鄂州市燕矶长江大桥总体设计

名称：鄂黄第二过江通道燕矶长江大桥

地点：湖北鄂州市与黄冈市交界处

类型：不同垂度四主缆悬索桥

建设单位：湖北交通投资集团有限公司

设计单位：中交第二公路勘察设计研究院有限公司

施工单位：中铁大桥局集团有限公司、中交第二航务工程局有限公司

工程进展：在建，-10-18大桥开工建设；-02-21大桥北岸主塔基础施工完成，开始上部结构施工

鄂黄第二过江通道燕矶长江大桥

湖北燕矶长江大桥集高速公路与城市道路功能为一体，该桥采用单孔跨越通航水域和断裂带的主跨m双层桥面钢桁梁悬索桥方案。大桥邻近机场，航空限高导致桥塔高度受限、主缆垂跨比偏小、主缆规模偏大。

为解决上述问题，提出一种新的不同垂度四主缆悬索桥结构体系，该体系主要特征为：4根主缆横向对称分两侧布置，同侧2根主缆采用不同垂度，加劲梁间隔交错悬吊于2组不同垂度的主缆上，不同垂度主缆按纵向前、后错开锚固于地锚。

该体系降低了单根主缆规模，抗风稳定性较好，位于外侧的下主缆的跨中段可降低到桥面之下以增大垂度，较好地解决了桥塔高度受限的建设难题。

基于该体系，大桥上主缆跨度布置为（＋＋）m，跨中垂度.m；下主缆跨度布置为（＋＋）m，跨中垂度.m。大桥缆索采用镀锌－铝合金镀层高强钢丝，加劲梁主桁采用华伦式桁架，锚碇采用可换式预应力锚固系统，桥塔采用门楼造型，基础采用钻孔桩。

1工程概况

湖北燕矶长江大桥又名鄂州长江大桥，为鄂黄第二过江通道的跨江段主桥，位于鄂黄长江公路大桥和鄂东长江公路大桥之间，距上游鄂黄长江公路大桥约6.5km，距下游鄂东长江公路大桥约22km，北岸为黄冈市黄州区，南岸为鄂州市鄂城区，距离在建的鄂州机场5km左右。

大桥跨越长江主航道，桥位邻近戴家洲水道左、右汊分流点和池湖港心滩，局部航道位置复杂多变，航道条件较差，根据专题研究及交通运输部航道通航条件影响评价批复意见，桥位处最高通航水位＋25.40m，最低通航水位＋7.61m，通航净高不小于24.0m，桥梁应一孔跨越通航水域。专题论证通航水域北侧界限为左岸上游晨鸣纸业码头的延伸线，南侧界限为右岸上游江中矶石与龙王矶矶头的连线，按一孔跨越通航水域，初拟的桥梁主跨约为m。湖北燕矶长江大桥桥位河段河势见图1。

图1湖北燕矶长江大桥桥位河段河势

大桥轴线跨越襄樊－广济断裂带，该断裂带为早－中更新世断裂，在桥址区宽度约m，走向NW°～NW°，倾向NE50°～NE55°，与桥轴线夹角约35°～40°，深部向江中延伸，由多组平行逆冲断层和挤压破碎带构成，断裂带深部有明显活动。

大桥若按m布置主跨，南塔处于断裂带中间，地质极不均匀，桥塔基础完全处于糜棱岩和构造角砾岩中，基础规模巨大，且存在较大风险；若局部调整桥轴线，按m布置主跨，南塔基础大部分可位于断裂带中间的灰岩夹层中，地基承载能力有一定提高，但地质仍然极不均匀，工程风险仍然较大。

为满足长江通航要求、规避南塔附近襄樊－广济断裂带的不利影响，对大桥轴线进行局部调整，采用主跨m悬索桥方案，一孔跨越通航水域及断裂带。

受邻近机场航空限高影响，两岸桥塔塔顶（含避雷设施等）海拔高度不得超过+.0m，桥塔高度严重受限，悬索桥主缆垂跨比小于1/12，导致主缆、索鞍、索夹、锚碇等规模较大。为此提出并采用了适用于超大跨度的不同垂度四主缆悬索桥新型桥梁结构体系。

2主要技术标准

湖北燕矶长江大桥为双层桥面布置，上层采用6车道高速公路标准，设计速度为km/h，标准宽度33.5m，汽车荷载采用公路－Ⅰ级；下层采用4车道城市快速路标准，设计速度为80km/h，路基标准宽度25.5m，汽车荷载采用城－A级；下层道路两侧设过江人行道，人行道宽度3m，人群荷载3.5kN/m2。

3不同垂度四主缆悬索桥结构体系

Gimsing在研究多跨悬索桥时，将小垂度上主缆作为限制中塔塔顶位移的措施，对不同垂度四主缆布置进行了研究，荷载主要由下主缆承担。本文提出的不同垂度四主缆悬索桥创新结构体系（图2），主要是为了降低单根主缆规模、将部分主缆降到桥面之下以尽可能增加其垂度和提高承载效率，引入较大的结构阻尼以提升桥梁抗风性能。

图2不同垂度四主缆悬索桥结构体系

不同垂度四主缆悬索桥结构体系主要包括横向分两侧布置的4根主缆、锚固主缆的锚碇、加劲梁、吊索等。

左、右侧主缆横向对称，同侧2根主缆采用不同垂度。

主缆中垂度大的为下主缆，一般设置在外侧，垂度小的为上主缆，一般设置在内侧；综合考虑缆索系统施工和加劲梁悬吊结构受力，上、下主缆在塔顶的间距为2.5～3.5m；加劲梁通过吊索悬吊于主缆，传递梁及车辆荷载至主缆，恒载在上、下主缆之间均匀分配，成桥后的载荷依其重力刚度略有差异地分配；上、下主缆垂度差异取5%～15%，可以通过适当调整加劲梁传递的载荷分配比例或主缆材料强度等级取得一致的主缆截面尺寸，从而为施工提供便利。

不同垂度四主缆悬索桥结构体系具有常规四主缆悬索桥体系的技术特点：

①与同等桥跨布置的双主缆悬索桥相比，单根主缆直径减小29%，对应的塔顶主索鞍、锚碇散索鞍的尺寸减小25%～29%、单件重量减小57%～64%、总重量减少15%～18%；

②4根主缆可同步施工，主缆架设时间短，安装速度较快；

③悬索桥每侧2根主缆为一组，体系冗余度较高，可为主缆维护甚至更换提供更好条件。

除上述技术特点外，不同垂度四主缆体系由于同侧2根主缆的垂度不同，引入了较多的结构阻尼，振动耗散能力增强，提高了颤振与涡振稳定性，抗风性能较好；相比同垂度四主缆布置，同侧主缆之间的高差和空间距离不断变化，避免了大范围尾流激励，不会发生尾流激振问题。

不同垂度四主缆悬索桥结构体系同侧的上（内）、下（外）主缆由于不同垂跨比重力刚度不同，活载的分配存在一定差异。

对湖北燕矶长江大桥按主缆吊索力之和来考察活载的分配，汽车荷载在内侧主缆的分配比例为24.1%、外侧主缆的分配比例为25.9%，全桥横向对称，汽车荷载在垂度较大的外侧主缆分配略多。

加劲梁吊装中的一期恒载和二期等代荷载作用时，梁段尚未连续，恒载下内、外缆的分配基本上是均匀的，各为25%，且超大跨度悬索桥恒载比例高，因此总体上内、外缆的荷载分配较为均匀。

4总体布置

湖北燕矶长江大桥采用边、中跨垂度均不同的单主跨m布置方案。

主缆横向2组对称、每组2根主缆，内主缆为上缆，横向间距35.0m，外主缆为下缆，横向间距41.0m。

上主缆跨度布置为（++）m，跨中垂度.m，垂跨比1/13.；下主缆跨度布置为（++）m，下主缆跨中区段降至桥面之下，跨中垂度.m，垂跨比1/12.，上、下主缆垂度差异7.6%。

湖北燕矶长江大桥主桥总体布置见图3。

图3湖北燕矶长江大桥主桥总体布置

该桥上主缆位于加劲梁之上，为缆载起重机行走和吊装加劲梁提供便利，下主缆降低到桥面以下，通过吊索与下弦挑梁连接，最大限度地加大主缆垂度，提高经济性。

综合考虑紧缆机和缠丝机等的工作空间要求、猫道的设置要求以及加劲梁悬挑结构受力的要求等，同侧2根主缆之间的距离设为3m。

加劲梁采用横向对称、纵向交错方式悬吊于上、下主缆上，两端在桥塔处设刚性连杆竖向支承，在塔柱侧壁设横向抗风支座，两端设纵向弹性、阻尼和限位装置。

5结构设计

5.1缆索系统

主缆采用预制平行钢丝索股法（PPWS法）架设，索股在工厂单束预制成型，两端锚具采用套筒式热铸锚，通过锚碇锚固面前端的锚固拉杆与主缆锚头相连。

每根主缆由根索股、每束索股由Φ5.6mm镀锌－铝合金镀层高强钢丝组成，上主缆索股极限抗拉强度2MPa，下主缆索股极限抗拉强度MPa。

单根主缆索夹内直径为.6mm、索夹外直径为.4mm，所有索股与主缆的直径相同，为索鞍、索夹的制作带来便利。

塔顶采用并列式双鞍座，中心间距3m。主索鞍底座长7.8m、宽6.6m，鞍槽处主缆中心线半径10m。

散索鞍采用摆轴式。索鞍采用铸焊组合式结构，由铸钢ZG－H铸造而成，并列式双鞍座构造见图4。

图4并列式双鞍座构造

5.2加劲梁

加劲梁主桁采用华伦式桁架，主桁中心高度9.5m，中心宽度35m，节间长度9m。

加劲梁采用QqD、QqD钢材，标准吊装节段长度27m，节段之间采用焊接。加劲梁以9m间距交错悬吊于上、下主缆上，以使主缆均匀地承担加劲梁荷载。

桁架的上主缆吊点设于桁架上弦节点，下主缆吊点设于下弦节点处的挑梁端部，挑梁长度3m，挑梁的悬吊力产生桁架面外变形，应予以控制。

为满足桥梁抗风需求，加劲梁的抗风措施有：设置上弦水平风稳定板（兼作上层检修道）、上层中央垂直风稳定板、下层中央透风区域以及护栏部分封闭等。

1/2加劲梁横断面见图5。

图51/2加劲梁横断面

抗风试验表明：加劲梁下层设中央透风区相比不设的情况下抗风性能有所提高，颤振临界风速由52.5m/s提升到58.8m/s，满足该桥颤振检验风速51.6m/s的要求。

图6加劲梁1:20模型风洞试验结果

加劲梁1:20模型风洞试验结果见图6，由图6可知，大桥加劲梁抗风性能满足设计要求。

加劲梁以长度27m节段（纵向跨3个吊点）作为标准吊装单元在工厂制作，整体运输、起吊，采用设置于上（内）主缆之间的2台缆载吊机抬吊安装，近塔区梁段采用荡移法架设，加劲梁由跨中向两岸桥塔墩对称架设。

由于主缆线形呈现较复杂的变化，需进行详细的线形计算和控制，部分梁段的吊索安装和梁段之间的连接需根据主缆线形的演进择机施工。

5.3锚碇

两岸锚碇均为重力式锚碇。

黄冈侧锚碇处4根主缆总拉力约MN，鄂州侧锚碇处4根主缆总拉力约MN，锚碇的抗滑稳定控制设计，横向尺寸较大，没有左右分离设置的条件，两岸锚碇基础均按整体式设计；

上（内）、下（外）主缆锚固方式比选时，对前后错开锚固和横向并列锚固进行了比较，前后错开锚固边缆线形与主跨不同垂度主缆线形对应、路幅外的占地面积较小且锚碇的纵向尺寸加大，对降低前、后趾基底应力的不均匀性有利，而横向并列锚固的横向尺寸较大、路幅外的占地面积大幅增加，比较可知前后错开锚固优势明显。

设计方案内、外主缆散索鞍IP点顺桥向距离40m，内、外主缆边跨设水平偏角以免锚室结构侵入引桥结构空间；理论散索IP点至前锚面的距离30m，前锚面至后锚面的距离20m；为尽量减少锚碇基础的开挖深度、减少对环境的影响、降低地表水或锚体周边水环境对锚固系统耐久性的影响，散索IP点提升至桥面以上，锚体主要结构高于地表。

黄冈侧锚碇采用8字形地下连续墙基础，根据防洪要求，按与长江大堤堤脚距离不小于m控制，地下连续墙直径75m，墙厚1.2m，圆心距50.5m，前舱充水，后舱填充C20混凝土。前舱隔墙采用独特的蜂窝状六边形设置，隔墙边长10m，相比常规矩形隔舱，空间分隔较为均匀，黄冈侧锚碇构造见图7。

图7黄冈侧锚碇构造

鄂州侧锚碇采用巨型浅挖扩大基础，基础底面宽83m、长m，以中风化泥质粉砂岩为基础持力层，鄂州侧锚碇构造见图8。

图8鄂州侧锚碇构造

两岸锚碇采用可换式预应力锚固系统，由索股锚固连接构造和预应力钢束锚固构造组成。

索股锚固连接构造由拉杆及其组件、连接板及连接筒组成，拉杆一端与索股锚头上的锚板连接，另一端与预应力钢束锚固连接板连接；预应力钢束锚固构造由管道、钢绞线成品索及挤压式锚具、锚头防护帽等组成，钢绞线挤压式锚具应符合《挤压锚固钢绞线拉索》（JT/T—）的要求。

5.4桥塔及景观

桥塔采用门楼造型，C60混凝土。

塔柱采用外八角形、内圆形的空心结构，设上、中2道横梁，上横梁下缘设圆弧拱结构，以传递塔顶鞍座的竖向力。

由于桥面支承构造以下塔柱高度较小，仅34.0m（黄冈侧）、22.3m（鄂州侧），若设下横梁，温度引起的约束内力较大，故不设下横梁，改设上、下2层牛腿以支承桥梁结构。

桥塔采用56φ3.2m钻孔桩基础，鄂州侧桥塔基础处于襄樊—广济断裂带边缘，采用46～76m不等桩长设计，桩基穿过破碎带，以较完整的中风化泥质粉砂岩为持力层。

湖北燕矶长江大桥效果图见图9。

图9湖北燕矶长江大桥效果图

6结语

不同垂度四主缆悬索桥是一种特别适用于超大跨度桥梁的结构体系，四主缆布置缓解了常规双主缆悬索桥主缆及相应缆索系统结构构件随跨度及载荷不断增大、施工机具设备要求提升、施工难度不断增大的状况，不同垂度主缆布置在一定程度上改变了结构动力响应模式、提高了结构阻尼和抗风性能，为m乃至0m以上超大跨度悬索桥提出了一种新的技术发展方向。

湖北燕矶长江大桥工程实践目前处于起步阶段，为促进这种桥型技术的推广应用，丰富超大跨度桥梁结构选型，需桥梁科研、设计、施工、管理各方通力合作，深入研究这种桥型的关键力学性能、完善结构体系与关键构造、适应性施工方法和质量管控措施，共同推动这种新型桥梁结构的健康发展。

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