武汉阳逻长江公路大桥方案设计
徐国平（中交公路规划设计院）
摘要：本文介绍了武汉阳逻长江公路大桥的方案构思和方案设计，提出了适合本桥建设条件的三塔悬索桥、单跨悬索桥和三塔斜拉桥三个桥型方案，重点对三塔悬索桥方案的难点及要点进行了研究。
关键词：武汉阳逻大桥方案设计
一、概况
武汉阳逻长江公路大桥是武汉绕城公路东北段跨越长江的重点工程，并与京珠、沪蓉国道主干线共同构成湖北省“四纵二横一环”公路主骨架的“一环”。
桥址位于武汉市城区东北，在武汉长江二桥下游27km处，大桥北岸为武汉市新洲区阳逻镇，南岸为武汉市洪山区。
桥址北岸为自然岸坡，南岸为人工堤防(武惠堤)，常水位时江面宽约1000～1100m，河床深槽偏于北岸。
两岸大堤间的距离约为1400～1500m。
南大堤顶面高程29.4m(黄海高程，以下同)，地面高程一般在18～23m之间，属长江Ⅰ级阶地。
南、北两岸下伏基岩均为泥质胶结砂岩，岩面自北向南除距北岸约600m处发生急剧下降外，其余均平缓下降。
北岸岸坡岩面裸露，南岸覆盖层由粘土、粉砂层和卵石质土层组成，基岩埋深约60sm。
桥位区地震烈度为Ⅵ度。
工程总长10km，其中桥梁长度约2330m，接线长度约7670m。
工程计划于2001～2002年开工，总工期48个月。
二、主要技术指标
本桥为双向四车道高速公路特大桥，桥面净宽28m。
计算行车速度12Okm/h。
计算荷载为汽车－超20级、挂车－120。
桥位区20m高度处重现期100年10分钟平均最大风速为27.6m/s。
设计最高通航水位25.24m，设计最低通航水位
9.17m。
桥下通航净高为设计最高通航水位以上大于24m，通航净宽为双向通航不小于425m、单向通航不小于230m。
桥面最大纵坡3%，桥面横坡2%。
三、桥型方案的构思
1、桥型方案构思的基本原则
(1)本桥建成后将成为武汉市东北第一大门，同时桥梁作为不可再生的人造资源，桥型方案的构思既要考虑与武汉市古老的风景名胜相衬托，又要与长江、汉江上数座大桥相映成趣，避免结构型式的重复。
(2)本桥是跨越长江的宏伟工程，规模大投资多，桥型方案的选择应认真贯彻适用、安全、经济、美观的设计方针。
(3)为了及时发挥武汉东北绕城高速公路的经济效益，本桥应在近期开工建
设，设计施工周期很短。
因此，在满足桥梁使用功能的基础上，尽量使用成熟可靠的桥型结构及新技术、新工艺和新材料，增加桥梁方案的科技含量，降低工程造价，加快施工速度，减少施工风险。
(4)桥型方案选择时，除了应满足行车安全外，还必须保证满足地质、水文、通航、防洪等诸多方面的要求。
特别是悬索桥锚陡基础方案应充分考虑长江大堤防洪的要求。
(5)为了较好地满足待建的阳逻军用机场的使用要求，在构思桥型方案、桥跨布置时，应满足航空限高190m的要求。
(6)桥型布置应尽量将主墩避开深槽区及地质断层，减少船舶撞击主墩的机率及对上下游港口、码头等设施的影响。
2、桥型方案的构思
根据桥位区的地形、地质、河势、水文、通航、防洪、航空等方面的要求以及上述基本原则，本桥选择了斜拉桥、悬索桥和斜拉一悬索组合桥三种结构体系的桥梁。
针对三种体系桥梁的特点，结合桥位区的建设条件，提出了主跨为
660m+660m三塔两跨悬索桥和主跨为1176m单跨悬索桥二个悬索桥方案、跨径布置为70m+70m+485m+485m+70m+70m三塔混合梁斜拉桥方案及跨径布置为
270m+1176m+456m跨中悬吊部分为600m的斜拉－悬索组合桥方案。
斜拉－悬吊组合桥可以减少主缆缆力，缩小锚碇规模。
但根据结构分析计算，该方案与同跨径悬索桥相比，缆力仅减少约25%，效果不明显，却存在斜拉-悬吊交界处刚度不匹配吊索疲劳以及设计、施工技术不成熟等缺点，因此在方案选择中放弃了斜拉-悬吊组合桥方案。
四、桥型方案设计
1、主跨660m+660m三塔悬索桥方案
三塔悬索桥方案布跨为260m+660m+660m+295m，边中跨比分别为0.394和0.447，桥型布置详见图1。
为了减小主缆缆力及中塔塔顶的水平力，适当增加索塔高度，主缆矢跨比采用1:9。
两个主缆横桥向间距为29.5m，每根主缆直径为548mm，由70束127丝直径为5.2mm的平行渡锌钢丝组成，钢丝的设计强度为1670MPa。
为了防止主缆在中塔塔顶发生滑移，其中9束127丝直径为5.2mm 的平行渡锌钢丝锚固在中塔塔顶的主鞍上，在中塔锚固的9束索股的安全系数为2.5，其余主缆索股的安全系数达到3.1。
吊杆采用平行镀锌钢丝制成，顺桥向吊杆间距为16m。
图1 三塔悬索桥方案(尺寸单位：m)
主梁采用封闭式流线形钢箱梁结构，梁高3m，钢箱梁宽度为31.5m，采用
Q345-D材质。
全桥钢箱梁总长为1316m，共分87个梁段，标准梁段长度为l6m。
钢箱梁全桥连续，在中塔处不设竖向支座以改善受力条件。
三个索塔均采用钻孔灌注桩基础。
中塔为了承受活载产生的塔顶水平力(约为3OMN)，在顺桥方向设置成A形。
三个索塔均为门形框架式钢筋混凝土索塔。
为了增加全桥景观效果和主缆在中塔塔顶的抗滑能力，中塔比边塔高lOm。
北锚碇采用扩大基础重力式锚，南锚基础选择了地下连续墙、桩基础、冷冻壁加排桩及沉井等方案作比较。
锚身采用框架式重力锚。
为了提高三塔悬索桥的整体刚度，设计计算时采取了如下措施：
①中塔在顺桥方向采用A字形，通过计算该措施效果十分明显，但由于中塔刚度大，塔顶两侧主缆不平衡的水平力较大，中塔塔顶主索鞍必须采取主缆抗滑措施；
②在三个索塔塔顶之间设置水平索，水平索矢跨比采用l:90，计算表明设置水平索能增加全桥刚度，减小中塔塔顶不平衡水平力约25%，但由于水平索受温度影响大，施工困难讲且影响全桥的景观效果；
③在主跨跨中设置中央扣，对提高全桥刚度效果甚微，同时设置中央扣难于克服温度的影响；
④在中塔处将主梁和索塔进行固结处理，对改善全桥刚度效果甚微，构造处理有一定的难度；
⑤采用不同矢跨比的两根缆，两根缆之间采用刚性杆连接，以增加主缆的抗弯刚度。
但施工架设困难，景观效果较差。
通过综合比较，本桥型方案将中塔在顺桥向设置成A字形来满足全桥的整体刚度。
本桥型方案由于跨径较小，减小了主缆缆力及锚淀规模，从而降低了南锚基础施工对长江大堤防洪的影响。
另外，其综合造价低于一跨过江的单跨悬索桥。
但该方案应重点解决：①主缆在中塔顶鞍座中的滑移；②跨中短吊索的疲劳问题；
③中塔的防船撞及南锚基础设计。
2、主跨1176m单跨悬索桥方案
该桥型方案跨径布置为270m+1176m+456m，边中跨比分别为0.230和0.388。
桥型布置图详见图2。
主缆矢跨比采用1:10，横桥向两根主缆间距为29.5m，每根主缆直径为724.2mm，由127束127丝直径为5.lmm的平行镀锌钢丝组成，钢丝的设计强度为1670MPa。
主缆索股的安全系数为2.5。
吊杆、钢箱梁、索塔及锚碇方案基本与三塔悬索桥方案相同。
本方案由于南锚基础规模大，施工及防洪风险性较大。
桥梁综合造价高。
图2 单跨悬索桥方案(尺寸单位：m)
3、主跨485m+485m三塔斜拉桥方案
该桥型方案为2×7Om+2×485m+2×7Om总长1250m的六跨连续三塔混合梁斜拉桥，桥型布置详见图3。
边跨2×7Om作为锚跨采用预应力混凝土箱梁，两个中跨2×485m采用扁平流线性钢箱梁，在边塔主梁受力较小的区域设置钢、混结合段。
边、中跨比为0.289：1。
中塔设置2×19对斜拉索，边塔设置2×12对斜拉索，全桥共设置86对斜拉索。
斜拉索采用平行钢丝冷铸锚成品索。
主跨标准索距l5m，锚跨标准索距为9m。
由于辅助索最大索力达lOMN，为了方便施工，采用钢绞线斜拉索分别锚固于申塔塔顶及边塔箱梁处。
主梁梁宽31.5m，梁高3m。
图3 三塔斜拉桥方案(尺寸单位：m)
三塔斜拉桥方案的关键是如何提高结构总体刚度，其常用的方法有：①中塔塔梁固结；②加大中塔刚度；③中、边塔设置辅助索；④在跨中一定区域内设置交叉斜拉索。
随着三塔斜拉桥跨径的增大(跨径大于400m)，中塔塔梁固结对提高总体刚度的效应不断减弱，同时结构难以承受地震荷载的作用。
而采用加大中塔断面尺寸来增大中塔刚度的效果十分微小，如果中塔在顺桥向设置成A字型，对增加总体刚度效果很好，但索塔斜拉索锚固区设计难度较大且景观效果欠佳。
如果能解决交叉索的疲劳问题，设置交叉索应是一个可行的方案。
本方案采用设置辅助索的方法来满足结构总体刚度。
五、结束语
以上三个桥型方案在技术上都是可行的，各有特点和难度。
从经济比较看，三塔斜拉桥方案比三塔悬索桥方案约少1.5亿人民币，而三塔悬索桥方案比单跨悬索桥方案约少1.0亿人民币。
在以后的初步设计中将对以上三个方案进行深入的技术经济综合比较，并重点对三塔悬索桥中塔主缆抗滑及南锚碇基础进行详细的研究工作。
摘自《中国公路学会桥梁和结构工程学会2001年桥梁学术讨论会论文集》。
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