1.工程概況
武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋位于武漢長(zhǎng)江二橋下游約9.5公里處，是武漢市城市總體規(guī)劃中環(huán)線及北京至廣州客運(yùn)專(zhuān)線在武漢跨越長(zhǎng)江的橋梁，其主橋?yàn)殡p塔三索面三主桁斜拉橋，主橋橋式布置為98+196+504+196+98m.
天興洲長(zhǎng)江大橋是一座公鐵兩用橋梁，鐵路、公路分上下兩層布置，橋梁上層為公路面，按六車(chē)道公路設(shè)計(jì)，下層布置四線鐵路，兩線Ι級(jí)鐵路干線，兩線鐵路客運(yùn)專(zhuān)線，鐵路客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)速度超過(guò)250km/h。主橋布置見(jiàn)圖1。
圖１ 主橋布置
由于公路面布置六線公路車(chē)道，鐵路面布置四線鐵路，橋梁全寬30米，為了減少橫梁的跨度和增加斷面的剛度，主梁布置了三片主桁，相應(yīng)設(shè)置了三個(gè)斜拉索索面。主桁采用不帶豎桿的三角形桁式，桁高15.2m，節(jié)間長(zhǎng)度14m。主桁最大板厚50mm。主桁桿件弦桿均采用帶加勁肋的箱形截面，斜桿和豎桿采用箱形或工字型截面。主桁桿件采用整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，下弦桿高約1.45m，寬1.0m，斜桿和豎桿均采用插入形式。
主橋全長(zhǎng)1092m，兩側(cè)邊跨各168m范圍公路面采用混凝土板結(jié)構(gòu)，其余部分公路面采用鋼的正交異性板結(jié)構(gòu)，正交異性板和混凝土橋面板均與主桁結(jié)合參與共同受力。主梁縱向與主塔的約束采用液壓阻尼裝置和磁流變阻尼器。斜拉索采用φ7mm平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，最大索截面451φ7mm，最長(zhǎng)索271m，梁上索距14m，塔上索距1.5～2.0m。主塔為倒Y形混凝土結(jié)構(gòu)，塔高188.5m。
2.結(jié)構(gòu)體系
2.1主梁結(jié)構(gòu)
主橋跨度布置為98+196+504+196+98m。由于邊跨相對(duì)較小，列車(chē)活載大，當(dāng)中跨加載時(shí)，1號(hào)，4號(hào)輔助墩產(chǎn)生約50000kN的負(fù)反力。常規(guī)處理負(fù)反力的方法有兩種：
(1)拉力支座。1號(hào)、4號(hào)墩處設(shè)置拉索體系聯(lián)結(jié)主桁與墩身。
(2)壓重。1號(hào)、4號(hào)墩處設(shè)置壓重抵消負(fù)反力。
由于本橋是雙層交通桁式結(jié)構(gòu)，輔助墩處設(shè)置壓重的空間有限，無(wú)法放置足夠的重物以抵消支座處的負(fù)反力。若采用拉力支座形式又存在拉索防腐和應(yīng)力幅過(guò)高等問(wèn)題難以解決。
通過(guò)多方案的研究比較，結(jié)合公路橋面板結(jié)構(gòu)型式的選擇，綜合解決輔助墩的負(fù)反力問(wèn)題。主橋中跨及邊跨部分梁段公路面采用與主桁結(jié)合共同受力的鋼正交異形板結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊跨各168m范圍采用板厚32cm的混凝土板結(jié)構(gòu)，混凝土板與主桁結(jié)合?；炷涟迮c鋼正交異形板的接頭構(gòu)造如圖2。
圖2 公路面鋼與混凝土板結(jié)合構(gòu)造
2.2塔梁縱向約束
按照鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，橋上列車(chē)制動(dòng)力或牽引力應(yīng)按列車(chē)豎向靜活載的10%計(jì)算，因此列車(chē)制動(dòng)力和地震力荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力性能是本橋關(guān)心的重要問(wèn)題。在橋梁縱向，合理設(shè)計(jì)梁、塔的連接形式，以減少由于列車(chē)制動(dòng)力、地震荷載和溫度力的作用是非常必要的。武漢天興洲大橋主跨504m，塔梁之間采用簡(jiǎn)單的滑動(dòng)、固結(jié)或拉索式的彈性連接都難以解決結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，而應(yīng)從溫度、列車(chē)制動(dòng)力、汽車(chē)制動(dòng)力、列車(chē)搖擺力、風(fēng)荷載和地震作用多方面來(lái)綜合考慮塔梁之間的合理連接方式。
大跨度斜拉橋通常采用兩種措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的控制，調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度和增加結(jié)構(gòu)阻尼。調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度主要通過(guò)在梁塔之間縱向設(shè)置合適的拉索來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)系統(tǒng)研究，就本橋而言已很難控制塔底彎矩和主梁縱向變形。增加結(jié)構(gòu)阻尼主要通過(guò)在塔與梁之間設(shè)置阻尼器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要目的在于提高結(jié)構(gòu)的阻尼能力來(lái)改變梁、塔之間縱向的傳力關(guān)系，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。目前較為成熟且適用于大跨度橋梁是液壓阻尼器，常用的液壓阻尼器其恢復(fù)力特性可用下式來(lái)表示：
F=cvα
式中，F(xiàn) —阻尼力； c —阻尼系數(shù)； v —阻尼器相對(duì)速度；α—速度指數(shù)
液壓粘滯阻尼器在溫度變形下的抗力接近于零，在動(dòng)荷載（制動(dòng)力、地震荷載等）作用下由于塔梁間相對(duì)變形速度較大，阻尼器阻尼力也較大，達(dá)到塔、梁連接處直接傳遞縱向力的目的。
對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，選取合適的液壓阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)c和α至關(guān)重要，本橋設(shè)定速度指數(shù)α=0.3、0.4、0.5、0.7、1.0五個(gè)值，阻尼系數(shù)c=0、1000、3000、5000、7000、10000、15000、20000、25000共9個(gè)值，在各種列車(chē)速度下制動(dòng)和動(dòng)震響應(yīng)進(jìn)行分析，確定合理的阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)。C=0時(shí)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于全漂浮體系，c≠0時(shí)為阻尼體系，隨著c值的不斷增大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越接近于塔梁縱向鎖定體系。
(1)列車(chē)制動(dòng)力。列車(chē)以160km/h行車(chē)速度制動(dòng)時(shí)，塔底彎矩隨阻尼器參數(shù)變化見(jiàn)圖3，梁端縱向位移隨阻尼器參數(shù)變化見(jiàn)圖4。由圖3和圖4可以看出，塔底彎矩和梁端位移均隨阻尼系數(shù)的增大而快速減少。當(dāng)阻尼系數(shù)c=10000，速度指數(shù)α=0.4時(shí)，塔底彎距為漂浮體系的47%，縱向鎖定體系的113%，梁端位移為縱向漂浮體系的48%。
圖3 列車(chē)以160km/h行車(chē)速度制動(dòng)時(shí)阻尼器參數(shù)對(duì)塔底彎矩及梁端位移的影響
圖4 地震激勵(lì)下阻尼器參數(shù)對(duì)塔底彎矩及梁端位移的影響
(2)地震響應(yīng)。100年超越概率2%地震激勵(lì)下塔底彎矩隨阻尼器參數(shù)變化見(jiàn)圖5，由圖5可見(jiàn)，當(dāng)阻尼參數(shù)C小于10000時(shí)，塔底彎矩受速度指數(shù)的影響較小，塔底彎矩隨阻尼系數(shù)的增加變化不大；當(dāng)阻尼系數(shù)C大于10000時(shí)，塔底彎矩受速度指數(shù)的影響較大。梁端位移隨阻尼參數(shù)的變化見(jiàn)圖4，由圖4可見(jiàn)，當(dāng)阻尼系數(shù)C小于10000時(shí)，梁端縱向位移受速度指數(shù)的影響較大，梁端位移隨阻尼系數(shù)的增加而快速減??；而當(dāng)阻尼系數(shù)C大于10000時(shí)，梁端位移受速度指數(shù)的影響減小，且不同阻尼系數(shù)，不同速度指數(shù)體系的梁端位移趨于一定值。
當(dāng)阻尼系數(shù)C＝10000，速度指數(shù)α＝0.4時(shí)，塔底彎矩為漂浮體系的90%，縱向鎖定體系的56%；梁端位移為漂浮體系的40%。
(3)液壓阻尼器參數(shù)。綜合考慮結(jié)構(gòu)體系受力及溫度效應(yīng)的影響，本橋選取阻尼系數(shù)C=10000，速度指數(shù)α=0.4，阻尼器最大行程1.5m，最大阻力11000kN的液壓阻尼裝置。
3.主桁斷面
武漢天興洲長(zhǎng)江大橋上層通行六線汽車(chē)、下層通行四線鐵路，根據(jù)鐵路和公路的限界要求，當(dāng)采用常規(guī)的兩片主桁布置時(shí)，桁寬達(dá)30m，兩主桁的斷面布置見(jiàn)圖5。采用兩主桁布置存在如下問(wèn)題：
(1)主桁桿件最大桿力72000kN，主桁桿件龐大，設(shè)計(jì)、制造和安裝都很困難；
(2)兩主桁間距30m，鐵路橫梁跨度大，相應(yīng)的橫梁梁高高，橫梁受力不合理；
(3)鐵路橫梁彎距大，豎桿將承受較大的列車(chē)荷載引起的面外彎距大，豎桿受力復(fù)雜，應(yīng)力幅值高；
(4)由于兩主桁間距30m，桁架斷面的整體性差，截面抗扭剛度弱。
為了解決兩主桁布置存在的問(wèn)題，需要在兩主桁中間增加一片主桁，相應(yīng)增加一個(gè)斜拉索索面，三主桁布置見(jiàn)圖6。
采用三片主桁布置后，主桁桿件最大桿力降至56000kN，鐵路橫梁跨度減至15m，不但減小了鐵路橫梁規(guī)模，而且增強(qiáng)了主桁斷面的整體性。三個(gè)主桁弦桿件采用相同的截面，對(duì)應(yīng)三個(gè)索面的斜拉索的恒載索力也基本一致，活載作用下中桁與邊桁大部分桿件的桿力相差不超過(guò)5%。
為了提高公路面鋼正交異形板的焊接質(zhì)量和加快架梁速度，主梁桁段在工廠整體制造，整體運(yùn)至工地后采用700t架梁吊機(jī)架設(shè)。為實(shí)現(xiàn)桁段的順利拼裝，需采取如下措施：
(1)桁段在工廠匹配組裝；
(2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)受力和變形的需要設(shè)置合適的臨時(shí)桿件；
(3)架梁吊機(jī)設(shè)置三個(gè)獨(dú)立的吊點(diǎn)，三個(gè)吊點(diǎn)能微調(diào)對(duì)位。
4.主塔墩基礎(chǔ)選型
大直徑鉆孔樁是目前國(guó)內(nèi)外深水橋梁所普遍采用的一種基礎(chǔ)形式。其設(shè)計(jì)、施工工藝均已較成熟，單樁承載力高。鉆孔樁的另一個(gè)突出特點(diǎn)是其適應(yīng)性強(qiáng)，可用于各種復(fù)雜不良地質(zhì)條件，且樁長(zhǎng)適應(yīng)范圍廣，施工質(zhì)量較易控制。
上部結(jié)構(gòu)作用到墩底的反力巨大，所以宜采用大直徑嵌巖柱樁,樁尖置于強(qiáng)膠結(jié)礫巖中。設(shè)計(jì)中在滿足受力要求的情況下，擬定φ2.5，φ3.0 ，φ3.3，φ3.4m不同樁徑方案進(jìn)行比較。2號(hào)墩基礎(chǔ)方案如下。
方案一（樁徑2.5m）：基礎(chǔ)采用 70φ2.5 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)橫橋向?qū)?0.25m，承臺(tái)順橋向?qū)?4.5m，承臺(tái)厚6.0m，樁長(zhǎng)60m，封底砼厚2.0m；
方案二（樁徑3.0m）：基礎(chǔ)采用 48φ3.0 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)橫橋向?qū)?7m，承臺(tái)順橋向?qū)?5m，承臺(tái)厚6.0m，樁長(zhǎng)60m，封底砼厚2.0m；
方案三（樁徑3.3m）：基礎(chǔ)采用 35φ3.3 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)橫橋向?qū)?45.1m，承臺(tái)順橋向?qū)?1.9m，承臺(tái)厚6.0m，樁長(zhǎng)60m，封底砼厚2.5m；
方案四（樁徑3.4m）：基礎(chǔ)采用 32φ3.4 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)橫橋向?qū)?3.4m，承臺(tái)順橋向?qū)?6.2m，承臺(tái)厚6.0m，樁長(zhǎng)60m，封底砼厚2.5m。
四個(gè)方案的結(jié)構(gòu)工程數(shù)量見(jiàn)表1。根據(jù)表1中各方案的比較可以看出，2＃墩基礎(chǔ)從工程數(shù)量的角度來(lái)說(shuō)，采用φ3.4m鉆孔灌注樁是較為經(jīng)濟(jì)的。為解決直徑3.4m鉆孔樁的成孔問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)研制了扭矩30t.m的KTY4000型鉆機(jī)。
表1 2號(hào)主塔墩各方案工程數(shù)量比較表
5.吊箱圍堰錨墩定位技術(shù)
吊箱圍堰的功能：①承臺(tái)施工的防水結(jié)構(gòu)；②可兼作鉆孔樁施工平臺(tái)。
吊箱圍堰是一個(gè)雙壁的自浮結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)其功能必須解決圍堰在水中自浮時(shí)的定位問(wèn)題，常規(guī)的圍堰定位是通過(guò)在水中拋設(shè)錨錠來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)基礎(chǔ)規(guī)模變大時(shí)，圍堰的錨錠定位存在如下問(wèn)題：①大體量圍堰錨錠數(shù)量多，錨錠受力均勻性難把握；②水位漲落需調(diào)錨。
針對(duì)圍堰的錨錠定位存在的問(wèn)題，2號(hào)墩施工中采用了錨墩定位技術(shù)，見(jiàn)圖7。圍堰在工廠整體制造，浮運(yùn)至墩位后，在墩位上、下游各設(shè)置2個(gè)錨墩，錨墩作為圍堰定位的錨固點(diǎn)，通過(guò)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)連接圍堰和錨墩，實(shí)現(xiàn)圍堰位置的固定和調(diào)整。
圖7 吊箱圍堰錨墩定位
武漢天興洲長(zhǎng)江大橋2號(hào)主塔墩圍堰采用錨墩定位技術(shù)提高了圍堰定位和護(hù)筒插打的精度，圍堰平面位置偏差小于3cm，垂直偏差小于1/2 000，護(hù)筒插打平面位置偏差小于5cm，垂直度偏差小于1/400，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了圍堰頂鉆孔平臺(tái)在鉆孔樁施工期間帶載升降的技術(shù)。
6.結(jié)語(yǔ)
武漢天興洲長(zhǎng)江大橋主橋是目前世界上跨度最大，載重最重的公鐵兩用斜拉橋，設(shè)計(jì)和施工中必須對(duì)若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以便使結(jié)構(gòu)更加合理，實(shí)施效果更好。目前，該橋已完成基礎(chǔ)施工，全橋有望在2008年建成通車(chē)。
