伍家崗長江大橋主橋設計關鍵技術

謝瑞杰 曹春明 王碧波 周昌棟

1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430050；2.宜昌市交通運輸局，湖北 宜昌 443005

懸索橋是千米級以上大跨度橋梁的首選，近些年大跨度懸索橋的設計與建造技術取得了巨大的進步［1-3］。同時，存在一些問題需進一步研究，如懸索橋鋼箱梁的疲勞開裂，軟巖地區大型隧道錨設計及驗證等問題。

本文以宜昌伍家崗長江大橋為背景，針對項目實施期間采用的新型復合索股主纜、正交異性板U 肋與頂板全熔透焊接、樹脂瀝青橋面鋪裝與鋼箱梁共同作用、復合地基淺埋式柔性擴大基礎錨碇、軟巖區域隧道錨等多項設計關鍵技術展開論述，并采用數值模擬和試驗驗證的方法，驗證了各項關鍵技術的可行性和合理性。

1 工程概況

宜昌伍家崗長江大橋位于湖北省宜昌市伍家崗區，是連接伍家崗新區和點軍新區而開辟的一條過江通道。橋位處江面常水位寬約1 000 m。大橋南岸為丘陵及山麓斜坡堆積地貌，坡洪積物在山前堆積并受河流沖刷、侵蝕形成長江二級階地。北岸為丘陵與長江階地地貌，大致以伍臨路為界，以南為長江一級階地區，地勢開闊平坦；伍臨路以北為丘陵及坳谷區，坡度整體較緩。結合兩岸地形地貌及防洪通航要求，大橋采用主跨1 160 m 地錨式雙塔單跨吊鋼箱梁懸索橋方案，南邊纜跨度290 m，北邊纜跨度402 m。主橋橋型總體布置見圖1。

圖1 主橋橋型總體布置（單位：m）

2 主橋結構設計

主橋為跨度1 160 m 鋼箱梁懸索橋，其主梁采用漂浮體系。加勁梁采用整體式流線型鋼箱梁。鋼箱梁全寬34.7 m，梁高2.8 m，鋼材采用Q345qD，頂板采用正交異性鋼橋面板。

主塔采用門式框架結構，塔高157.0 m。塔柱采用矩形空心截面，縱向寬度從塔頂7 m 漸變至塔底10 m，橫向寬度自塔頂5.5 m漸變至塔底7.0 m。主塔設上下兩道橫梁，上橫梁采用鋼混組合結構，下橫梁為預應力混凝土結構。基礎采用分離式承臺的大直徑群樁基礎。

主纜矢跨比1/9，兩根主纜橫向中心距26.5 m。主纜斷面采用新型復合索股主纜，由85 股127 絲索股和6根91絲索股混合編纜形成，直徑為714 mm。鋼絲采用抗拉強度1 860 MPa，直徑為6 mm 鍍鋅鋁高強鋼絲。

南錨碇采用淺埋式柔性擴大基礎錨碇，基礎為圓形，直徑為85 m，高度為15 m。錨碇基礎為中粗砂卵礫石層壓漿處理而形成的復合地基。基坑開挖采用明挖+咬合樁支護，樁頂設鋼筋混凝土冠梁。

北錨碇采用隧道錨，軸線長度為100 m，其中導洞長約13 m，前錨室長42 m，錨塞體長45 m，距離設計路面的最大埋深約80 m，錨塞體均位于微風化礫巖巖層。錨體軸線的傾斜角度為40°。

3 設計關鍵技術

3.1 新型復合索股主纜

在懸索橋工程中，主纜是其最為重要的構件之一。目前，國內懸索橋主纜大多采用預制平行絲股法（PPWS 法）架設。其主纜由若干根索股排列而成，而每根索股由一定數量的高強鋼絲排列組編而成。

由于懸索橋跨度、荷載各不相同，因此所需的主纜面積也不相同，為準確控制主纜面積，做到經濟合理，且主纜盡量接近圓形便于施工，主纜內索股需要精確編排設計。

目前國內大跨度懸索橋主纜索股一般為同一規格，主纜索股的編排一般以主纜各絲股正六邊形排列為基礎，不去掉或去掉部分索股，同時調整絲股內鋼絲直徑大小，以調整主纜面積。

上述處理方法有如下缺點：

①同等規格絲股布置在角點時突出較多，導致主纜梳理擠圓時角點處鋼絲沿主纜斷面需要橫向移動距離較大，易導致亂絲等情況。

②絲股鋼絲直徑控制較繁雜，目前通過鋼絲直徑達到調整主纜直徑的方法，鋼絲直徑分布為4.5 ～7.0 mm，級差為0.05 mm，主纜鋼絲規格繁多。

③絲股的鋼絲由鋼絲盤條經多次拉拔而成，鋼絲盤條直徑較大，須經多道預熱、拉拔程序后制成絲股鋼絲，每道拉拔程序都需要不同孔徑的制絲模具。制索廠的生產過程更為復雜，制造每種直徑鋼絲均需對生產線進行重新設計調整，甚至試驗。因此，經濟性較差，且質量不易控制。

伍家崗長江大橋主纜由91 根索股組成，其中85根索股為127 絲，6 根索股為91 絲，鋼絲直徑為6 mm鍍鋅鋁高強鋼絲，主纜斷面見圖2，索股斷面見圖3。可見，91絲的排布在外圍角點，主纜擠圓更方便。

圖2 主纜斷面復合索股排布

圖3 127、91絲索股構造（單位：mm）

本文的新型復合索股主纜組合了兩種或兩種以上不同鋼絲數目的索股，通過調整不同規格索股的數量可達到精確控制主纜面積。采用這種設計方法時，主纜鋼絲可采用的標準直徑鋼絲，主纜面積可以精確控制，且角點索股可采用小索股，排列后主纜更接近圓形，方便主纜擠圓、纏絲、主纜防護施工。

采用復合索股設計的主纜，鋼絲直徑規格可大幅減少，直徑分布為4.5～7.0 mm、級差為0.5 mm大級差的標準直徑鋼絲。可使橋梁纜索鋼絲逐漸從定制產品發展到工業標準化產品，降低了項目的生產管理成本。

3.2 正交異性鋼橋面U肋與頂板全熔透焊接

大跨度懸索橋的加勁梁采用結構輕型化的正交異性鋼橋面板鋼箱梁更加經濟合理。但近年來鋼梁正交異性鋼橋面板疲勞開裂問題突出，國內對鋼梁疲勞問題的研究也日漸深入［4-6］。受焊接空間及焊接技術水平的限制，正交異性鋼橋面板U 肋與頂板一般采用外側單面焊接，熔透率要求75% ～85%。單面部分熔透焊縫自身對板件的厚度存在折減，且內側焊根未熔透區域容易成為疲勞裂紋產生的裂紋源。

為避免焊縫內側缺陷，解決U 肋內部焊接問題，國內外學者都進行了較多研究和嘗試。日本學者在20世紀90年代提出了內側氣體保護焊的研究和試驗，但并未實質性開展此項工作。我國在2011 年開展U肋內焊技術及相關配套生產線。2016 年完成收條U肋內焊生產線建設，使得U 肋與頂板實現了雙面角焊縫焊接，并首次在武漢沌口長江大橋上應用［7］。U 肋雙面角焊縫焊接中間并未焊透，對疲勞承載能力的影響也有待進一步研究，同時中間未熔合區域的存在使得焊縫檢測及評定存在一定困難。U肋與頂板的全熔透焊接則可以實現內外側焊縫的完全熔合，極大地減少了焊縫內部缺陷，在提高焊縫疲勞承載能力的同時，降低了焊縫的檢測與評定難度，見圖4。

圖4 全熔透焊接示意

伍家崗長江大橋鋼箱梁采用U 肋與頂板全熔透焊接技術，大橋鋼箱梁于2019 年開始制造，2021 年完成鋼箱梁吊裝。全熔透焊接工藝采用雙面埋弧焊工藝，內側采用機器人平位焊接，外側則采用船位焊接。為驗證全熔透焊接接頭的可靠性，開展了焊接接頭基本力學性能試驗，焊接接頭疲勞性能試驗及鋼箱梁足尺試件疲勞試驗，鋼箱梁足尺疲勞試件設計見圖5。

焊接接頭基本力學性能試驗從鋼橋面板U 肋與頂板焊縫接頭中截取3 個拉伸試樣，測試拉伸試樣的抗拉強度、屈服強度以及延伸率，結果表明抗拉強度、屈服強度和延伸率均值分別為515、405 MPa 和25%，基本達到了Q345qD 鋼材母材的力學性能標準。鋼箱梁足尺試件試驗表明，U 肋與頂板雙面埋弧全熔透焊構造細節疲勞強度高于110 類細節（等效200 萬次的疲勞強度均值為128.2 MPa），遠大于JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》規定的單面焊接70 類細節（等效200 萬次的疲勞強度均值為70 MPa）規定的疲勞應力幅［8］。U 肋與頂板全熔透構造細節比單面焊接構造細節疲勞強度增加了83%，具有良好的抗疲勞性能。

3.3 考慮與鋼箱梁共同受力的樹脂瀝青鋪裝體系

為了盡量減輕結構重量，大跨度懸索橋鋼橋面鋪裝一般采用薄層瀝青鋪裝體系或近些年研究較多的超高性能混凝土鋪裝體系［9］。超高性能混凝土鋪裝與鋼橋面共同作用機理屬于結合梁概念，與瀝青鋪裝與鋼橋面共同作用原理有所不同。國內大跨度鋼箱梁懸索橋瀝青鋪裝體系大致有4 種形式［10-11］：雙層SMA鋪裝、環氧瀝青鋪裝、澆筑式瀝青鋪裝和樹脂瀝青鋪裝（以下簡稱“ERS”）。

伍家崗長江大橋的鋼箱梁鋪裝采用樹脂瀝青鋪裝體系，鋪裝層由兩層組成，下層為3 cm 厚冷拌樹脂瀝青混合料RA10，上層為4 cm 厚普通瀝青混凝土SMA13。下層與鋼橋面之間采用防水抗滑黏結層（以下簡稱“EBCL”），上下層之間則采用二階熱固性環氧瀝青黏結層，層間均具有足夠的黏結強度。

SMA 混合料結構勁度模量較小，且與鋼橋面黏結強度較弱，對頂板作用不大；澆筑式瀝青混合料、環氧瀝青混合料、樹脂瀝青混合料則具有較高的勁度模量，且能與鋼梁頂板有足夠的黏結強度。ERS 鋪裝中的RA和SMA混合料勁度模量與彎拉強度對比曲線見圖6。可見，樹脂瀝青高溫情況下仍具有較好的勁度模量及彎拉強度。因此，樹脂瀝青鋪裝與鋼橋面存在共同受力，降低頂板應力的條件。

圖6 RA和SMA混合料勁度模量與彎拉強度對比曲線

為研究鋪裝對鋼橋面頂板受力的改善作用，進行了正交異性鋼橋面板與樹脂瀝青鋪裝足尺節段疲勞試驗，足尺試驗模型試件的斷面和立面見圖7。試驗分別對無鋪裝和有鋪裝鋼橋面應變進行了測試，其中有鋪裝情況的試驗溫度分別選取15°、30°、45°。試驗輪載實測值為65 kN，應變測點布置在U 肋兩側的頂板上緣和下緣。

圖7 足尺試驗模型試件的斷面和立面（單位：mm）

試驗結果表明：相較于無鋪裝層的鋼橋面板結構，鋪設樹脂瀝青混合料鋪裝層之后，鋼橋面板U 肋與頂板構造細節的實測應變幅值顯著降低，當鋪裝層的溫度分別為15、30、45 ℃時，U 肋與頂板構造細節的應變幅值分別減小了48.2%、37.7%、14.8%。鋪裝層溫度實測應變具有顯著影響，隨著溫度的升高，樹脂瀝青鋪裝對頂板疲勞應力幅的影響逐漸減弱。增加樹脂瀝青層和SMA 層的設計厚度均可降低U 肋與頂板焊接細節的應力幅值，樹脂瀝青層厚度參數對于鋼橋面板疲勞性能的影響更加顯著。

3.4 復合地基淺埋式柔性基礎重力錨

該錨碇位于長江二級階地之上，錨碇處地形平坦，地面高程為69.5 ～70.5 m。表層為人工素填土，下層為粉質黏土、含粉土砂卵礫石土和含中粗砂卵礫石土，總厚度為11.0 ～30.5 m。下伏基巖為白堊系上統羅鏡灘組的雜色礫巖夾砂礫巖及砂巖透鏡體，地下水位高程為59.0 ～60.5 m。

大跨度懸索橋重力式錨碇基礎多采用明挖擴大基礎、沉井基礎、地下連續梁基礎等形式［12］。

明挖擴大基礎主要適用于地質條件較好，基巖埋深較淺的情況；當地質條件相對較差時，則一般采用沉井基礎和地下連續墻基礎。

沉井基礎下沉過程中如遇卵石層則下沉困難，施工風險大，此處不適合采用。地下連續墻基礎技術可行，其墻體剛度大，能有效起到隔水作用，同時可作為基礎的一部分。

為保證地下連續墻基礎的穩定性，地下連續墻結構一般需要嵌入巖層。由于該處巖層埋深較大，最大深度為29 m，且巖面傾斜，采用地下連續墻基礎時，基坑開挖深度較大，施工風險較高，施工工期長，工程造價高。

為解決地下連續墻基礎開挖深度過大，風險較高的問題。提出了復合地基的淺埋式柔性擴大基礎錨碇方案，基礎持力層選擇在覆蓋層較淺的卵石層，基礎直徑為85 m，高度為15 m，基底高程為55.3 m，開挖深度僅為15 m，錨碇基礎布置見圖8。

圖8 復合地基淺埋式擴大基礎布置示意（單位：m）

由于錨碇持力層為中粗砂卵礫石，其含水量豐富，壓縮性較高，屬于級配不良碎石土，非均勻性明顯，且層厚度分布不均。為解決地基穩定性及開挖防護與止水的問題，采用地下水位以上放坡開挖，地下水位以下咬合樁支護開挖的方案。為解決地基承載力不足以及地基不均勻沉降等問題，在澆筑完基底素混凝土墊層并抽水管抽排完咬合樁范圍內的地下水后，對基底以下卵石土分區域注漿加固形成復合地基。

為驗證注漿效果，通過現場載荷試驗數據分析，所有測點地基承載力基本容許值最小為650 kPa，均大于基底計算應力275～475 kPa；復合土壓縮模量平均值為33 MPa，較地勘平均值有所增加；通過現場沉降觀測，地基沉降量為2.75～16.29 mm，均小于理論計算值。

3.5 軟巖地層隧道錨

北岸江邊為長江一級階地，寬度為350 m，該處地下水位較高，且與長江水位連通。如在該處修建錨碇，則錨碇規模、施工風險均較高。而北側距主塔約400 m 處則為山體，基巖裸露，主要為羅鏡灘組中厚至塊狀礫巖夾礫砂巖及細砂巖透鏡體。微風化巖體飽和抗壓強度為15 MPa，屬較軟巖-軟巖。山體整體穩定性好，巖層與山體走向及錨碇軸向呈大角度相交，錨塞體上覆巖體厚度大，具備修建隧道錨的條件。

隧道錨軸線長度為100 m，錨塞體均設置于微風化礫巖層。錨體軸線的傾斜角度為40°。前錨面距散索點為42 m，為了更好地發揮圍巖受力，錨塞體范圍設計成前小后大的楔形，采用C35 聚丙烯合成纖維鋼筋混凝土，前錨面尺寸為9.04 m×11.44 m，后錨面尺寸為16 m×20 m，見圖9。

圖9 隧道錨布置（單位：m）

為驗證隧道錨可行性，開展了1∶40的室內物理模型試驗和1∶12的現場縮尺模型試驗研究，并基于地質概化模型，采用FLAC‐3D 軟件構建實橋隧道錨塞體與圍巖結構體系連續介質力學模型，進行巖體與錨塞體之間相互作用的三維彈塑性數值模擬，分析軟巖上錨塞體變形機制以及可能的破壞模式，研究隧道錨圍巖蠕變趨勢以及蠕變變形對圍巖應力和塑性區的影響，確定錨塞體承載能力［13-14］。

室內物理模型試驗根據錨塞體后錨面位移變化情況及巖體開裂情況確定隧道錨承載能力為9P（P為主纜設計拉力）。現場縮尺試驗根據圍巖變形測試結果，確定隧道錨承載能力為8P。數值分析則考慮巖體爆破損傷以及地下水位影響等最不利工況，計算得到隧道錨承載能力約為7P。綜合研究表明，隧道錨方案具有可行性、安全性和經濟性。因此，最終采用了隧道錨方案。

4 結論

大跨度懸索橋施工過程中應用了多項設計關鍵技術，本文以宜昌伍家崗長江大橋為研究對象，對其中五項設計關鍵技術展開論述，采用數值分析和試驗驗證的方法，驗證了各項關鍵技術可行性和合理性。得到以下結論：

1）大橋采用新型復合索股主纜設計，該設計使用兩種不同鋼絲數目的索股。通過采用標準直徑鋼絲復合索股編纜方法，方便主纜擠圓、纏絲、防護施工，提高施工效率。同時，標準直徑鋼絲的大量使用降低了項目的生產管理成本。

2）正交異性鋼橋面U 肋與頂板全熔透焊接新方法，極大地減少了焊縫內部缺陷，細節疲勞強度增加了83%，極大地提高了焊縫疲勞承載能力。

3）大橋鋼箱梁鋪裝采用樹脂瀝青鋪裝體系（ERS）能改善鋼梁頂板疲勞應力幅。當鋪裝層的溫度分別為15、30、45 ℃時，相較于無鋪裝層的鋼橋面板結構，細節應變幅值分別減小了48.2%、37.7%、14.8%。

4）南岸錨碇采用復合地基的淺埋式柔性擴大基礎重力錨。通過使用咬合樁和復合地基，規避施工風險，降低了工程造價。

5）北岸修建軟巖地層隧道錨，并通過模型試驗和數值分析方法驗證了方案的可行性，拓寬了隧道錨的應用范圍。