武穴長江公路大橋總體設計

彭曉彬，詹建輝，常英，馮云成

(1.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司)

1 工程概況

武穴長江公路大橋是湖北省“953”高速公路網縱一線(麻城至陽新高速公路)和國道220線(東營至深圳公路)跨越長江的關鍵性控制工程，橋位上距棋盤洲長江公路大橋約40 km，下距九江長江公路二橋約45 km。

路線全長30 993 m，其中跨江主橋全長1 403 m，兩岸接線長29 590 m；設互通式立交5處(武穴西樞紐互通、四望互通、武穴互通、富池互通、楓林東樞紐互通)，分離式立交6處；設匝道收費站3處、服務區(qū)1處、監(jiān)控管理分中心1處、養(yǎng)護工區(qū)1處、超限超載檢測站3處，改移杭瑞高速公路鄂東南省界收費站1處。

全線采用設計速度100 km/h的高速公路標準建設，其中武穴互通至富池互通段3 722 m(含跨長江主橋)采用雙向六車道標準，橋梁寬度(不含布索區(qū))采用33.5 m，其余路段27 271 m采用雙向四車道標準，路基寬度26 m。

大橋位于長江中下游田家鎮(zhèn)河段，其下游為龍坪河段。橋位河道狹窄，江中靠右岸有鯉魚洲，河床縱向下切很深；由于大地構造斷裂和基巖節(jié)點等控制，總體河勢較為穩(wěn)定。河段航道技術等級為Ⅰ級，代表船隊船型分別為Ⅰ-(1)級航道四排四列船隊(406.0 m×64.8 m×3.5 m)和5 000 t級船舶。主通航孔橋墩按代表船型、船隊船撞力進行設計，同時按5 000 t級海輪、10 000 t級內河船舶進行防撞校核；其余水中橋墩按3 000 t級船舶考慮防撞標準。

大橋設計基本風速為30.1 m/s。橋址區(qū)長江左岸地勢平緩，右岸為丘陵地貌。場地構造較穩(wěn)定，發(fā)生滑坡、泥石流、崩塌、塌陷等地質災害的可能性較小，可不考慮斷裂錯動對地面建筑的影響。大橋抗震設計采用兩水平設防、兩階段設計的設計思想，E1作用下(50年超越概率5%)地震動峰值加速度為72.0 cm/s2, E2作用下(50年超越概率2%)地震動峰值加速度為109.4 cm/s2。

2 橋位選擇

橋位所處河道由一個單一微彎河段和一個微彎分汊河段組成，上段江中靠右岸有鯉魚洲，下段為鵝頭形分汊河道。該河段具有江窄、河道彎道多、港口作業(yè)區(qū)和錨地多、水流復雜等特點。河段南北兩岸均為低山地貌，山體分布優(yōu)質石灰石較多，沿山腳和江邊分布有大量企事業(yè)單位和相關配套碼頭設施。結合橋位通道選取原則在長江田鎮(zhèn)至碼頭鎮(zhèn)約28 km江段內，自上而下提出了田鎮(zhèn)-半壁山、余祥-上巢湖、郭祥-碼頭鎮(zhèn)3個橋位方案，3個橋位相距各約10 km(工程河段河勢及工程位置見圖1)。考慮到余祥-上巢湖橋位雖南岸接線地形條件較復雜、壓覆礦產資源較多，但符合麻陽高速公路總體走向，主流交通順捷，建設規(guī)模較小，湖北、江西兩省均贊成該橋位，最終推薦采用余祥-上巢湖橋位。

選定的余祥-上巢湖橋位位于長江下游航道里程約844.7 km。北岸位于武穴市余祥村上游，下距武穴市市區(qū)約4.5 km；南岸位于陽新縣富池鎮(zhèn)下游，上距富池鎮(zhèn)約6.0 km，滿足橋位選擇 “近城不進城”原則。

圖1 工程河段河勢及工程位置圖

3 橋梁跨徑布置

武穴長江大橋橋型方案根據(jù)橋梁建設條件、功能要求合理確定。橋墩位置、跨徑布置需滿足地形地質、水利防洪、港口航道和地面道路等要求，同時在結構受力合理的基礎上，以橋梁跨徑布置方案的經濟合理性作為基本目標。

橋址處北岸地勢平緩，地面高程16～18 m；南岸為山嶺地貌，地形地貌受當?shù)夭墒_挖影響較大。江面寬約1 220 m，河道較順直，岸線穩(wěn)定，主橋橋型及橋墩布設考慮因素包括：① 河床斷面呈不對稱“V”形，深槽靠近南岸，深槽部位江底狹窄，水流湍急，沖刷較大。從維護南岸坡穩(wěn)定、滿足船舶航行需要、保證橋梁安全及節(jié)省工程投資等考慮，主墩基礎宜設置于最高通航水位以上的岸坡處；② 通航條件：目前工程河段航道最小維護水深為航行基面下4.0 m，橋位處常年保持基面下4.0 m水深，此處水域寬度為547 m，該范圍內不能設置橋墩；4.0 m水深水域擺動范圍為935 m，該范圍內宜少設橋墩(橋位河床縱斷面變化見圖2)；③ 橋位北岸側有兩道防洪堤(黃廣大堤和利豐民垸堤)，兩堤間距達320 m，南岸無防洪堤。橋跨布置應考慮泄洪影響及堤防安全。

圖2 余祥-上巢湖橋位河床縱斷面變化圖(單位：m)

目前中國鋼桁拱橋和鋼箱拱橋最大主跨達550 m左右，但多跨鋼桁或鋼箱拱橋設計施工技術難度大，經濟性相對較差。如采用懸索橋方案，可采用主跨1 310 m或2×730 m方案，但武穴岸側堤外設錨碇對防洪有不利影響，且大橋工程和投資規(guī)模相對較高。斜拉橋方案考慮了主跨2×490 m、主跨2×570 m三塔斜拉橋方案和主跨808 m雙塔斜拉橋方案。航道部門認為三塔斜拉橋方案在深水區(qū)設墩較多，且中墩對船舶航行有一定影響；雙塔斜拉橋方案808 m主通航孔可滿足雙向通航要求，290 m輔助通航孔可滿足單向通航要求，同時808 m+290 m可覆蓋橋位4.0 m深槽水域變化范圍，并滿足設計代表船隊三線通航要求，能夠較好地適應航道變化及航運發(fā)展規(guī)劃要求。因此最終推薦采用主跨808 m雙塔斜拉橋方案。

根據(jù)防洪基本要求，跨利豐民垸堤孔橋跨徑不小于60 m，跨黃廣大堤孔橋跨徑不小于80 m，且橋梁下構基礎與堤腳距離不小于10 m。基于上述要求，跨堤孔橋采用主跨100 m預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁。一般陸地段引橋按墩高與跨度協(xié)調的原則采用30 m基本跨度梁橋，互通匝道橋采用支架現(xiàn)澆預應力箱梁，一般高架橋采用施工快捷及經濟性較好的裝配式預應力混凝土T梁。

4 大橋縱斷面設計

武穴長江大橋及兩岸接線臨江段的縱斷面設計主要受武穴城市規(guī)劃遠期通道、長江主副通航孔凈空、南岸山體挖方、富池互通、豐山隧道以及隧道出口標高等因素控制。

結合通航凈空要求，考慮運營期間橋面排水及結構整體受力需要，長江大橋范圍宜采用雙向坡，并將豎曲線最高點設置主跨中心合龍點。長江大橋江面開闊，空氣濕度較大，冰雪天氣鋼橋面易出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，為減小運營期間車輛側滑風險，長江大橋主橋最大縱坡推薦采用2%，凸曲線半徑推薦采用30 000 m，主橋平面均位于直線段上。

大橋北岸地勢較低，地面標高約17 m，北岸接線根據(jù)地方意見預留城市規(guī)劃遠期穿越通道，路段縱坡按路線規(guī)范要求控制。南岸接線縱斷面設計思路如下：① 富池互通主線及匝道的挖方邊坡按8級控制，由此大橋南岸橋臺處設計高程取65 m；② 鑒于挖方段山高坡陡，且富池互通主線范圍存在超高緩和段，考慮設置1%縱坡對排水更為有利；③ 豐山隧道洞口臨近豐山銅礦尾砂庫，應確保洞口設計高程大于尾砂庫設計標高+100 m，同時豐山隧道出口接線位于富池互通主線范圍，故設置1.8%的單坡將隧道出口設計高程降至61 m。長江大橋臨江段縱斷面示意見圖3。

5 主橋總體設計

主橋實施方案為(80+290+808+75+75+75) mPK鋼箱混合梁斜拉橋(主橋橋型布置見圖4)，大橋主跨和北邊跨位于長江河段深水區(qū)，采用鋼箱梁結構以減少深水區(qū)主梁架設風險；南邊跨位于山嶺邊坡區(qū)，采用預應力混凝土結構以節(jié)約造價。由于該橋跨徑較大，結構體系的非對稱性對結構內力分配、構造設計及施工方法等都有較大影響，總體設計時需兼顧主梁高跨比、邊中跨比、塔高比、輔助墩及斜拉索的合理布設，以改善大跨度非對稱體系斜拉橋的結構響應及其非線性影響。

圖3 臨江段縱斷面示意圖(單位：m)

5.1 主梁設計

主梁設計中研究了雙邊矩形箱組合梁和PK鋼箱混合梁2種主梁形式。經綜合比較認為，雖然800 m左右組合梁斜拉橋在理論計算上具備可實施性，但大跨度鋼箱梁斜拉橋方案技術成熟，施工方便，結構重量輕，經估算可節(jié)約工程建安費7.3%，故推薦采用PK鋼箱混合梁方案。

5.1.1 鋼箱梁

北邊跨和中跨鋼箱梁全長1 166.6 m，標準段采用分離式雙邊箱斷面，兩邊箱之間以橫梁連接；北邊跨尾索區(qū)考慮壓重需要采用封閉截面，為單箱三室斷面。主橋鋼箱梁全寬38.5 m，至索塔區(qū)縮窄為36.0 m，鋼箱梁頂板外表面至底板內表面高3.8 m(鋼箱梁標準橫斷面見圖5)。標準梁段長15 m，全橋梁段最大吊裝重量332.1 t，最小吊裝重量93.9 t，鋼箱梁主體結構材質采用Q345qD。

圖4 主橋橋型布置圖(單位：cm)

圖5 鋼箱梁標準橫斷面(單位：mm)

為提高橋面系抗疲勞性能，U肋與頂板焊接設計要求全熔透，采用多頭門式焊機+雙向反變形胎架。U肋焊接方式應根據(jù)單面自動焊、雙面自動焊或單面焊雙面成型等工藝研究進展、工程實施經驗及成熟情況擇優(yōu)采用，設計推薦采用全自動內焊系統(tǒng)、機器人雙面施焊的焊接工藝。U肋與底板連接設計采用單面坡口焊，制造時也可采用全自動U肋內焊系統(tǒng)，形成U肋與底板雙面貼角焊。

5.1.2 預應力混凝土箱梁

南邊跨采用與鋼箱梁同外形的預應力混凝土箱梁，全長236.4 m；箱梁全寬38.5 m，至索塔區(qū)縮窄為35.5 m，預應力混凝土箱梁外輪廓梁高3.822 m。標準段頂板厚35 cm，底板厚40 cm，斜底板厚35 cm，內腹板厚55 cm(混凝土箱梁標準橫斷面見圖6)。索塔處設置厚2.5 m橫隔板，輔助墩及過渡墩頂各設置厚3.0 m橫隔板，與鋼混結合段相連接橫隔板厚1.40 m，其余橫隔板箱內厚45 cm，箱外厚35 cm，順橋向橫隔板標準間距為7.5 m(塔區(qū)由5.5 m減小至4.0 m)。

混凝土箱梁要求采用長節(jié)段跳倉支架現(xiàn)澆施工，自梁端開始分成3個施工段和2個濕接縫，每個施工段分若干節(jié)澆筑。考慮箱梁構造、拉索間距、混凝土泵送能力及人員工作強度等要求，每次澆筑方量控制在1 200 m3，每節(jié)長度控制在15 m內。考慮后澆濕接縫與先澆節(jié)段混凝土之間存在收縮變形差和界面黏結，接縫過長會出現(xiàn)收縮變形差過大，過短則施工質量難以保證，確定濕接縫長2.1 m。

圖6 混凝土箱梁標準橫斷面(單位：mm)

為保證大節(jié)段寬幅混凝土箱梁始終處于三向受壓狀態(tài)，降低混合梁斜拉橋寬幅混凝土箱梁早期開裂風險，南邊跨預應力混凝土箱梁采用三向預應力混凝土結構，縱、橫、豎向預應力均采用體內鋼束，并根據(jù)箱梁節(jié)段澆筑時序和運營期受力特性進行預應力鋼束無齒塊布置設計。為減少短預應力鋼束的應力損失，長度小于10 m的預應力鋼絞線采用低回縮量錨具。

5.1.3 鋼-混凝土結合段

設計選取結合面伸入主跨5、11.4和42.75 m共3種鋼-混凝土結合面方案進行對比研究。經綜合比較認為，雖然方案2存在彎矩幅值偏大問題，但該方案施工工藝簡便經濟、橋梁施工安全風險較小，后期可通過設置預應力、優(yōu)化索力等措施對主梁彎矩進行適當優(yōu)化，因此最終確定鋼-混凝土結合面設于主跨距南塔中心線11.4 m處。

鋼混結合段的設計應連接可靠，傳力明確，能較順暢地傳遞截面各項內力并且剛度過渡平穩(wěn)。通過對4類鋼混結合段形式分析，該項目采用有格室的后承壓板構造。鋼混結合段長5.8 m，鋼格室腹板上設置PBL剪力鍵，格室內填充自密實混凝土，并通過剪力鍵及鋼板與混凝土的摩擦力傳遞軸力、剪力和彎矩。鋼格室通過鋼箱梁加強段與鋼箱梁連接，鋼箱梁加強段長3.0 m，采用在U肋中間加設T形加勁的方式(鋼混結合段主要構造見圖7)。考慮到T肋尾端與U肋相接處截面發(fā)生突變，U肋順橋向壓縮變形受到T肋約束，U肋局部承壓容易出現(xiàn)應力集中。綜合考慮日本多多羅大橋、生口大橋和中國鄂東、荊岳等長江大橋建設經驗，將T肋加長至3 m，并延伸至橫隔板處密貼，以通過橫隔板約束T肋軸向變形，減小應力變化。

圖7 鋼混結合段主要構造(單位:mm)

5.2 主塔設計

根據(jù)主梁斷面、索面布置以及景觀需求，主塔采用鉆石形混凝土塔。北塔高269 m，南塔高233 m，索塔橋面以上高度均為206 m。北塔設置下橫梁，橫梁以下內收整體呈鉆石形；為抵抗船撞，下塔柱設防區(qū)域設置十字形隔板，主塔一般構造見圖8。南塔下塔柱高21.6 m，為減小下塔柱在溫度和風荷載作用下的開裂風險，將下塔柱沿中塔柱外側輪廓張開，并取消下橫梁構造，設置7.3 m高牛腿作為主梁豎向支撐和施工期臨時固結平臺。

圖8 主塔一般構造圖(除標高單位為m外，其余單位:cm)

北塔基礎采用群樁基礎，承臺采用啞鈴形承臺，承臺厚度7 m。承臺上設2 m高塔座，承臺下梅花狀布置38根直徑3 m鉆孔灌注樁，樁長84 m。南塔基礎采用群樁基礎，承臺采用矩形承臺，承臺厚度7 m。承臺下行列式布置36根直徑3 m的鉆孔灌注樁，樁長59 m。針對主塔大直徑鉆孔樁、中風化砂巖夾頁巖強度高(平均抗壓強度28 MPa，最大抗壓強度56 MPa)和強風化斜坡巖漏水嚴重的施工特點，開發(fā)了大直徑斜坡巖鉆孔系統(tǒng)，確保了施工效率和成孔質量。

5.3 斜拉索及錨固

主橋鋼箱梁段順橋向標準索距為15 m，南邊跨混凝土箱梁段標準索距為7.5 m，北邊跨鋼箱梁尾索區(qū)標準索距為9 m和12 m；斜拉索按扇形布置，每個索面由26對高強度平行鋼絲斜拉索組成，全橋共4×26對(208根)斜拉索，鋼絲標準抗拉強度≥1 770 MPa。斜拉索防護采用“鍍鋅-5%鋁鋼絲+雙層HDPE+雙層PVF氟化膜膠帶”多層防腐系統(tǒng)。

斜拉索張拉方式為塔端張拉，其在梁端錨固形式采用鋼錨箱方式，塔端錨固形式采用鋼錨梁方式。為使斜拉索的風、雨激振和渦激振動得到抑制，該橋斜拉索采用阻尼器、氣動措施并用的綜合減振方案。氣動措施通過在斜拉索表面現(xiàn)場纏繞固定螺旋線實現(xiàn)；減振阻尼器包括內置式阻尼器(減振橡膠圈)和外置式阻尼器，外置式阻尼器擬采用杠桿質量減振器LMD(荊岳長江公路大橋采用了此方案)。

6 結語

武穴長江公路大橋處于兩省、三地毗鄰地帶，協(xié)調難度較大；道路沿線分布有眾多采礦權和探礦權企事業(yè)單位，建設環(huán)境復雜。總體設計兼顧了橋位處通航、水利、礦產資源與交通各方面的需求，較好地實現(xiàn)了區(qū)域經濟社會與長江過江通道布局的整合發(fā)展。結合建設條件，跨江主橋采用主跨808 m單側混合梁斜拉橋，該橋采用的預應力混凝土梁長節(jié)段跳倉支架現(xiàn)澆施工、鋼箱梁U肋全熔透焊接技術、鋼-混凝土結合段U肋加勁設計、無下橫梁主塔構造設計、大直徑斜坡巖鉆孔系統(tǒng)等關鍵技術可為類似大橋建設提供借鑒。該橋已于2016年12月開工建設，預計2020年建成通車。