商合杭高铁芜湖长江公铁大桥总体设计

张州， 易伦雄， 王东晖

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430056）

0 引言

随着经济社会发展，越来越多长江大桥建成通车，桥位资源也越来越紧张。修建多功能合并过江桥梁、扩大单通道运输能力，对优化岸线资源、节约土地资源、减少环境污染具有重要意义。商合杭高铁芜湖长江公铁大桥采用高速客运专线铁路、城市主干路、预留远期城际铁路多功能合并过江建设方案。

公铁合建桥梁提高通道资源利用效率，荷载集中为长江大桥结构设计带来挑战。易伦雄［1-2］通过分析总结国内外铁路斜拉桥工程实例，提出适合大跨度铁路斜拉桥受力特点的板桁、箱桁组合结构主梁，桥面板系统承受斜拉桥主要轴向压力，钢桁架提供铁路桥梁所需刚度，截面效能得以充分发挥。张州等［3］通过对多种桥梁基础形式研究比选，选择经济合理的深水桥梁主塔基础方案。张树才等［4-6］分别对深水桥梁桩基础、设置沉井基础施工关键技术展开研究，针对深水桥梁基础施工的技术难题给出系列解决方案。众多学者对长江大桥桥型、主梁、主塔、基础等结构设计和施工进行研究，对跨度大、荷载大、塔高受限的建设条件下长江大桥设计奠定基础。现从商合杭高铁芜湖长江公铁大桥的建设条件、总体布置、桥型方案、力学特征、技术创新等方面详细论述大桥的总体设计，技术总结的同时也为多功能合建桥梁设计提供指导和借鉴。

1 概述

1.1 工程背景

商合杭高铁芜湖长江公铁大桥连接芜湖市鸠江区与镜湖区，在弋矶山附近跨越长江，距离上游芜湖长江二桥约28.0 km，距离下游芜湖长江公铁大桥约3.5 km，是新建商丘—合肥—杭州高速铁路的关键工程。

1.2 水文、地质

大桥位于芜裕河段下段芜裕分汊河段，包括芜湖段和曹姑洲、陈家洲汊道。芜湖段河道顺直，自上而下逐渐展宽，深槽偏靠右岸，青弋江出口以下山前基座阶地紧靠江边，沿岸有弋矶山、广福矶临江而立，控制芜湖段河床变化。曹姑洲头至东梁山，河道分汊，曹姑洲、陈家洲顺列江中，洲滩近期变化较为频繁，水流分散，左汊为支汊，右汊为主汊。桥址所在芜湖段相对较为稳定，汊道段河床冲淤变化较大［7］（见图1）。

图1 桥位河段2011年5月河势图

300 年一遇洪水位+12.06 m（1985 年国家高程基准，下同），最高通航水位+11.07 m，最低通航水位+0.55 m。

桥址区水域覆盖层为第四系全新统冲积层。发育厚度从左岸向右岸方向逐渐变薄，近左岸最厚处约30 m，近右岸基岩则直接裸露于水底。覆盖层岩性主要为冲、洪积稍密～中密状粉、细砂，少量中～粗砂，底部发育有薄层细圆砾土。

场区基岩主要为燕山期侵入的火成岩（闪长玢岩）及三叠系中晚期黄马清群陆相沉积碎屑岩后因火山岩侵入而形成热液接触变质岩（角岩、角岩化砂岩、角岩化砂质泥岩）。局部地段有因后期断裂错动、挤压而形成的构造岩类（碎裂岩、构造角砾岩）。近左岸岩面高程-38～-48 m，侵入的闪长玢岩岩面则呈波状起伏，近右岸岩石大多直接裸露于河床，岩面高程在-8～-26 m。

1.3 地震

桥位区域具有中强地震构造环境，下扬子盆岭构造带、苏北沉降区、长江三角洲沉降区等伸展运动单元是中强地震多发构造区。桥位工程场地基岩峰值加速度（PGA）见表1。

表1 桥位工程场地基岩水平向峰值加速度（PGA） cm/s2

1.4 气象

芜湖属亚热带湿润季风气候，温和湿润、光照充足、雨量充沛、四季分明，年平均气温为16.0 ℃，极端最低气温为-13.1 ℃，极端最高气温为41.0 ℃。

年平均降水量1 195.5 mm，常年主导风向为东风，夏季多偏南风，冬季多偏北风。

1.5 航空限高

长江大桥建筑高程受芜湖机场航空限高限制，根据相关规范核准桥梁建筑高程为右岸塔顶标高+125.0 m，左岸塔顶标高+141.5 m。

2 主要技术标准

大桥为公铁合建桥梁，上层通行8 车道城市主干路，设计时速60 km，下层通行2 线商合杭高铁，设计时速250 km，预留2线城际铁路，设计时速160 km。航道等级为I-（1）级航道，按300年一遇频率水位设计。

3 总体设计

3.1 桥跨布置

桥址工程段横断面形态总体呈偏右的U 形，深槽区位于河床右侧，受山体基岩保护，河床右侧变化始终较小，桥址断面由于在深槽中部有基岩，断面深槽成W形。

为满足水中船舶通航需要同时兼顾地形地质及航空限高要求，主桥研究采用不对称高低塔斜拉桥布置，主跨跨度588 m。主桥孔跨布置与河床横断面变化及航道位置关系见图2。

图2 主桥孔跨布置与河床横断面变化及航道位置关系

3.2 总体结构布置

满足543 m 单孔双向通航宽度要求的桥型有斜拉桥、悬索桥及拱桥。悬索桥满足建筑高度时，两侧锚碇均位于大堤的临水侧，对防洪影响较大，不可行［8］；588 m 的公铁两用钢桁拱桥矢跨比约1/6，经计算部分杆件因内力巨大而设计困难，且主墩处拱脚对桥下通航空间有一定影响，造价昂贵，也不具备可行性；研究采用斜拉桥方案跨越长江。

主跨跨度588 m满足代表船型单孔双向通航要求，北侧238m与南侧224m辅助通航孔满足5000t级以下船舶单向通航宽度要求，北侧98 m桥跨满足合裕线与芜申运河跨越长江联通工程单向通航要求。为平衡主跨受力，降低梁端转角及边墩负反力，南侧布置1孔84m边跨，跨江主桥跨度布置为（98+238+588+224+84）m=1 232 m。桥梁立面布置示意见图3。

横断面（见图4）上采用公路在上铁路在下的方式布置，上层桥面宽35 m，斜拉索锚固在下层桥面主桁外侧，下层桥面宽41 m（未含风嘴）。

3.3 结构体系

大桥采用半漂浮体系，0#—5#墩梁之间设置竖向支座，单个墩顶横向设置3个支座，上下游均为多向活动支座，横向中间设置不传递竖向力只进行横向限位的横向约束支座，2个主塔位置设置纵向阻尼装置及横向抗风支座，大桥结构支撑体系平面布置见图5。

其中横向限位支座主要为减小主桥整幅梁与引桥分幅梁在温度作用下轨道横向位移差值，满足主桥与引桥间轨道平顺过渡要求。

图3 桥梁立面布置示意图

图4 桥梁横断面布置示意图

图5 支撑体系平面布置图

4 主桥结构设计

4.1 高低矮塔结构

桥塔采用钢筋混凝土结构，浇筑采用C55 混凝土。桥塔外轮廓为门式框架形状，设置上下2道横梁。为充分利用机场限高要求、改善大桥总体受力，南北主塔采用高低塔造型，其中2#主塔塔顶高程+141.5 m，承台以上塔高155.0 m，3#主塔塔顶高程+125.0 m，承台以上塔高130.5 m。

2#主塔塔柱顺桥向尺寸8～9～13 m，其中9 m 为下横梁顶处的塔柱顺桥向尺寸，上塔柱高98 m，下塔柱高54 m。上塔柱标准段横桥向尺寸为8 m等宽，下塔柱横向尺寸为8.0～10.0 m。2#主塔主要结构示意见图6。

图6 2#主塔主要结构示意图

3#主塔塔柱顺桥向尺寸8～9～12 m，其中9 m 为下横梁顶处的塔柱顺桥向尺寸，上塔柱高81.5 m，下塔柱高46 m。上塔柱标准段横桥向尺寸为8 m等宽，下塔柱横向尺寸为8.0～9.7 m。3#主塔主要结构示意见图7。

斜拉索在主塔上采用钢锚梁与“#”字形预应力组合的锚固方式。施工期间主边跨斜拉索的水平力通过钢锚梁平衡，运营期间主边跨斜拉索的不平衡水平力通过钢锚梁传递到塔壁上，塔壁混凝土与“#”字形预应力钢筋共同承担。

图7 3#主塔主要结构示意图

4.2 强箱弱桁主梁结构

该桥斜拉索水平角度较小，主梁全断面轴力较大，且该桥通行高速客运列车，刚度要求高，因此主梁设计采用箱桁组合结构钢梁［9］。

主梁上层采用板桁结合，下层采用钢箱结合钢桁梁［1］，三角形桁架，两片主桁，桁中心距33.8 m，桁高15.0 m，节间长度14 m。桥梁横断面采用两片主桁的形式，全桥不设横联，在支点处设板式桥门架。主桁腹杆采用箱形或H 形截面［7］。支点及斜拉索处的主梁横断面见图8、图9。

图8 支点处主梁横断面

图9 斜拉索处主梁横断面

4.3 2 000 MPa级平行钢丝斜拉索

斜拉索采用Φ7 mm 平行钢丝拉索，标准抗拉强度为2 000 MPa，采用双索面布置，每个锚固位置布置2根斜拉索。全桥共布置拉索304根，选用PESC7-211、265、313、379、421、451、475、499、511、547 共10种规格的材料。

4.4 大型深水基础结构

2#主塔墩墩位处粉细砂厚约30 m，其下为破碎岩石，基础采用44 根Φ3.0 m 钻孔灌注桩，承台采用圆端形结构，外轮廓尺寸67.0 m×30.8 m，承台厚7.5 m［3］。基础采用双壁钢围堰施工［4］。2#主塔基础结构见图10。

3#主塔墩墩位处基础弱，微风化基岩直接裸露于河床底部，岩性为燕山期侵入闪长玢岩，岩石强度较高，为硬质岩。由于地基承载力较高，研究采用设置沉井基础。沉井基底尺寸为65 m×35 m，基底置于基础弱、微风化闪长玢岩中，沉井高19.5 m，沉井平面分为21 个井孔。先对表面的强风化岩石进行适当爆破、整平，然后将在工厂预制好的钢沉井结构浮运到墩位，下沉设置在处理好的岩石地基上［5-6］。3#主塔基础结构见图11。

图10 2#主塔基础结构

图11 3#主塔基础结构

0#、 1#、 4#、5#边 墩 及辅 助墩 基 础 均 采用 22 根Φ2.5 m钻孔灌注桩，根据地质条件桩长30～58 m。

5 技术创新

5.1 强箱弱桁组合钢主梁

斜拉桥主梁采用双层桥面的箱桁组合结构，斜拉索锚固在下层桥面的钢箱外侧。箱桁组合的主梁刚度大，对于本桥主塔较矮斜拉索分担的竖向荷载与常规斜拉桥相比有所降低的情况下，主梁有效分担竖向荷载，改善结构受力；箱桁组合结构主桁的截面面积大，有效承担由于塔矮索平带来主塔处主梁的巨大轴力；斜拉索锚固在下层桥面增大斜拉索的倾角，相当于增加有效塔高；斜拉索锚固在下层桥面，而上下层桥面的轴力按照面积进行分配，下层桥面为铁路桥面，恒载及活载均较大，这使大部分荷载以较短的路径传递到斜拉索及主塔上，减小通过腹杆传递的主梁轴力［10］。研究采用的主梁形式使本桥塔高受限条件下，极大改善斜拉桥结构体系受力。

5.2 2 000 MPa级平行钢丝斜拉索

受大桥塔矮索平的结构特点影响，斜拉索运营状态下最大索力达16 000 kN，单索索力远超其他已建在建斜拉桥的斜拉索拉力。设计采用了2 000 MPa 级锌铝合金镀层高强度钢丝斜拉索，最大规格547丝，是目前世界最大规格平行钢丝斜拉索。针对斜拉索锚固方式、锚具材质及加工工艺、斜拉索挂设及张拉等方面开展研究，解决了超大吨位斜拉索设计、制造与施工难题，拓展平行钢丝斜拉索的应用范围。

5.3 深水设置沉井基础

根据特殊地质、水文建设条件，3#主塔研究采用设置沉井基础结构。采用工厂预制钢壳，浮运至墩位，注水下沉到爆破清理好的岩石地基上，沉井精确调平后4周抛填碎石堵漏后，完成井壁及封底混凝土浇筑。设置沉井基础缩短深水基础施工工期、解决深水裸岩常规群桩基础施工难题、降低工程造价、开拓新型深水基础。

6 结束语

在满足江面通航、空中机场限高的条件下，大桥设计为主跨588 m的非对称矮塔斜拉桥。创新采用强箱弱桁的箱桁组合结构主梁、2 000 MPa 高强度平行钢丝斜拉索、斜拉索锚固在下弦、Q500qE 高强钢材等新技术、新材料，成功解决跨度大、荷载大、塔矮索平桥梁结构受力不合理的技术难题。

3#主塔基础采用设置沉井基础，通过陆地制造基础主体结构，水上拖拽浮运至桥梁墩位处，注水下沉到事先处理好地基上的施工方法，缩短深水基础施工工期、解决深水裸岩桩基施工困难、降低工程造价，为设置式桥梁基础在我国应用及海洋桥梁工程水深流急、浪高风大的建设条件下，采用预制和现场安装技术建造大型深水基础工程积累工程经验。