以问题为导向实施设计——张靖皋长江大桥南航道桥设计创新

张靖皋长江大桥是国家发改委印发《长江干线过江通道布局规划（2020-2035）年》中明确“十四五”期间重点推动建设的过江通道项目，也是《江苏省长江经济带综合立体交通运输走廊规划（2018-2035）年》明确的过江通道重点实施项目。为贯彻落实长三角区域一体化发展和长江经济带发展国家战略，优化长江干线过江通道布局，完善区域路网布局，推进扬子江城市群建设和跨江融合发展，加快建设张靖皋长江大桥可有力支撑长江经济带高质量发展。

张靖皋长江大桥位于长江下游澄通河段如皋沙群段，西距江阴大桥约28公里，东距沪 苏通大桥约16公里，具体位置见图1和图2。

图1 张靖皋长江大桥区位图

图2 张靖皋长江大桥地理位置图

张靖皋长江大桥跨越长江福姜沙北水道和福姜沙水道，分别设置北航道桥和南航道桥。本文只介绍南航道桥的相关情况，以回答许多读者关注的为什么要选择采用2300m主跨跨越长江南汊和为什么又要进行那么多项的创新设计。

南航道桥建设条件复杂，桥型方案设计受多种因素控制，主要有以下几个方面——

河势、通航及防洪要求

张靖皋长江大桥南航道桥桥位断面见图3，由图中可见，工程段河势总体稳定，岸线基本稳定。深泓线、局部深槽仍有一定变化。2006～2018年，福姜沙水道深泓线最大摆幅约305m，总体表现为左移。从历年变化可见，深泓线总体左移、下切，福姜沙水道右岸呈现淤积趋势，左岸存在进一步崩塌风险。同时长江12.5米水深航道存在较大摆动幅度，历年摆动幅度约1890m，桥位处于长江澄通河段黄金水道的钻石段，大桥建设要确保不能给长江繁忙的航运带来较大影响。据此，张靖皋长江大桥南航道桥主跨跨径至少要2000m以上。

图3 福姜沙水道横断面变化图

桥位区通航环境见图4，由图中可见，桥位下游约700m处沿长江南岸有一条张家港的进港航道大新专用航道，大桥桥型方案设计时还要充分考虑减少对大新专用航道的影响。

图4 桥位区通航环境示意图

根据长江委对张靖皋长江大桥防洪影响评价要求，长江水道内有严格的阻水率要求，大型锚碇结构要避免设置在长江水域。

环境保护情况

张靖皋长江大桥沿线不涉及国家级生态保护红线。

但穿越刀鲚国家级水产种质资源保护区实验区、江心洲重要湿地（见图5），大桥总体设计时必须根据环评要求落实环保措施，宜采用工厂化、装配化的施工方案。

图5 大桥沿线区域内生态红线分布示意图

工程地质

南航道桥工程地质见图6，总体上处于长江下游深厚软弱地层上，基岩埋深超过130m，65m以内没有理想持力层。

图6 南航道桥工程地质纵断

根据以上主要建设条件和大桥功能，拟定了三个桥型方案进行比选，见图7。

图7 桥型方案示意图

方案1：南锚碇位于长江水道内，未能覆盖历年12.5m深槽摆动范围，北塔处岸线存在崩塌风险；

方案2：锚碇位于南岸陆地区,覆盖了历年12.5m深槽摆动范围，但北塔处岸线存在崩塌风险；

方案3：锚碇位于南岸陆地区，覆盖了历年12.5m深槽摆动范围，北塔位于长江洲堤内的陆地区，对长江岸线几乎没有影响。

经过综合经济技术比较，方案3主跨2300m悬索桥方案是对桥址区建设条件适应性最佳的桥型方案，该方案与航道和水下地形的相对关系见图8。

图8 南航道桥桥跨布置

结合本项目建设条件及对张家港大新专用航道的影响，充分利用缆索支撑桥梁结构特性及经济合理性，南航道桥采用双塔双跨吊悬索桥方案较为合适，桥型布置见图9，具体采用2300+717m的梁跨布置和660+2300+1220m缆跨布置。

图9 双塔双跨吊悬索桥方案桥型布置

综上所述，张靖皋长江大桥南航道桥采用2300+717m的梁跨布置和660+2300+1220m缆跨布置较好地适应了各方面的要求，建成预想图见图10。

图10 张靖皋长江大桥建成预想图

为保证南锚置于堤内陆地区，南边跨长达1220m，超过主跨的一半，呈现超大南边跨的非对称布跨特点。这就带来了一系列的技术挑战，主要体现在以下几个方面——

1.主跨跨径突破2000m后带来的荷载标准、刚度标准、主缆安全系数等现行规范不再适用；

2.桥梁结构抗风性能，尤其是结构颤振稳定性和涡激振动控制要求更高；

3.非对称超长边跨带来的结构体系与受力合理性如何结合；

4.由于跨径超大和软土地基带来的塔梁锚缆关键结构如何解决等。

经过充分的技术经济比较和70多项专题研究论证，张靖皋长江大桥南航道桥采用了主缆缆力自平衡体系（其原理图见图11），较好地释放了非对称超长边跨带来的塔顶巨大不平衡水平力，有效改善了索塔受力，减小了基础规模。

图11 主缆缆力自平衡体系

主缆缆力自平衡体系关键是采用摩擦系数很小的滚轴摩擦副，经过多项试验研究，提出具有自行走功能的主鞍，见图12。

图12 南航道桥主鞍构造图

由于采用了主缆缆力自平衡体系释放了塔顶巨大的不平衡水平力，索塔主要承受竖向力，所以索塔设计成钢箱-钢管约束混凝土组合索塔（见图13），充分发挥钢管混凝土优异的承压性能的同时，可以实现减小塔身自重50%，实现索塔节段工厂制造、现场吊装的装配化施工，工程质量可以得到充分保障，并且可以有效避免索塔出现裂缝的情况。

图13 南航道桥索塔构造图

由于南锚位于南岸长江大堤堤脚以南仅47.6m，为了确保大桥施工过程中对长江大堤的影响控制在10mm以内，采用了支护转结构复合地连墙锚碇基础，通过深层地基加固减小开挖深度，以降低施工风险，见图14。

图14 南航道桥北锚构造图

通过系统的结构抗风性能试验研究，加劲梁采用增加气动措施的扁平流线型的整体式钢箱梁断面，桥轴线处梁内净高4.5m，全宽（含风嘴）51.7m，见图15。

图15 整体式钢箱梁方案主梁标准横断

为了提高结构的抗疲劳性能，通过系列试验研究，钢箱梁顶板采用开口L肋加劲+横隔板开苹果孔方案，见图16。

图16 整体式钢箱梁顶板加劲构造图

由于跨度超过2000米后主缆自重占比大幅提高，通过专题研究，研发了钢丝公称抗拉强度为2200MPa主缆用高强钢丝，主缆断面见图17。

图17 PPWS工法主缆与索股断面（单位：mm）

另外，通过专题研究和可靠度理论分析，充分吸纳了各专题研究成果编制了张靖皋长江大桥设计指南，解决规范和标准不适应的问题，为张靖皋长江大桥顺利推进奠定了坚实基础。基于上述各部分设计，张靖皋长江大桥建成预想图见图18。

图18 张靖皋长江大桥建成预想图

在张靖皋长江大桥设计时，结合建设条件和功能要求，以问题为导向，因地制宜，为解决工程技术问题大胆创新，通过专题试验研究小心求证，形成了目前的推荐桥型方案。总体上技术含量高、建设难度大，要顺利建成大桥还需要各方高度重视、通力合作，以创新驱动桥梁技术发展。

致谢——

感谢给予张靖皋长江大桥设计工作大力支持的建设单位江苏省交通工程建设局、设计单位中交公路规划设计院有限公司&华设设计集团有限公司联合体、咨询单位中铁大桥勘测设计院（集团）有限公司，专题研究单位西南交通大学、东南大学、同济大学、清华大学、南京工业大学、中交长大桥国家研究中心、江苏省建筑科学研究院有限公司、法尔胜缆索股份有限公司、天元重工、461所等单位的支持和协助；感谢交通部、长航局、长江委、江苏省发改委、交通厅等主管部门和沿线各市相关部门及全国各行各业的相关专家和领导的关心、支持和无私帮助！