宜昌庙嘴长江大桥大江桥上部结构设计与技术特点

张晓勇 舒思利 易伦雄

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430056）

1 工程概况

宜昌市庙嘴长江大桥位于葛洲坝下游2.7 km处，距夷陵长江大桥4.9km。长江经葛洲坝后被西坝分割为大江和三江，西坝长约3.4km，尾部为庙嘴，两江经过庙嘴后回流。庙嘴长江大桥工程连接宜昌市江南片区、西坝区及江北主城区，起于东岳二路，沿线跨江南大道、跨越大江，穿西坝区、跨越三江，跨沿江大道、止于西陵二路，全长3 229.681m。桥址位于葛洲坝水利枢纽下游近坝河段，枢纽下泄水流条件十分复杂，根据《内河通航标准》的选址规定，在此建桥要求一跨过江。同时桥址位于长江中华鲟自然保护区内，根据水产部门和环保部门的要求，水中亦不适合设置桥墩。据此，结合大江桥桥位处的水域宽度及两岸疏解平面布置，经过桥梁方案比选，大江桥采用跨度布置为250m＋838m＋215m的单跨简支钢板结合梁悬索桥［1］，大江桥立面布置见图1。

图1 庙嘴长江大桥大江桥立面布置（单位：m）

2 技术标准

（1）道路等级。城市主干路，双向6车道。

（2）设计车速。60km／h。

（3）荷载标准。汽车荷载城A级荷载；人群荷载2.875kN／m2。

（4）桥面纵坡。点军侧坡度1.5%，西坝侧坡度2.3%，桥面最高点位于桥跨中心；桥面横坡：双向2%。

（5）净空标准。桥面净空不小于5m。

（6）设计基准周期。100年。

3 总体布置

3.1 矢跨比

本桥为单跨双铰悬索桥，主缆跨度布置为250 m＋838m＋215m。成桥状态主缆中跨矢跨比为1／10，跨中处主缆中心点设计高程为＋82.7m，塔顶处主缆中心理论交点高程为＋166.5m，点军侧主缆理论散索点高程为＋72.0m，西坝侧主缆理论散索点高程为＋63.5m。

3.2 结构体系

主梁采用的支承体系为：在主塔处上、下游均设纵向活动支座；主梁与主塔间上、下游均设置侧向抗风支座；主梁端部与主塔间设纵向液压阻尼器。

3.3 横断面布置

桥面宽31.5m，设双向6车道，两侧设人行道。车行道防撞护栏和人行道栏杆之间设吊索锚固区。

4 结构设计

4.1 主缆

主缆采用预制平行钢丝索股（PPWS）法形成。全桥共2根主缆；每根主缆有127股通长索股；西坝侧边跨主缆内力大，每根主缆增设4根同规格背索索股，锚在主索鞍上。每根索股由127根直径为5.2mm的镀锌铝合金高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度为1 770MPa。索股用定型捆扎带绑扎而成，使其断面成正六边形，两端设热铸锚头。在主要荷载组合作用下，主缆安全系数不小于2.5。中跨2根主缆横向间距为26.0m。根据线路总体布置，点军侧散索点横向间距调整为34m，西坝侧散索点横向间距调整为28m。

4.2 吊索与索夹

全桥共设51对吊索，吊点标准间距为16m，端部吊点至主塔中心的距离为19m。每一吊点设置2根吊索，全桥共204根吊索。每根吊索由151根直径为5.0mm的镀锌铝合金高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度为1 770MPa，设计安全系数不小于3.0，两端采用销接式热铸锚头。吊索外挤包8mm厚双护层PE进行防护，PE内层为黑色，外层为彩色。长度小于20m的吊索，在其上下端销轴处设置能横向转动±3°的轴承，以适应在横向风力作用下主缆与加劲梁的横向位移差所产生的转角，并改善其疲劳性能。长度大于20 m的吊索，在吊索中部设置减振架，减振架将一个吊点的2根吊索互相联系，以减小吊索的风致振动。在距桥跨中心16m的前后2个吊点处设置柔性斜扣索，形成缆梁联结。全桥共有8根斜扣索；每根扣索由61根高强平行钢丝组成，采用与吊索相同的双层PE防护，钢丝技术要求也与吊索钢丝相同。扣索上端采用销接式热铸锚头，下端采用承压式热铸锚头。

索夹采用上下对合的结构形式，用缩腰形的M42高强螺杆连接紧固。索夹壁厚均为35cm，材质为ZG20Mn铸钢。连接吊索的索夹根据索夹长度不同分为8组，同一组索夹耳板销孔位置略有变化，以适应索夹倾角的变化。距桥跨中心16m处吊点的索夹与吊索和斜扣索连接。

4.3 主索鞍

主索鞍采用铸焊结合结构；鞍头用ZG270－480H铸钢铸造，鞍身由Q345R钢板焊成。主索鞍结构见图2。主索鞍长5.7m，宽2.8m，高3.25m，主缆中心线处鞍槽半径6.5m。鞍槽内各列索股间设竖向隔板以增加主缆与鞍槽间的摩阻力并方便索股定位。在索股全部就位并调股后，在顶部用锌质填块填平，再将鞍槽侧壁用螺栓夹紧。主索鞍设顶推反力装置，鞍体下设不锈钢板－聚四氟乙烯板滑动副，以便于鞍座顶推。西坝侧主索鞍设锚梁，用于锚固边跨增加的4根背索索股。塔顶设有钢格栅，用于安装主索鞍。钢格栅向边跨侧悬出塔顶以外；悬出部分设顶推反力架，以便安置控制鞍体移动的千斤顶。主索鞍就位后，通过锁定板固定鞍体，再割除格栅的悬出部分。为减轻吊装运输重量，将鞍体沿竖直面分割成前后2件，每件重量控制在45t以下，吊至塔顶后用高强度螺栓拼接整体。

图2 主索鞍结构（尺寸单位：mm）

4.4 散索鞍

散索鞍为摆轴式结构，采用铸焊结合的形式，鞍槽用ZG270－480H铸钢铸造，鞍身由Q345R钢板焊成。散索鞍结构见图3。

图3 散索鞍结构（单位：mm）

理论散索点到散索鞍底混凝土面的距离为5.0m。鞍槽底最低处竖弯半径从边跨向锚跨分3次变化，半径分别为7.0，5.0和3.0m；鞍槽侧壁的平弯半径为9.1m。

为增加主缆与鞍槽间的摩阻力和方便索股定位，鞍槽内设竖向隔板。隔板适应散索线形，由边跨到锚跨逐渐变厚。在索股全部就位并调股后，在顶部用锌块填平，上紧压板及楔形块等压紧设施，再将鞍槽侧壁用螺杆夹紧。

4.5 锚固系统

锚固系统采用钢构件锚固体系，由后锚梁和锚杆组成。后锚梁埋于锚碇混凝土内，锚杆一端连接在后锚梁上，另一端伸出锚体，与主缆索股相连接［2］。索股拉力通过锚杆传递到后锚梁，再通过后锚梁的承压面传递到锚碇混凝土。后锚梁由2片［形梁通过缀板连接而成。锚杆采用H形截面，置于后锚梁的2片［形梁之间，2块翼板与后锚梁2片［形梁的腹板焊接，锚杆内力通过该焊缝传递给后锚梁。为了避免由于锚杆与锚体混凝土之间的粘结而导致锚杆周围混凝土受拉开裂，在锚体混凝土浇注前，用超低模量高伸长率聚硫防腐密封胶盖裹于锚杆外围，再浇筑锚体混凝土。

4.6 加劲梁设计

加劲梁采用板式结构的钢－混凝土结合梁，由钢梁与混凝土桥面板结合而成，断面布置见图4。加劲梁全宽33.2m，中心线处梁高3.08m，顶面设坡度为2%的双向横坡。钢梁采用Q345qD钢材，分段制造、安装；标准节段长度为16.0m，节段间采用熔透对接焊连接。混凝土桥面板采用C60混凝土，厚度为22cm，横向宽25m。

混凝土桥面板通过圆柱头剪力钉与钢梁结合共同受力。桥面板分块预制，横向分2块，纵向每个横梁间隔1块，湿接缝处现浇C60微膨胀混凝土与钢梁结合。预制桥面板标准平面尺寸为2.64 m×11.74m，边缘开有锯齿状剪力槽。

图4 1／2吊点处横梁截面（尺寸单位：mm）

4.7 主塔设计

主塔作为悬索桥的主要传力构件，其基本功能是满足结构受力要求，在此基础上由于其高耸的形象引人注目，起着象征、标志的作用，是悬索桥景观设计的重要内容。悬索桥主塔不仅要运用结构学原理进行设计，满足交通使用的要求，还要运用美学原理进行构思，展现鲜明的地域文化特征，满足人们观赏的要求。大江桥主塔基本形态为门形框架，但采用一种别致新颖的构建方式，集中突出“山石”的造型特征，反映宜昌的山水文化。主塔外形效果见图5。

图5 主塔效果图

主塔由塔柱和上横梁组成。塔柱采用钢筋混凝土结构，上横梁采用预应力钢筋混凝土结构。主塔高107.0m，塔顶高程为＋163.5m。2塔柱内侧壁竖直，外侧壁沿高度呈1∶53.5的坡度，塔柱间横向净距28m；采用梯形单箱双室变截面，内侧纵向尺寸从塔顶7.5m渐变至塔底8.5m，外侧纵向尺寸从塔顶6.5m渐变至塔底7.1m；横向尺寸从塔顶5.0m渐变至塔底7.0m。上横梁采用矩形箱形截面，中部8.0m为等截面，高8.5m，宽5.5m，壁厚均为1.0m；两端各10.0m为变截面，高均为8.5m，宽由5.5m渐变为6.5 m，顶面和底面壁厚为1.0m，侧面壁厚由1.0m渐变为1.5m。

5 主要技术特点

（1）抗风稳定性设计。自美国塔科玛大桥风毁事故后，对悬索桥加劲梁的抗风稳定性研究引起了各国的重视。多数桥梁设计者认同板式加劲梁结构因刚度小、抗扭能力差而容易出现颤振失稳的观点［3］。抗风稳定性是板式加劲梁设计需要解决的重要问题。影响板式加劲梁悬索桥抗风稳定性的因素有加劲梁的扭转能力、加劲梁截面形状的气动特性和结构体系方面的制振措施。庙嘴长江大桥大江桥加劲梁采用了如下有利于抗风的措施：①采用22cm厚的实心混凝土桥面板，扭转刚度大，同时恒载重，重力刚度大，对抗风有利；②钢梁两侧设置风嘴和桥面板下方距中心线7m处设置抗风稳定板，均改善了加劲梁的气动外形；③在距桥跨中心16m的两侧吊点处设置斜扣索和在梁端设纵向阻尼器，有助于增强结构体系制振能力。抗风试验研究结果见表1。研究结果表明庙嘴长江大桥加劲梁颤振稳定性满足要求。

表1 全桥气弹模型试验结果

（2）主缆耐久性设计。大江桥主缆防腐通过钢丝表面镀层、主缆表面防腐涂装和注入干燥空气除湿3道措施保证。主缆表面防腐涂装采用“不干性密封膏＋圆形钢丝缠丝＋聚硫橡胶包覆层＋防腐涂装材料”，满足《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》（JT／T 69－2007）的技术要求；而主缆内注入干燥空气除湿通过设置专门的除湿系统实现。国内已建成悬索桥的主缆钢丝普遍采用镀锌层防腐；但已有研究认为，镀锌铝合金钢丝耐腐蚀性好于镀锌钢丝，且镀锌铝合金高强钢丝在国外悬索桥主缆已有应用实例，国内仅泰州长江大桥主缆有1根索股试验性采用镀锌铝合金高强钢丝。为使大江桥使用寿命更长，大江桥主缆在国内首次全部采用镀锌铝合金高强钢丝。

6 静力计算结果

6.1 计算模型

采用非线性有限元软件BNLAS建模进行整体静力分析和计算。主缆用悬链线索单元进行模拟，吊索以膜单元进行模拟，主塔、基础和加劲梁用梁单元进行模拟。考虑加劲梁竖曲线、桥面横坡等情况，边界约束条件为：桩底固结；主缆在锚固点固结；加劲梁两端约束竖向位移，横向与塔柱连接。

6.2 荷载

（1）恒载。按各结构构件重量取值。

（2）汽车活载。按公路－I级6车道加载计算，横向折减系数0.55，纵向折减系数0.94。

（3）人群荷载。总体计算取2.875kN／m2，局部计算取4kN／m2。

（4）温度荷载。参考桥址处平均最高气温、平均最低气温，并考虑结构本身的升温、降温特征，选取钢结构体系升温30℃，降温－30℃，混凝土结构体系升温20℃，降温－20℃。

（5）风荷载。根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG／T D60－01－2004）的规定，宜昌v10＝24.1 m／s，桥址处地表类别取为B类，参与汽车荷载组合的有车风荷载基于桥面高度处的风速vd＝25 m／s。其他构件的风荷载根据以上风速按规范求取。

6.3 主要计算结果

（1）位移结果。加劲梁在活载作用下的最大竖向挠度和风荷载作用下的最大横向变形见表2。

表2 加劲梁挠度

活载和温度作用下，梁端位移和塔顶纵向位移见表3。

表3 纵向位移 m

（2）应力结果。加劲梁在恒载＋活载＋温度组合作用下，混凝土桥面板最大拉应力为2.63 MPa，最大压应力为3.58MPa；钢主梁最大拉应力为105.47MPa，最大压应力为73.54MPa。主缆在恒载＋活载＋温度组合作用下最大应力为694.2MPa，安全系数为2.55。主塔主力组合作用下，最大压应力为16.44MPa，最小压应力为3.06MPa。主力＋附加力组合作用下，最大压应力为17.97MPa，最小压应力为1.06MPa。计算结果表明，上述各项应力均满足规范要求。

7 结语

宜昌庙嘴长江大桥大江桥缆索在国内首次全部采用镀锌铝合金钢丝，加劲梁采用钢板梁与混凝土桥面板结合的板式结构梁。上部结构设计着重研究了悬索桥板式加劲梁抗风稳定性问题，采用的抗风构造措施简单、有效，可为悬索桥加劲梁抗风设计提供借鉴。该桥于2012年11月开工建设，目前正在进行加劲梁吊装，计划2015年12月建成通车。

［1］中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉市政设计研究院有限公司.宜昌市庙嘴长江大桥工程施工图［Z］.武汉：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，2013.

［2］唐贺强，曹洪武，万田保.重庆寸滩长江大桥主桥设计［J］.桥梁建设，2013，43（3）：71－76.

［3］徐恭义.板式加劲梁悬索桥［M］.成都：西南交通大学出版社，2010.