張州， 易倫雄， 王東暉

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430056）

0 引言

隨著經濟社會發(fā)展，越來越多長江大橋建成通車，橋位資源也越來越緊張。修建多功能合并過江橋梁、擴大單通道運輸能力，對優(yōu)化岸線資源、節(jié)約土地資源、減少環(huán)境污染具有重要意義。商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋采用高速客運專線鐵路、城市主干路、預留遠期城際鐵路多功能合并過江建設方案。

公鐵合建橋梁提高通道資源利用效率，荷載集中為長江大橋結構設計帶來挑戰(zhàn)。易倫雄［1-2］通過分析總結國內外鐵路斜拉橋工程實例，提出適合大跨度鐵路斜拉橋受力特點的板桁、箱桁組合結構主梁，橋面板系統(tǒng)承受斜拉橋主要軸向壓力，鋼桁架提供鐵路橋梁所需剛度，截面效能得以充分發(fā)揮。張州等［3］通過對多種橋梁基礎形式研究比選，選擇經濟合理的深水橋梁主塔基礎方案。張樹才等［4-6］分別對深水橋梁樁基礎、設置沉井基礎施工關鍵技術展開研究，針對深水橋梁基礎施工的技術難題給出系列解決方案。眾多學者對長江大橋橋型、主梁、主塔、基礎等結構設計和施工進行研究，對跨度大、荷載大、塔高受限的建設條件下長江大橋設計奠定基礎?，F從商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋的建設條件、總體布置、橋型方案、力學特征、技術創(chuàng)新等方面詳細論述大橋的總體設計，技術總結的同時也為多功能合建橋梁設計提供指導和借鑒。

1 概述

1.1 工程背景

商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋連接蕪湖市鳩江區(qū)與鏡湖區(qū)，在弋磯山附近跨越長江，距離上游蕪湖長江二橋約28.0 km，距離下游蕪湖長江公鐵大橋約3.5 km，是新建商丘—合肥—杭州高速鐵路的關鍵工程。

1.2 水文、地質

大橋位于蕪裕河段下段蕪裕分汊河段，包括蕪湖段和曹姑洲、陳家洲汊道。蕪湖段河道順直，自上而下逐漸展寬，深槽偏靠右岸，青弋江出口以下山前基座階地緊靠江邊，沿岸有弋磯山、廣福磯臨江而立，控制蕪湖段河床變化。曹姑洲頭至東梁山，河道分汊，曹姑洲、陳家洲順列江中，洲灘近期變化較為頻繁，水流分散，左汊為支汊，右汊為主汊。橋址所在蕪湖段相對較為穩(wěn)定，汊道段河床沖淤變化較大［7］（見圖1）。

圖1 橋位河段2011年5月河勢圖

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

橋址區(qū)水域覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積層。發(fā)育厚度從左岸向右岸方向逐漸變薄，近左岸最厚處約30 m，近右岸基巖則直接裸露于水底。覆蓋層巖性主要為沖、洪積稍密～中密狀粉、細砂，少量中～粗砂，底部發(fā)育有薄層細圓礫土。

場區(qū)基巖主要為燕山期侵入的火成巖（閃長玢巖）及三疊系中晚期黃馬清群陸相沉積碎屑巖后因火山巖侵入而形成熱液接觸變質巖（角巖、角巖化砂巖、角巖化砂質泥巖）。局部地段有因后期斷裂錯動、擠壓而形成的構造巖類（碎裂巖、構造角礫巖）。近左岸巖面高程-38～-48 m，侵入的閃長玢巖巖面則呈波狀起伏，近右岸巖石大多直接裸露于河床，巖面高程在-8～-26 m。

1.3 地震

橋位區(qū)域具有中強地震構造環(huán)境，下?lián)P子盆嶺構造帶、蘇北沉降區(qū)、長江三角洲沉降區(qū)等伸展運動單元是中強地震多發(fā)構造區(qū)。橋位工程場地基巖峰值加速度（PGA）見表1。

表1 橋位工程場地基巖水平向峰值加速度（PGA） cm/s2

1.4 氣象

蕪湖屬亞熱帶濕潤季風氣候，溫和濕潤、光照充足、雨量充沛、四季分明，年平均氣溫為16.0 ℃，極端最低氣溫為-13.1 ℃，極端最高氣溫為41.0 ℃。

年平均降水量1 195.5 mm，常年主導風向為東風，夏季多偏南風，冬季多偏北風。

1.5 航空限高

長江大橋建筑高程受蕪湖機場航空限高限制，根據相關規(guī)范核準橋梁建筑高程為右岸塔頂標高+125.0 m，左岸塔頂標高+141.5 m。

2 主要技術標準

大橋為公鐵合建橋梁，上層通行8 車道城市主干路，設計時速60 km，下層通行2 線商合杭高鐵，設計時速250 km，預留2線城際鐵路，設計時速160 km。航道等級為I-（1）級航道，按300年一遇頻率水位設計。

3 總體設計

3.1 橋跨布置

橋址工程段橫斷面形態(tài)總體呈偏右的U 形，深槽區(qū)位于河床右側，受山體基巖保護，河床右側變化始終較小，橋址斷面由于在深槽中部有基巖，斷面深槽成W形。

為滿足水中船舶通航需要同時兼顧地形地質及航空限高要求，主橋研究采用不對稱高低塔斜拉橋布置，主跨跨度588 m。主橋孔跨布置與河床橫斷面變化及航道位置關系見圖2。

圖2 主橋孔跨布置與河床橫斷面變化及航道位置關系

3.2 總體結構布置

滿足543 m 單孔雙向通航寬度要求的橋型有斜拉橋、懸索橋及拱橋。懸索橋滿足建筑高度時，兩側錨碇均位于大堤的臨水側，對防洪影響較大，不可行［8］；588 m 的公鐵兩用鋼桁拱橋矢跨比約1/6，經計算部分桿件因內力巨大而設計困難，且主墩處拱腳對橋下通航空間有一定影響，造價昂貴，也不具備可行性；研究采用斜拉橋方案跨越長江。

主跨跨度588 m滿足代表船型單孔雙向通航要求，北側238m與南側224m輔助通航孔滿足5000t級以下船舶單向通航寬度要求，北側98 m橋跨滿足合裕線與蕪申運河跨越長江聯(lián)通工程單向通航要求。為平衡主跨受力，降低梁端轉角及邊墩負反力，南側布置1孔84m邊跨，跨江主橋跨度布置為（98+238+588+224+84）m=1 232 m。橋梁立面布置示意見圖3。

橫斷面（見圖4）上采用公路在上鐵路在下的方式布置，上層橋面寬35 m，斜拉索錨固在下層橋面主桁外側，下層橋面寬41 m（未含風嘴）。

3.3 結構體系

大橋采用半漂浮體系，0#—5#墩梁之間設置豎向支座，單個墩頂橫向設置3個支座，上下游均為多向活動支座，橫向中間設置不傳遞豎向力只進行橫向限位的橫向約束支座，2個主塔位置設置縱向阻尼裝置及橫向抗風支座，大橋結構支撐體系平面布置見圖5。

其中橫向限位支座主要為減小主橋整幅梁與引橋分幅梁在溫度作用下軌道橫向位移差值，滿足主橋與引橋間軌道平順過渡要求。

圖3 橋梁立面布置示意圖

圖4 橋梁橫斷面布置示意圖

圖5 支撐體系平面布置圖

4 主橋結構設計

4.1 高低矮塔結構

橋塔采用鋼筋混凝土結構，澆筑采用C55 混凝土。橋塔外輪廓為門式框架形狀，設置上下2道橫梁。為充分利用機場限高要求、改善大橋總體受力，南北主塔采用高低塔造型，其中2#主塔塔頂高程+141.5 m，承臺以上塔高155.0 m，3#主塔塔頂高程+125.0 m，承臺以上塔高130.5 m。

2#主塔塔柱順橋向尺寸8～9～13 m，其中9 m 為下橫梁頂處的塔柱順橋向尺寸，上塔柱高98 m，下塔柱高54 m。上塔柱標準段橫橋向尺寸為8 m等寬，下塔柱橫向尺寸為8.0～10.0 m。2#主塔主要結構示意見圖6。

圖6 2#主塔主要結構示意圖

3#主塔塔柱順橋向尺寸8～9～12 m，其中9 m 為下橫梁頂處的塔柱順橋向尺寸，上塔柱高81.5 m，下塔柱高46 m。上塔柱標準段橫橋向尺寸為8 m等寬，下塔柱橫向尺寸為8.0～9.7 m。3#主塔主要結構示意見圖7。

斜拉索在主塔上采用鋼錨梁與“#”字形預應力組合的錨固方式。施工期間主邊跨斜拉索的水平力通過鋼錨梁平衡，運營期間主邊跨斜拉索的不平衡水平力通過鋼錨梁傳遞到塔壁上，塔壁混凝土與“#”字形預應力鋼筋共同承擔。

圖7 3#主塔主要結構示意圖

4.2 強箱弱桁主梁結構

該橋斜拉索水平角度較小，主梁全斷面軸力較大，且該橋通行高速客運列車，剛度要求高，因此主梁設計采用箱桁組合結構鋼梁［9］。

主梁上層采用板桁結合，下層采用鋼箱結合鋼桁梁［1］，三角形桁架，兩片主桁，桁中心距33.8 m，桁高15.0 m，節(jié)間長度14 m。橋梁橫斷面采用兩片主桁的形式，全橋不設橫聯(lián)，在支點處設板式橋門架。主桁腹桿采用箱形或H 形截面［7］。支點及斜拉索處的主梁橫斷面見圖8、圖9。

圖8 支點處主梁橫斷面

圖9 斜拉索處主梁橫斷面

4.3 2 000 MPa級平行鋼絲斜拉索

斜拉索采用Φ7 mm 平行鋼絲拉索，標準抗拉強度為2 000 MPa，采用雙索面布置，每個錨固位置布置2根斜拉索。全橋共布置拉索304根，選用PESC7-211、265、313、379、421、451、475、499、511、547 共10種規(guī)格的材料。

4.4 大型深水基礎結構

2#主塔墩墩位處粉細砂厚約30 m，其下為破碎巖石，基礎采用44 根Φ3.0 m 鉆孔灌注樁，承臺采用圓端形結構，外輪廓尺寸67.0 m×30.8 m，承臺厚7.5 m［3］?；A采用雙壁鋼圍堰施工［4］。2#主塔基礎結構見圖10。

3#主塔墩墩位處基礎弱，微風化基巖直接裸露于河床底部，巖性為燕山期侵入閃長玢巖，巖石強度較高，為硬質巖。由于地基承載力較高，研究采用設置沉井基礎。沉井基底尺寸為65 m×35 m，基底置于基礎弱、微風化閃長玢巖中，沉井高19.5 m，沉井平面分為21 個井孔。先對表面的強風化巖石進行適當爆破、整平，然后將在工廠預制好的鋼沉井結構浮運到墩位，下沉設置在處理好的巖石地基上［5-6］。3#主塔基礎結構見圖11。

圖10 2#主塔基礎結構

圖11 3#主塔基礎結構

0#、 1#、 4#、5#邊 墩 及輔 助墩 基 礎 均 采用 22 根Φ2.5 m鉆孔灌注樁，根據地質條件樁長30～58 m。

5 技術創(chuàng)新

5.1 強箱弱桁組合鋼主梁

斜拉橋主梁采用雙層橋面的箱桁組合結構，斜拉索錨固在下層橋面的鋼箱外側。箱桁組合的主梁剛度大，對于本橋主塔較矮斜拉索分擔的豎向荷載與常規(guī)斜拉橋相比有所降低的情況下，主梁有效分擔豎向荷載，改善結構受力；箱桁組合結構主桁的截面面積大，有效承擔由于塔矮索平帶來主塔處主梁的巨大軸力；斜拉索錨固在下層橋面增大斜拉索的傾角，相當于增加有效塔高；斜拉索錨固在下層橋面，而上下層橋面的軸力按照面積進行分配，下層橋面為鐵路橋面，恒載及活載均較大，這使大部分荷載以較短的路徑傳遞到斜拉索及主塔上，減小通過腹桿傳遞的主梁軸力［10］。研究采用的主梁形式使本橋塔高受限條件下，極大改善斜拉橋結構體系受力。

5.2 2 000 MPa級平行鋼絲斜拉索

受大橋塔矮索平的結構特點影響，斜拉索運營狀態(tài)下最大索力達16 000 kN，單索索力遠超其他已建在建斜拉橋的斜拉索拉力。設計采用了2 000 MPa 級鋅鋁合金鍍層高強度鋼絲斜拉索，最大規(guī)格547絲，是目前世界最大規(guī)格平行鋼絲斜拉索。針對斜拉索錨固方式、錨具材質及加工工藝、斜拉索掛設及張拉等方面開展研究，解決了超大噸位斜拉索設計、制造與施工難題，拓展平行鋼絲斜拉索的應用范圍。

5.3 深水設置沉井基礎

根據特殊地質、水文建設條件，3#主塔研究采用設置沉井基礎結構。采用工廠預制鋼殼，浮運至墩位，注水下沉到爆破清理好的巖石地基上，沉井精確調平后4周拋填碎石堵漏后，完成井壁及封底混凝土澆筑。設置沉井基礎縮短深水基礎施工工期、解決深水裸巖常規(guī)群樁基礎施工難題、降低工程造價、開拓新型深水基礎。

6 結束語

在滿足江面通航、空中機場限高的條件下，大橋設計為主跨588 m的非對稱矮塔斜拉橋。創(chuàng)新采用強箱弱桁的箱桁組合結構主梁、2 000 MPa 高強度平行鋼絲斜拉索、斜拉索錨固在下弦、Q500qE 高強鋼材等新技術、新材料，成功解決跨度大、荷載大、塔矮索平橋梁結構受力不合理的技術難題。

3#主塔基礎采用設置沉井基礎，通過陸地制造基礎主體結構，水上拖拽浮運至橋梁墩位處，注水下沉到事先處理好地基上的施工方法，縮短深水基礎施工工期、解決深水裸巖樁基施工困難、降低工程造價，為設置式橋梁基礎在我國應用及海洋橋梁工程水深流急、浪高風大的建設條件下，采用預制和現場安裝技術建造大型深水基礎工程積累工程經驗。