三塔斜拉桥的再突破——马鞍山公铁两用长江大桥方案研究

巢马城际铁路马鞍山公铁两用长江大桥位于安徽省马鞍山市，是一个集高速铁路、城际铁路及城市快速路为一体的多功能桥梁。项目所在的马鞍山市位于安徽省东部，地处南京、合肥两个都市圈，是重要的工业城市，其建设对马鞍山市融入长三角城市群，促进长江两岸经济发展具有重要意义。

该项目位于长江下游，所在区域具有江面宽、通航要求高、过江通道的建设投资大、岸线资源紧张的特点，结合过江通道及路网规划要求，推荐采用公铁合建的方式跨越长江。采用多种交通功能同步过江，可有效利用过江通道资源；同时在投资增加有限、满足高速铁路远途交通的情况下，增加短途的交通功能，能更好地促进两岸经济发展融合。

在进行铁路运量及公路交通量分析后，确定最终采用4线铁路+6车道公路的建设标准。其中，两线铁路为规划的巢马城际铁路，确定的速度目标值为250km/h；预留两线城际铁路，速度目标值为200km/h；公路按照城市快速路的标准建设，为双向六车道，设计速度为80km/h。

拟建工程位于长江下游马鞍山河段。长江从南到北流经马鞍山市，将城市分为东西两岸，其中长江干流长31.25km，支汊长38.24km。通过分析区域地形地质条件、城镇及岸线规划、路网布局、长江水文、河势、通航等因素，共选取了慈湖通道、小黄洲通道、江心洲通道、东西梁山通道等4处大通道的7个线位进行比选。

图1 马鞍山公铁过江通道比选桥位平面布置示意

通过比较，推荐采用姑孰线位。该线位是国家已批复通道并进行了规划控制，线位处河势较为稳定、两岸公铁交通组织顺畅、拆迁量小、投资规模适中、公铁合建桥梁方案可实施性最好。

姑孰线位位于已建马鞍山公铁两用长江大桥上游约2.3km，公铁合建跨江段全长约9.8km，自西向东起于和县姥下河河口上游附近，经牛屯河边滩，跨越长江左汊，穿过江心洲中段，在幸福洲洲头跨越长江右汊，到达当涂县岸侧。长江在桥位处由宽约5km的江心洲分为左汊航道和右汊航道，左汊航道为主航道，右汊航道为副航道。

该项目位于长江下游，所在区为丘陵平原区。长江近岸区属于长江冲积平原，地形平坦，地势开阔；长江左右汊及江心洲属于长江漫滩区。

项目所在区域属北亚热带季风气候区。年平均气温15～16°C，极端最高气温达43℃，极端最低气温为-14.0℃。马鞍山地区多年平均风速为2.3m/s。历年最大风速为24.0m/s。根据现行公路桥梁抗风规范，结合附近南京、滁州和芜湖气象站的资料，并结合项目特点，跨江大桥基本风速取28.9m/s。

结合桥位所在流域的河道、航道、港口现状及规划，对航道通航条件影响评价专题研究，得到主航道航道等级Ⅰ-（1）级，设计最高通航水位以上通航净高不低于32m，单孔双向通航净宽应不小于700m；副航道等级Ⅰ-（3）级，设计最高通航水位以上通航净高不低于18m，单孔双向通航净宽应不小于285m。

桥址区两岸覆盖层相对较薄，江心洲较厚；沿线基岩面略有起伏。覆盖层主要为第四系地层，第四系地层主要为全新统河流冲积地层粉细砂层、流塑-软塑状粉质黏土、圆砾、漂石，上更新统冲洪积地层粉质黏土、砂层及圆砾层；基岩有粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、砾岩，凝灰岩、凝灰角砾岩。

主汊及副汊航道桥按照100年10%的地震动参数作为第一级设防水准，地震动峰值加速度为0.11g；100年4%的地震动参数作为第二级设防水准地震动峰值加速度为0.15g；反应谱特征周期为0.55s。

长江在桥位处由江心洲分为左汊主航道和右汊副航道。

对于左汊的主航道，历史上左右侧摆动较为频繁河床深泓摆动频繁，具有“三十年河东，三十年河西”的特点。近年来，通过河道治理与航道整治工程实施，深泓线及深槽向右侧摆动，并逐渐趋于稳定。

图2 主汊航道地形立面（单位：m）

桥墩布置主要遵循以下原则：布置在10.5m等深线、航道整治线以外，有效航道宽度不小于既有公路桥；左侧边滩少布置桥墩，尽量减小对边滩影响，同时避让江心洲侧边滩护岸工程；在跨大堤时需满足安全距离要求。根据以上原则，初步确定桥跨布置为(124+2×248+300+510+1260+330+2×150）m，总长3320m。

图3 主汊航道一大跨方案立面图（单位：m）

该桥跨布置方案，主通航孔和边孔覆盖了近年来深泓线、深槽及习惯性航路范围，对航道变化、桥区船舶习惯性航路的适应性相对较好，能够满足通航要求。

随着研究的深入，桥位距离已建马鞍山公路大桥仅2.3km，该桥跨度布置为2×1080m，牛屯河边滩位置处未能对应布置，如发生深槽摆动至左侧，牛屯河边滩区域的孔跨布置不能满足主航道船舶通航要求，对航运安全有一定隐患；同时，牛屯河边滩下游布置有大型的深水港区——郑蒲港，一大跨方案桥墩数量较多，对边滩的稳定及下游郑蒲港区的淤积会产生不利影响。由此，最终采用与马鞍山长江公路大桥通航孔对应布置的两大跨桥跨布置方案，主跨跨度为2×1120m，能够很好地适应桥区河段深槽、主航道的变化趋势，消除桥梁建设对长江航运的安全隐患，确保长江黄金水道畅通。

图4 主汊航道桥两大跨方案

（推荐方案）立面图 （单位：m）

①车道布置的比选

该项目按照4线铁路+6车道公路的规模进行实施，为选择合理的车道布置方式，从平纵横布置、接线方案、占地面积、交通组织、结构受力、施工难度、景观及经济性对公铁双层方案（铁路下层、公路上层）、铁路双层方案（上层2线铁路、下层2线铁路+公路）和公铁平层方案进行综合比较比选，采用公铁双层方案，平纵线形好，交通组织简单，占地面积小，经济性好，施工工艺成熟，景观效果也好，为推荐的车道布置方式。

②桥型方案比较

主汊航道桥采用2×1120m的跨度布置，对于该跨度的公铁两用桥，可考虑多塔缆索承重桥梁，目前主要分为斜拉桥和悬索桥两大类，即三塔两主跨斜拉桥和三塔两主跨悬索桥。针对两种方案，从构造、受力、施工、经济性等各方面进行了综合比较。通过比较，两主跨斜拉桥方案，结构整体刚度相对较大，中塔基础弯矩相对较小，对防洪影响小，经济性较好，施工风险低、技术成熟，因此推荐主跨2×1120m三塔斜拉桥方案。

③结构设计

主汊航道桥为主跨超千米的公铁合建三塔斜拉桥方案，为达到刚度合理、经济性好、造型美观的设计目标，从总体的支承体系、中边塔比例、中边塔的结构选型、边跨长度选择、辅助墩布置等方面进行了深入的研究，并针对具体的主塔、主梁、主塔基础、斜拉索等构件的选择进行了详细的比选。通过研究比选，形成如下的主要结构设计方案。

支承体系采用中塔纵向设置弹性索和横向抗风支座，两个边塔设置纵向阻尼器及横向抗风支座，辅助墩和边墩均设置竖向支承及横向抗风支座的形式。

三塔主塔采用不等高布置形式。中塔塔顶高程较边塔高24.5m，中塔锚固41对斜拉索，边塔锚固33对斜拉索。

中塔采用纵横向都为三角形的构造，提高了中塔的纵向刚度、减小了单个塔柱的截面尺寸，便于施工控制。两个边塔受力相对较小，横向采用与中塔一致的三角形的构造，纵向为I形。中塔总高345m，两个边塔分别为306m和308m；三个塔均采用钢混结构，上塔柱为钢塔柱、中下塔柱为钢筋混凝土结构。

主塔基础基岩埋深50～70m，采用钻孔桩基础方案；同时为充分发挥基岩承载力，优化桩基根数，推荐采用直径4m的大直径钻孔灌注桩。其中中塔采用60根，承台平面采用四边倒圆的矩形；两个边塔各36根，采用哑铃形承台。

钢主梁采用双层，上层为6车道公路，下层为4线铁路。主梁纵向采用N形桁，标准节间距为14m，横向布置3片桁，间距为2×15.5m；边桁桁高为15.5m。上、下弦杆均采用箱形截面，腹杆采用H形或箱形截面。铁路桥面采用整体钢箱结构；公路桥面采用正交异性板整体钢桥面。

斜拉索采用平行钢丝拉索，强度为2100MPa，最大索长约650m。

副汊航道桥对应长江的右汊，为副航道。2006年以来深泓线及深槽变化稳定，居于河道中间，基本没有变化。断面呈“V”形。结合大堤、通航净宽等因素，采用主跨392m的跨度跨越副汊航道，采用168m的跨度跨越两侧大堤。通航孔完全覆盖了多年来深泓线、深槽及习惯性航路范围，基本一孔跨过通航水域范围，满足通航要求。

图5 副汊航道桥桥跨布置示意（单位：m）

①方案比选

根据桥跨布置，结合公铁合建桥的特点及已建桥梁经验，副汊航道桥比选了钢桁梁斜拉桥和刚性梁柔性拱桥两个方案。

通过比较，两个方案结构受力、刚度等都满足要求，景观也各有特色；比较斜拉桥方案构造简单、施工难度小、经济性较好，因此为推荐方案。

图6 副汊航道桥桥式立面图（单位：m）

②结构设计

副汊采用主跨392m的双塔斜拉桥，成熟经验多。通过对结构约束体系、主梁、主塔、基础、斜拉索等方面比选研究，并结合相关边界条件及景观要求，确定副汊航道桥合理结构。

支承体系采用主塔设置纵向阻尼器及横向抗风支座，边墩设置竖向支承及横向抗风支座，辅助墩设置竖向支承及中桁处设置横向固定支座的体系。

主塔造型与主汊航道桥对应，横向为三角形，塔柱采用钢筋混凝土结构。塔高170m，单个塔锚固12根斜拉索。主塔基础均采用钻孔灌注桩，单个主塔采用30根直径2.8m桩，承台为哑铃形。

钢主梁同主汊航道桥，采用双层。纵向采用N形桁，标准节间距为14m，横向布置3片桁，间距为2×15.5m；边桁桁高为15.3m。上、下弦杆均采用箱形截面，腹杆采用H形或箱形截面。铁路桥面采用与弦杆焊接的正交异性板结构，参与结构整体受力；公路桥面采用正交异性板整体钢桥面。

斜拉索推荐采用强度为2100MPa钢绞线拉索，可优化主塔结构尺寸，便于施工安装。斜拉索在塔上采用钢锚梁锚固、梁上采用锚拉板锚固。

大桥公铁合建段长度约9.8km，其中有5.7km公铁合建引桥。针对引桥方案，从防洪、工程造价、施工方案等方面进行了比选。考虑江心洲及当涂侧为泄洪区，为减小桥梁建设对行洪的影响，采用以40.7m的桥跨布置；和县侧位于大堤背水面，采用与接线桥梁一致的32.7m的桥跨布置，便于标准化施工。引桥采用双层布置，下层为铁路梁，采用简支结构；上层公路桥，采用多跨连续梁；主梁均采用箱形截面，上下游分幅布置。桥墩构造与主梁布置对应，采用双层框架墩。

马鞍山公铁两用长江大桥采用规划的姑孰线位跨越长江，公铁合建段总长约9.8公里，由主汊航道桥、副汊航道桥及引桥组成。主汊航道桥采用主跨2×1120m的三塔斜拉桥方案，副汊采用主跨392m的两塔斜拉桥，桥跨布置满足航道需要，桥型方案经济性好、结构性能及构造满足各方面要求。桥位和桥梁方案选择经过科学的比选，为最优方案。