

主索鞍采用鑄焊結合結構；鞍頭用ZG270－480H鑄鋼鑄造，鞍身由Q345R鋼板焊成。主索鞍結構見圖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。鞍槽內各列索股間設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股后，在頂部用鋅質填塊填平，再將鞍槽側壁用螺栓夾緊。主索鞍設頂推反力裝置，鞍體下設不銹鋼板－聚四氟乙烯板滑動副，以便于鞍座頂推。西壩側主索鞍設錨梁，用于錨固邊跨增加的4根背索索股。塔頂設有鋼格柵，用于安裝主索鞍。鋼格柵向邊跨側懸出塔頂以外；懸出部分設頂推反力架，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，吊至塔頂后用高強度螺栓拼接整體。

圖2 主索鞍結構（尺寸單位：mm）

4.4 散索鞍

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

圖3 散索鞍結構（單位：mm）

理論散索點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，鞍槽內設豎向隔板。隔板適應散索線形，由邊跨到錨跨逐漸變厚。在索股全部就位并調股后，在頂部用鋅塊填平，上緊壓板及楔形塊等壓緊設施，再將鞍槽側壁用螺桿夾緊。

4.5 錨固系統

錨固系統采用鋼構件錨固體系，由后錨梁和錨桿組成。后錨梁埋于錨碇混凝土內，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傳遞到錨碇混凝土。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而導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 加勁梁設計

加勁梁采用板式結構的鋼－混凝土結合梁，由鋼梁與混凝土橋面板結合而成，斷面布置見圖4。加勁梁全寬33.2m，中心線處梁高3.08m，頂面設坡度為2%的雙向橫坡。鋼梁采用Q345qD鋼材，分段制造、安裝；標準節段長度為16.0m，節段間采用熔透對接焊連接。混凝土橋面板采用C60混凝土，厚度為22cm，橫向寬25m。

混凝土橋面板通過圓柱頭剪力釘與鋼梁結合共同受力。橋面板分塊預制，橫向分2塊，縱向每個橫梁間隔1塊，濕接縫處現澆C60微膨脹混凝土與鋼梁結合。預制橋面板標準平面尺寸為2.64 m×11.74m，邊緣開有鋸齒狀剪力槽。

圖4 1／2吊點處橫梁截面（尺寸單位：mm）

4.7 主塔設計

主塔作為懸索橋的主要傳力構件，其基本功能是滿足結構受力要求，在此基礎上由于其高聳的形象引人注目，起著象征、標志的作用，是懸索橋景觀設計的重要內容。懸索橋主塔不僅要運用結構學原理進行設計，滿足交通使用的要求，還要運用美學原理進行構思，展現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為門形框架，但采用一種別致新穎的構建方式，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構，上橫梁采用預應力鋼筋混凝土結構。主塔高107.0m，塔頂高程為＋163.5m。2塔柱內側壁豎直，外側壁沿高度呈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，內側縱向尺寸從塔頂7.5m漸變至塔底8.5m，外側縱向尺寸從塔頂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漸變為6.5 m，頂面和底面壁厚為1.0m，側面壁厚由1.0m漸變為1.5m。

5 主要技術特點

（1）抗風穩定性設計。自美國塔科瑪大橋風毀事故后，對懸索橋加勁梁的抗風穩定性研究引起了各國的重視。多數橋梁設計者認同板式加勁梁結構因剛度小、抗扭能力差而容易出現顫振失穩的觀點［3］。抗風穩定性是板式加勁梁設計需要解決的重要問題。影響板式加勁梁懸索橋抗風穩定性的因素有加勁梁的扭轉能力、加勁梁截面形狀的氣動特性和結構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的措施：①采用22cm厚的實心混凝土橋面板，扭轉剛度大，同時恒載重，重力剛度大，對抗風有利；②鋼梁兩側設置風嘴和橋面板下方距中心線7m處設置抗風穩定板，均改善了加勁梁的氣動外形；③在距橋跨中心16m的兩側吊點處設置斜扣索和在梁端設縱向阻尼器，有助于增強結構體系制振能力。抗風試驗研究結果見表1。研究結果表明廟嘴長江大橋加勁梁顫振穩定性滿足要求。

表1 全橋氣彈模型試驗結果

（2）主纜耐久性設計。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《懸索橋主纜系統防腐涂裝技術條件》（JT／T 69－2007）的技術要求；而主纜內注入干燥空氣除濕通過設置專門的除濕系統實現。國內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，且鍍鋅鋁合金高強鋼絲在國外懸索橋主纜已有應用實例，國內僅泰州長江大橋主纜有1根索股試驗性采用鍍鋅鋁合金高強鋼絲。為使大江橋使用壽命更長，大江橋主纜在國內首次全部采用鍍鋅鋁合金高強鋼絲。

6 靜力計算結果

6.1 計算模型

采用非線性有限元軟件BNLAS建模進行整體靜力分析和計算。主纜用懸鏈線索單元進行模擬，吊索以膜單元進行模擬，主塔、基礎和加勁梁用梁單元進行模擬。考慮加勁梁豎曲線、橋面橫坡等情況，邊界約束條件為：樁底固結；主纜在錨固點固結；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。按各結構構件重量取值。

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

（3）人群荷載。總體計算取2.875kN／m2，局部計算取4kN／m2。

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

（5）風荷載。根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG／T D60－01－2004）的規定，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荷載基于橋面高度處的風速vd＝25 m／s。其他構件的風荷載根據以上風速按規范求取。

6.3 主要計算結果

（1）位移結果。加勁梁在活載作用下的最大豎向撓度和風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）應力結果。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力為2.63 MPa，最大壓應力為3.58MPa；鋼主梁最大拉應力為105.47MPa，最大壓應力為73.54MPa。主纜在恒載＋活載＋溫度組合作用下最大應力為694.2MPa，安全系數為2.55。主塔主力組合作用下，最大壓應力為16.44MPa，最小壓應力為3.06MPa。主力＋附加力組合作用下，最大壓應力為17.97MPa，最小壓應力為1.06MPa。計算結果表明，上述各項應力均滿足規范要求。

7 結語

宜昌廟嘴長江大橋大江橋纜索在國內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合的板式結構梁。上部結構設計著重研究了懸索橋板式加勁梁抗風穩定性問題，采用的抗風構造措施簡單、有效，可為懸索橋加勁梁抗風設計提供借鑒。該橋于2012年11月開工建設，目前正在進行加勁梁吊裝，計劃2015年12月建成通車。

［1］中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢市政設計研究院有限公司.宜昌市廟嘴長江大橋工程施工圖［Z］.武漢：中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，2013.

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

［3］徐恭義.板式加勁梁懸索橋［M］.成都：西南交通大學出版社，2010.