杜 萍

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430056）

二七長江大橋作為二環(huán)線控制工程之一，北岸連接漢口中心區(qū)和后湖組團，南岸連接武昌中心區(qū)和青山組團，是二環(huán)線的重要組成部分。正橋工程橋梁總長度為2 922m。車道數(shù)為雙向6車道，橋面標準寬度為29.5m。通航孔主橋采用三塔斜拉橋方案，跨徑布置為90m＋160m＋2×616m＋160m＋90m，見圖1。

圖1 二七長江大橋主橋立面布置圖（單位：m）

1 主要技術標準

（1）設計基準期：100年。

（2）道路等級：城市快速路。

（3）主線設計行車速度：80km／h。

（4）主線設計車道：雙向6車道，采用2×（3.5m＋2×3.75m）的行車道，兩側各布置2.25 m寬（包括欄桿）的人行道。

（5）設計洪水頻率：300年一遇。

（6）設計汽車荷載：城－A級。

（7）人群荷載：根據(jù)《城市橋梁設計荷載標準》（CJJ77－98）有關規(guī)定采用。

（8）抗震設防標準：地震烈度6級，按7級設防。

（9）通航凈空：通航凈空寬度，設置2主孔，通航孔凈空寬度均不小于575m。

通航凈空高度，按I－（1）級航道標準設計，2主孔通航凈高均不小于24m。

2 斜拉橋上部結構

2.1 概況

主橋設計為90m＋160m＋2×616m＋160m＋90m斜拉橋，斜拉橋主梁采用混合梁，其中漢口及武昌岸90m邊跨采用混凝土梁，其余梁段為工字鋼結合梁。梁高3.5m（橋梁中心線處），節(jié)間長度13.5m，斜拉索中心距為30.5m。

主塔采用混凝土結構，承臺以上高度205m。每塔兩側各有2×22根斜拉索。全橋共有斜拉索264根，斜拉索的索距為13.5m，斜拉索上端錨固于主塔上的斜拉索錨塊上，下端錨固于主梁上，在結合梁段斜拉索錨固采用錨拉板式構造，邊跨混凝土梁段采用導管式構造，斜拉索穿過預埋導管，錨固于邊主梁的底部。

斜拉橋處主梁橫斷面見圖2、圖3。

圖2 鋼－混凝土結合梁處主梁橫斷面（單位：m）

圖3 邊跨混凝土梁處主梁橫斷面（單位：m）

2.2 斜拉橋結構體系

邊墩、輔助墩以及主塔墩上均設有豎向支座和約束梁體橫向位移的支座，見圖4，僅中塔設有約束梁體縱向位移的構造，見圖5。

圖4 邊塔處支座約束布置圖

圖5 中塔處支座約束布置圖

2.3 鋼主梁的橫截面形式選定

加勁梁形式主要有鋼箱梁與結合梁2種方式。鋼箱梁斜拉橋具有施工可靠、技術成熟、速度快等特點，但是鋼橋面鋪裝的耐久性難題迄今尚無完美的解決方案。結合梁施工速度快，主梁的重量介于預應力混凝土梁和鋼箱梁之間，橋梁的體系剛度較鋼箱梁大、斜拉索疲勞應力幅低，同時，結合梁方案因橋面為混凝土結構，可克服鋼箱梁結構橋面鋪裝的耐久性問題。因此本橋采用結合梁方案。

開口斷面結合梁斜拉橋技術在國內外應用廣泛，在設計和施工方面均積累了豐富的經(jīng)驗。特別是近幾年，國內外大跨度結合梁斜拉橋的建設技術發(fā)展迅速，目前我國已建成主跨600m以上的結合梁斜拉橋2座，上海楊浦大橋主跨602m，加勁梁縱梁為小箱梁；福州青洲閩江大橋主跨605m，加勁梁縱梁為工字形鋼梁；本橋跨徑616 m，結合梁采用開口斷面技術上可行。

2.4 混合梁方案的選定

本橋邊跨總長度為90m＋160m＝250m，為平衡最不利狀態(tài)下的邊墩及輔助墩產生的巨大負反力，而主梁采用工字形結合梁，無足夠的壓重空間解決墩頂負反力的問題，經(jīng)研究，本設計擬將端部90m跨設計為混凝土梁，以提供壓重，從結構受力性能合理、施工工藝簡便和造價經(jīng)濟3個方面考慮，接頭選在位于輔助墩向中跨方向4.5 m 的位置［1］。

3 主梁設計

3.1 主梁設計概述

結合梁總長1 543m，其混凝土橋面板全寬為32.3m，支撐在由鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格系上，橫梁每隔4.5m設1道，橫向兩側為工字形邊主梁，中間設小縱梁（橋梁中心線處）。橋面板設計為與上述梁格系相結合的預應力鋼筋混凝土結合構件，混凝土橋面板與鋼主梁通過布置于鋼梁邊主梁及橫梁頂面的直徑22 mm圓柱頭剪力釘結合后共同受力。

結合梁混凝土橋面板分為預制和現(xiàn)澆2部分，預制板按照平面尺寸可分為2.4m×14.7m，3.4m×14.7m，3.9m×14.7m3種規(guī)格?，F(xiàn)澆部分為預制板間現(xiàn)澆縫，鋼梁邊主梁頂現(xiàn)澆帶。為減少混凝土收縮徐變對結構產生的不利影響，要求預制板存放時間不少于6個月，現(xiàn)澆濕接縫及現(xiàn)澆混凝土橋面板采用C60微膨脹混凝土。

結合梁全橋斷面上共有2片工字型邊主梁，間距30.5m。每片邊主梁斷面均為腹板外側布置有2條縱向加勁肋的I字型斷面，斷面全高2.935m，見圖6。

圖6 工字形鋼主梁橫斷面（單片）（單位：mm）

每片邊主梁的I型斷面板件根據(jù)下翼緣寬度不同分為5類：上緣板為900mm×36mm，下緣板寬度范圍為1 200～1 920mm，厚度為80mm，腹板厚36mm，2條縱向加勁肋均為432mm×36 mm，每段梁長在7～18m范圍內變化，其中以13.5m長的梁段數(shù)量為多。主梁梁段間工地采用M30的高強度螺栓連接。主梁縱向豎曲線通過梁段拼接接縫上、下縫之間的間隙差值來實現(xiàn)。單段主梁最大重量約52t，全橋范圍內共有351片橫梁。每片橫梁兩端分別支承在兩片主梁上，其計算跨度為30.5m，構件實際長度為29.56 m。橫梁的斷面形式為Ι形斷面，橫梁下緣板水平，上緣板在梁端向橋梁中心處按2%橫坡起坡的基礎上設置恒載預拱度。沿橋梁中心線處梁高為2.8m，所有橫梁兩端與主梁間均采用M24高強度螺栓工地連接。單片橫梁的最大吊重約78t。

本橋斜拉索的錨固采用錨拉板的結構形式［2］，見圖7。此種結構細節(jié)構造簡單，但對鋼梁的制造提出了較嚴的要求。根據(jù)索力大小不同，錨板厚度各不相同，厚度為28～50mm。

圖7 錨拉板結構圖（單位：mm）

鋼主梁的I字型截面用鋼板在工廠焊接成型，斜拉索的錨固拉板直接焊于主梁上翼緣中間，所以斜拉索錨固點范圍內的上翼板必須是具有良好Z向受力性能的鋼板［3］。

橋面板通過布置在鋼主梁及鋼橫梁頂?shù)募袅︶斉c鋼梁結合。剪力釘采用直徑22mm圓頭焊釘，ML15鋼，長160mm。其尺寸及性能應滿足GB10433－89。剪力釘在橫梁上的排列考慮橋面縱向預應力束布置的不同，分別排列。剪力釘間距15～30cm，設在普通鋼筋間距的中間，并避開預應力孔道。在邊主梁上剪力釘橫向每排6個釘，間距為12cm，橋梁中心線處為17cm。本橋剪力釘按單釘靜承載力50kN，疲勞剪力幅25 kN 設計［4］。

3.2 鋼－混凝土結合段設計

大跨度混合梁斜拉橋鋼混結合段是橋梁關鍵構造之一，其結構的靜力承載能力和抗疲勞性能直接關系到橋梁的安全性和耐久性，從目前國內已建成的混合梁斜拉橋（汕頭礐石橋、白沙洲大橋、桃夭門大橋、南昌英雄大橋）來看，鋼梁與混凝土梁一般采用箱型斷面，箱型斷面的混合接頭構造上采用鋼箱梁套在預應力混凝土箱梁之外，使全斷面成為一體，鋼箱梁的上、下翼緣板通過剪力釘（剪力件）摩擦、粘結與混凝土梁體牢固接合成為一體，并利用混凝土箱梁內的縱向預應力加以錨固，將鋼箱梁過渡段、鋼混結合段和混凝土箱梁過渡段3部分形成一連續(xù)結構［5］。

鋼梁采用工字鋼與混凝土梁連接，為國內首創(chuàng)，本橋采用I字型截面鋼主梁，與矩形截面的混凝土邊主梁進行鋼－混凝土混合接頭的設計，結構結合的斷面與常規(guī)的鋼箱梁的斷面相比，可利用的有效空間較小，而主梁鋼－混凝土混合接頭是混合梁橋結構受力的關鍵部位，如何保證該部位主梁內力傳遞可靠、剛度勻順過渡、混凝土與鋼梁結合密實是設計的關鍵所在。為此從以下幾方面進行分析與研究設計。

（1）內力傳遞。鋼板通過設置其上的板式加勁肋和抗剪焊釘與混凝土梁體牢固結合，形成彎矩的傳遞；同時在鋼主梁與混凝土梁之間采用預應力鋼筋連接，張拉預應力鋼筋使混凝土和鋼梁具有良好的整體性，見圖8。

圖8 鋼－混凝土接頭結構圖（單位：mm）

（2）剛度變化。2種材料在剛度上存在突變，采取對結合段鋼梁板材進行加厚，并增設多道加勁肋等措施。

連接部施工控制：該部位構造相對復雜，通過必要的構造措施和工藝試驗，盡量方便現(xiàn)場混凝土的澆注和振搗。

同時開展專題研究，通過理論分析和模型試驗，完善設計。

3.3 中塔處塔梁間縱向約束構造設計

本橋為3塔斜拉橋，為了滿足結構的體系剛度要求，同時減小3塔斜拉橋的活載位移，本橋在中塔處設計為塔梁鉸接的支承體系，即僅約束縱向、豎向2個方向的自由度，釋放轉動約束。此處需要約束的縱向水平力約為26MN／每塔，傳統(tǒng)的支座式的約束無法達到設計要求，同時由約束處的縱向水平力產生的彎矩對鋼主梁會產生附加彎曲應力，對鋼主梁的受力產生極其不利的影響。為此創(chuàng)造性地設計一個能滿足承受大噸位水平荷載的鉸接約束，同時又盡可能減小縱向水平荷載對鋼主梁產生附加彎曲應力的結構，能極大地優(yōu)化大跨度3塔斜拉橋或懸索橋中塔的支承約束設計。

設計中采用在中塔鋼梁橫梁位置處，位于橋梁中心線兩側各設一個U形弧面鋼結構限位擋塊，兩側U形弧面鋼結構限位擋塊繞穿橫梁底部并形成一個整體，見圖9。

圖9 中塔限位處橫梁和鋼主梁間的桁架結構圖

為增強結構抵抗水平抗力的能力，與U形弧面鋼結構限位擋塊相接觸的橫梁牛腿結構通過設在橫梁和鋼主梁之間的桁架結構將縱向水平力轉給鋼主梁，見圖10。

圖10 中塔縱向限位結構圖

為了避免鋼主梁承受水平力產生的附加彎矩，設計時將縱向限位擋塊設在主梁的形心高度附近，使U形弧面鋼結構限位擋塊傳來的水平力轉化成鋼主梁的軸向力。U形弧面鋼結構限位擋塊與鋼橫梁牛腿接觸面之間通過弧面接觸的方式滿足結構轉動的要求。U形弧面鋼結構限位擋塊置于主塔下橫梁上，通過預應力粗鋼筋和錨栓與主塔下橫梁相連。

4 結語

二七長江大橋鋼主梁首次采用混合結合梁的新結構，在本橋設計中，創(chuàng)新設計了工字型截面鋼梁－矩形截面混凝土梁的鋼－混接頭，為國內首創(chuàng)；為滿足結構體系剛度的要求，中塔處首次采用U形弧面鋼結構限位擋塊。其設計不僅滿足了結構的受力要求，并充分考慮了制造方便、施工可行的需要。

［1］劉 高，唐 亮，譚 皓，等.混合梁斜拉橋鋼混結合部的合理位置［J］.公路交通科技，2010（6）：52－57.

［2］高宗余.青州閩江大橋結合梁斜拉橋設計［J］.橋梁建設，2001（4）：1－3.

［3］張開銀，趙小軍，梁新宇.獨塔斜拉橋承載能力評估方法［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2010（2）：254－257.

［4］聶建國.鋼－混凝土組合結構橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］徐國平，劉 高，吳文明，等.鋼－混凝土結合部在橋梁結構中應用新進展［J］.公路，2010（2）：18－23.