1 橋位概況
荊沙長江公路大橋位于湖北省荊州市，是207國道跨長江的一座特大型橋梁，大橋北岸為荊州市區(qū)，南岸為公安縣埠河鎮(zhèn)。橋位處江面寬約2350m，江中有一沙洲，因其最高處海拔高程為38m而稱為三八洲。三八洲將橋位河段分為南北兩汊，其中北汊寬約700m，南汊寬約450m，三八洲長約1100m。橋位處河段岸線和河道基本穩(wěn)定，河床演變主要表現(xiàn)為洲灘的消長和主支汊的興衰交替。
大橋所在地區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣侯區(qū)，多年平均氣溫為16.3℃，一月份氣溫最低，月平均氣溫為3.6℃，極端最低氣溫為-14.9℃；七月份氣溫最高，月平均氣溫為28.3℃，極端最高氣溫為38.9℃。荊州氣象局記載，1954年1996年平均風(fēng)速為2.4m/s，最大風(fēng)速24m/s，根據(jù)橋址地型地貌特征及橋梁建筑高度綜合分析，確定百年一遇10m高10分鐘平均最大風(fēng)速為21.0m/s，換算至橋面處的設(shè)計(jì)風(fēng)速為順橋向25.4m/s、橫橋向29.2m/s。
橋址區(qū)地表出露地層以第四紀(jì)松軟堆積層為主，第四系為一套由細(xì)到粗多韻律的河湖相沉積物，主要為粘土、砂、卵石、礫砂。橋位區(qū)下伏基巖為泥巖、粉細(xì)砂巖，基巖頂部埋深116-128m。
根據(jù)歷史地震重演，構(gòu)造類比，并結(jié)合現(xiàn)代地震活動(dòng)綜合分析計(jì)算，大橋50年超越概率10%的場址地震烈度為6度，100年超越概率10%的場址地震平均烈度為6.4度，大橋抗震設(shè)計(jì)烈度為7度。
2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
?。?） 公路等級(jí)：一級(jí)公路
?。?） 計(jì)算行車速度：100km/h
（3） 橋面寬度：行車道凈寬21.50m，橋面總寬為24.5m（斜拉橋段27.0m），不設(shè)非機(jī)動(dòng)車道和人行道。
（4） 設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛-120
（5） 設(shè)計(jì)風(fēng)速：縱橋向25.4m/s、橫橋向29.2m/s
?。?） 地震：設(shè)計(jì)烈度七度
?。?） 設(shè)計(jì)洪水頻率：三百年一遇
?。?） 通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(jí)二類航道，通航凈高采用20年一遇水位以上18m，北汊通航孔孔徑不小于500m，南汊通航孔孔徑不小于300m。
3 總體布置
大橋共由九個(gè)橋段組成，自北向南依次為北岸引橋、跨荊江大堤橋、北岸灘橋、北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋、南岸灘橋、跨荊南干堤橋、南岸引橋，橋梁全長為4177.60m。其中控制橋跨布置的橋段為：跨荊江大堤橋、北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋和跨荊南干堤橋。
“萬里長江險(xiǎn)在荊江”，荊江大堤和荊南干堤是荊江河段抗洪搶險(xiǎn)的重要通道，堤防部門要求，跨荊江大堤橋主孔不小于150m，跨荊南干堤橋主孔不小于80m；北汊通航孔為長江主航道，南汊通航孔為長江枯水期備用航道，根據(jù)長江航道變化規(guī)律，航道管理部門要求，北汊通航孔橋主孔跨徑不小于500m，附孔跨徑不小于200m，南汊通航孔橋主孔跨徑不小于300m，附孔跨徑不小于150m；三八洲橋因地質(zhì)條件差，下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)施工困難，橋孔布置主要考慮盡量減少墩數(shù)，并兼顧考慮因河床演變?nèi)酥尬磥硇枰ê降目赡苄浴?br />
綜合考慮橋址地形、自然條件、水文地質(zhì)、通航、防洪等因素，本著實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀的原則，經(jīng)初步設(shè)計(jì)階段反復(fù)比較，大橋橋跨布置為：
（1） 北岸引橋：22×20m預(yù)應(yīng)力砼簡支空心板
（2） 跨荊江大堤橋：93+150+93（m）預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁
（3） 北岸灘橋：5×30m預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁
（4） 北汊通航孔橋：200+500+200（m）PC斜拉橋
（5） 三八洲橋：100+6×150+100（m）預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁
（6） 南汊通航孔橋：160+300+97（m）PC斜拉橋
（7） 南岸灘橋：8×30（m）預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁
（8） 跨荊南干堤橋：50+80+50（m）預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁
（9） 南岸引橋：9×30m預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁
4 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋構(gòu)成的大橋主橋全長2557m，現(xiàn)對(duì)主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要情況分述如下：
4.1 北汊通航孔橋
4.1.1 主梁
北汊通航孔200+500+200（m）PC斜拉橋，主梁采用預(yù)應(yīng)力砼肋板式連續(xù)梁。梁頂寬26.5m，底寬27.0m，雙主肋高度為2.4m，高跨比為1：208.3，寬跨比為1：18.51。標(biāo)準(zhǔn)梁段肋寬1.7m，橋面板厚度為32厘米，標(biāo)準(zhǔn)斷面面積為16.28m2、抗彎慣性矩為9.66M4 。為了消除邊墩支座的負(fù)反力并增加結(jié)構(gòu)剛度，兩邊跨自梁端起各68m范圍內(nèi)采用加大主肋寬度的方法施加壓重。具體為：4m（實(shí)心段）+3×4m（斷面面積為55.28m2，肋寬10.60m)+7×4m（斷面面積為36.04m2，肋寬為6.3m）+4×6m（斷面面積為29.91m2，肋寬為4.9m）；由于塔下主梁承受巨大的軸向壓力，塔下共52.0m長的梁段肋寬增加至2.4m，斷面面積為19.15m2。除上述節(jié)段外，其余節(jié)段均為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。
為了增加主梁橫向剛度，改善橋面板受力性能并均勻傳遞斜拉索索力。主梁中設(shè)置了126道橫梁（每對(duì)拉索處設(shè)一道），橫梁厚度為26cm。
4.1.2 索塔
考慮到與南汊姊妹塔景觀上的協(xié)調(diào)性，北汊通航孔橋采用H型索塔。北塔橋面以上的高度為111.90m，承臺(tái)以上的高度為139.15m；南塔橋面以上的高度為110.38m，承臺(tái)以上的高度為150.25m。兩塔每根塔柱下均設(shè)有5m高的塔座，以分散塔底反力。塔上橫梁截面高度為4米，下橫梁截面高度為6m，塔身及橫梁均為空心截面。兩索塔錨固區(qū)直柱段高度為54.35m，截面順橋向長7.0m，橫橋向?qū)?.0m；由上橫梁下緣至塔底，索塔順橋向尺寸呈直線變化，北塔由7m變?yōu)?2.0m，南塔由7.0m變?yōu)?2.73m。索塔橫橋向?qū)捲谙聶M梁頂面以上為4.0m，下橫梁頂面以下為7.0m。
索塔壁厚順橋向?yàn)?.2m，橫橋向?yàn)?.8m，斜拉索在塔內(nèi)張拉，索塔的拉索錨固段內(nèi)壁采用10mm厚的鋼板護(hù)壁。
4.1.3 斜拉索
斜拉索采用PES7熱擠聚乙烯拉索，PESM7冷鑄鐓頭錨錨固體系。拉索最小間距為4m，標(biāo)準(zhǔn)間距為8m，塔下第一對(duì)斜索與直索間距為11.5m，拉索最小傾角為23.554°。
根據(jù)各拉索的設(shè)計(jì)索力并兼顧考慮全橋的整體剛度，全橋采用PES7—139到PES7—283等8種規(guī)格的斜拉索。設(shè)計(jì)最大索力為6590KN。
4.1.4 支座
主梁設(shè)計(jì)成飄浮體系，僅在兩端交界墩上設(shè)4個(gè)拉壓球型支座，支座設(shè)計(jì)豎向壓力為5000KN，豎向拉力為2500KN，位移量為±400mm，轉(zhuǎn)角1°。
4.2 南汊通航孔橋
4.2.1 主梁
南汊通航孔160+300+97（m）姊妹塔PC斜拉橋，主梁亦采用預(yù)應(yīng)力砼肋板式連續(xù)梁。梁頂寬26.5m，底寬27.0m，雙主肋高度為2.0m，高跨比為1：150，寬跨比為1：11.1。標(biāo)準(zhǔn)梁段肋寬1.9m，橋面板厚度為32cm，標(biāo)準(zhǔn)斷面面積為16.28m2、抗彎慣性矩為6.9M4 。為了消除邊墩支座的負(fù)反力并增加結(jié)構(gòu)剛度，兩邊跨自梁端起分別設(shè)47m（97m邊跨）和22m（160m邊跨）長配重段。配重段重量與北汊通航孔橋類似，采用漸變的方法設(shè)置。
南汊斜拉橋兩塔高度不等，設(shè)計(jì)采用H型塔。高塔承臺(tái)以上高度為124.8m，低塔承臺(tái)以上高度為89.4m。高塔塔柱在橫梁以上順橋向長6.0m，橫橋向?qū)?.0m，橫梁以下塔柱順橋向由6.0m變?yōu)?0.0m；低塔塔柱順橋向和橫橋向尺寸保持不變，順橋向長6.0m，橫橋向?qū)?.0m。
索塔壁厚順橋向?yàn)?.8m，橫橋向壁厚1.0m，斜拉索在塔內(nèi)張拉，索塔的拉索錨固段內(nèi)壁亦采用10mm厚的鋼板護(hù)壁。
4.2.3 斜拉索
南汊斜拉橋斜拉索采用與北汊斜拉橋相同的材料，在拉索的布置上，南汊斜拉橋塔下不設(shè)直索，塔下無索區(qū)長20.0m，拉索標(biāo)準(zhǔn)間距為8.0m，最小間距為4.0m。拉索最小傾角為25.75°。
4.2.4 支座
南汊斜拉橋亦為飄浮體系，僅在兩端交界墩上設(shè)4個(gè)拉壓球型支座，由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，小邊跨梁端的拉壓支座需要承受較大的豎向拉力。
4.3 三八洲橋
三八洲橋主梁為100+6×150+100（m）預(yù)應(yīng)力砼箱形連續(xù)梁橋，分兩幅布置，主梁設(shè)計(jì)成兩個(gè)分離的箱梁。箱梁墩頂梁高為8.0m，跨中及梁端高為3.3 m。單幅箱梁頂寬為12.50m，底寬為7.0m。
4.4 主橋基礎(chǔ)
根據(jù)橋位地質(zhì)條件，主橋基礎(chǔ)全部設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。北汊通航孔橋兩塔下均為22根直徑2.5m樁基，承臺(tái)直徑33.0m，承臺(tái)厚6.0m；三八洲橋中墩每幅采用5根直徑2.0m樁基，承臺(tái)厚度為5m；南汊斜拉橋高塔下采用22根直徑2.0m樁基，承臺(tái)直徑為27.20m，承臺(tái)厚度為6.0m，低塔下采用15根直徑2.0m樁基，承臺(tái)厚度為6.0m，矩形承臺(tái)。
5 工程主要技術(shù)特點(diǎn)
荊沙長江公路大橋構(gòu)成復(fù)雜，技術(shù)含量高，有許多技術(shù)指標(biāo)在國內(nèi)領(lǐng)先。北汊通航孔橋?yàn)橹骺?00mPC斜拉橋，其跨度居同類橋梁世界第二，就其主梁斷面型式來看，是世界上首座主跨跨徑達(dá)500m的肋板式斷面PC斜拉橋；南汊通航孔橋?yàn)?60+300+97（m）姊妹塔PC斜拉橋，其跨度僅次于在建的江西湖口大橋（主跨318m姊妹塔PC斜拉橋）；三八洲連續(xù)梁橋，主跨150m，連續(xù)長度達(dá)1100m，是目前國內(nèi)連續(xù)長度最長的連續(xù)梁橋。大橋在設(shè)計(jì)計(jì)算、工程材料、施工工藝等方面有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究。主要為：
5.1 設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）500m主跨PC斜拉橋成橋及懸臂施工階段靜力穩(wěn)定性問題，結(jié)構(gòu)幾何非線性和材料非線性問題，特大跨度PC斜拉橋的地震反應(yīng)、風(fēng)穩(wěn)定性問題以及特大跨度PC斜拉橋砼徐變影響分析。
?。?）300m主跨高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性以及拉索疲勞問題。
（3）三八洲連續(xù)梁橋二次力計(jì)算分析、溫度場分析、體系轉(zhuǎn)換等技術(shù)問題。
5.2 施工工藝
?。?） 500m主跨PC斜拉橋施工控制技術(shù)
（2） 長大斜拉索安裝工藝、減震措施（500m主跨PC斜拉橋最長達(dá)268.54m，重223KN）。
?。?） 三八洲連續(xù)梁橋懸臂施工撓度控制技術(shù)。
?。?） 復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑鉆孔灌注樁施工技術(shù)（大橋32號(hào)塔樁基直徑2.5m，深90m；須穿透的卵石層厚約20m。）
5.3 工程材料
(1) 高強(qiáng)砼
荊沙長江公路大橋南北汊PC斜拉橋主梁采用60號(hào)高強(qiáng)度砼，在國內(nèi)如此大規(guī)模使用60號(hào)砼是少有的。為保證砼在施工過程中的質(zhì)量，降低造價(jià)，需研究使用常規(guī)的水泥、砂、石原料以及常規(guī)的制作工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度砼的外加劑和最優(yōu)的砼配合比。
（2） 大位移量伸縮縫
為適應(yīng)溫度引起的主梁伸縮及地震位移，500m主跨與三八洲橋之間須設(shè)置伸縮量1360mm的大位移量伸縮縫。
?。?） 大位移量及大噸位支座
根據(jù)結(jié)構(gòu)受力和變形的需要，三八洲連續(xù)梁橋及跨荊江大堤橋支座噸位達(dá)50000KN，北汊通航孔橋梁端支座位移量達(dá)800 mm。
6 科研試驗(yàn)
如上所述，荊沙長江公路大橋是一座技術(shù)復(fù)雜的特大型橋梁，大橋建設(shè)對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算、工程材料、施工工藝提出了很高的要求。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性，確保安全、順利地建成大橋，應(yīng)設(shè)計(jì)方面要求，大橋建設(shè)指揮部委托有關(guān)科研機(jī)構(gòu)做了大量科研試驗(yàn)工作。主要試驗(yàn)內(nèi)容如下：
6.1 試 樁：
通過試樁驗(yàn)證地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性，積累厚卵石層條件下深長樁的施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化施工工藝，指導(dǎo)施工。試樁在28號(hào)墩位進(jìn)行，試樁直徑1.5m，深度80m。
6.2 斜拉橋風(fēng)洞試驗(yàn)
斜拉橋風(fēng)洞試驗(yàn)的主要內(nèi)容有：
（1） 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)：測定氣動(dòng)系數(shù)、橋梁顫振臨界風(fēng)速以及氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)、檢查橋梁在不利狀態(tài)下和運(yùn)營狀態(tài)下的渦激振動(dòng)現(xiàn)象及振幅。
（2） 抖振響應(yīng)分析：對(duì)斜拉橋在成橋狀態(tài)、最大雙懸臂和最大單懸臂狀態(tài)下的抖振響應(yīng)進(jìn)行分析。
（3） 裸塔氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)：包括裸塔狀態(tài)下的渦激振動(dòng)、氣動(dòng)穩(wěn)定性、抖振響應(yīng)。
（4） 500m主跨PC斜拉橋全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)：對(duì)500m主跨PC斜拉橋進(jìn)行均勻流風(fēng)場及紊流風(fēng)場中的顫振和抖振試驗(yàn)，給出橋梁顫振臨界風(fēng)速和抖振響應(yīng)。
6.3 500m主跨PC斜拉橋靜力穩(wěn)定性試驗(yàn)
荊沙長江大橋北汊通航孔橋500m主跨PC斜拉橋，其跨度居世界PC斜拉橋的第二位，僅次于挪威的SKARNSUNDET橋。后者主梁為三角箱形斷面，而本橋主梁為雙主肋斷面，肋高僅為2.4m，主梁長細(xì)比大，結(jié)構(gòu)纖細(xì)輕柔，在斜拉索巨大的水平分力作用下，結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性的問題十分突出。 又由于斜拉橋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和約束條件的不確定性，以及500m大跨度橋梁的非線性影響，結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定分析計(jì)算難以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性能，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性，全面探討500m主跨雙主肋斷面PC斜拉橋的整體穩(wěn)定性，有必要進(jìn)行相關(guān)模型試驗(yàn)研究。
通過試驗(yàn)，可直觀地了解結(jié)構(gòu)在自重、汽車荷載以及不平衡施工荷載作用下，索力和主梁內(nèi)力的分布變化情況；確定結(jié)構(gòu)在最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下失穩(wěn)時(shí)的荷載條件，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性對(duì)結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性影響的分析，為設(shè)計(jì)和施工提供參考。
經(jīng)過研究，決定靜力穩(wěn)定性試驗(yàn)采用鋁合金模型，模型比例為1：30，目前試驗(yàn)正在鐵道部大橋局橋梁科學(xué)研究院緊張進(jìn)行。
6.4 全橋地震反應(yīng)分析研究
大橋的地震反應(yīng)分析包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析、以及主橋墩位土層砂土液化評(píng)價(jià)。
7 結(jié)束語
荊沙長江公路大橋已于1998年3月28日正式開工，目前大橋樁基施工已基本完成，按計(jì)劃大橋?qū)⒂?002年3月建成通車。屆時(shí)，舉世聞名的古城荊州將聳立起一座具有現(xiàn)代化水平長江大橋，實(shí)現(xiàn)荊州人民“一橋飛架南北，天塹變通途”的美好夢想。
附圖：
