武汉白沙洲长江大桥的技术特点

一、建设背景及主要建设条件
　　 1．建设背景
　　武汉白沙洲大桥桥位是武汉市总体交通规划预留的中环线上跨越长江的桥位，位于武汉长江大桥上游约8.6km的白沙洲中部偏上游处，桥址河段水文条件复杂、航运繁忙、地质条件较差，桥梁建设难度较大。武汉市过江交通虽有一桥、二桥维系，但是，随着国民经济的发展，过江交通仍然十分紧张，修建武汉白沙洲大桥非常紧迫。因此，大桥的修建必须处理好过江交通与航运、堤防的关系，解决好桥址处特殊水文、地质条件所形成的技术问题，选择合适的桥式，为早日建成大桥创造条件。
　　 2．桥址自然条件
　　（1）河道及水文
　　武汉白沙洲大桥位于武汉市的白沙洲河段上，从白沙洲中部偏上游处跨越长江。本河段中白沙洲、潜洲、荒五里边滩和汉阳也滩，自本世纪初形成至今，平面位置都处于相对稳定状态，河床近期平面变化主要表现在年际年内洲滩的消长，深槽随来水来沙条件上提下移。 深泓纵剖面年际间变化特点是冲淤交替。桥址附近河段处于相对稳定时期。
　　武汉河段的整治工程可行性研究已进行多年，其具体内容是封堵白沙洲南汊，以汉阳岸江堤为准，控制河宽在1200～1300m。从有关模型试验资料看，整治后水流流速普遍增大，河床发生冲刷下切，河床高程普遍降低，其中以深槽下切为主，荒五里边滩及汉阳边滩也相应收缩，对航运极为有利。
　　（2）航运
　　本桥桥址位于武汉至宜昌航段，高水位时能通行3000t轮船，低水位对能通行l000t轮船。本桥通航净高按内河航道标准I（2）级考虑。桥址处仅北汊是通航河道，通过高、中、低水位实船航迹线测量和历年航道调查，桥址处航道覆盖宽约800m。桥址河段航道特点是高、中水位条件下航道顺直，在枯水期，由于汉阳荒五里边滩的冲淤年际变化较大，加之水位下落泥沙落淤所形成的河心滩埂，可行航道弯曲，可通航范围较窄。桥址河段枯水期水道深泓随每年来水来沙条件不同而左右变化。
　　（3）工程地质
　　桥址处基岩为白垩～第三系陆相碎屑岩，岩面较平坦，埋深约20～45m，岩面高程-24．5～-15．6m，岩性、岩相变化较大，固结成岩程度不一，软硬不均。按岩性及成分可分为砂质泥岩、含砾砂质泥岩、砂岩、疏松砂岩等六类，其单轴极限强度在0．5～5MPa之间。主河槽中覆盖层的表层以粉细沙为主，厚8～23m，其下由硬塑半干硬粘性土及圆砾上组成，厚9～18m。
　　 3．主要技术标准
　　（1）荷载等级
　　汽车--超20级设计；
　　挂车--120级检算。
　　（2）设计车速80km/h。
　　（3）桥面宽度
　　桥面设六条机动车道，车行道宽22m，中央分隔带宽1.5m，路
　　缘带宽度共lm，两侧各设宽0．75m检修道，检修道与机动车道间
　　设置0．25m的防护栏。桥面净宽26.5m。
　　（4）设计基本风速 V10＝25．8m／s．
　　（5）地震按6度设计．

　　 二、桥式总体布置
　　 1．桥式布置的原则
　　桥址处河道由南汊、白沙洲、北汊和汉阳边滩组成，两岸大堤间距约2.4km，北汊为主河槽，宽约1200m，通航航道全年均在北汊内，北汊汛期行洪分流比占全河道的85％左右，白沙洲及南汊分流比仅占15％左右，汉阳边滩汛期有水，水深较浅，过洪分流比极小。主河槽重点要解决好通航问题，特别是枯水期的航道问题，还要考虑到航道可能出现的变化；白沙洲及南汊主要应能满足汛期行洪需要，并要求不致对河势变化产生不良影响。因此，在桥式总体布置构思中应尽量减小对河势的不利影响，或通过的选配使建桥对河势的影响趋向有利；要最大限度地改善航运条件，满足通航要求；要有利于加快工程进度，降低造价，为大桥早日建成创造前提条件。正桥桥式布置见图1。

2．主河槽桥式布置
　　主河槽桥式布置经多方案的论证比选，以采用大跨双塔钢箱梁斜拉桥方案为宜，从通航要求考虑，北塔墩置于上、下行航道分界航标处，北边跨覆盖中高水位上行航道，下行从主跨通过；南塔墩置于现行航道一般年份枯水期航迹线以外，既不改变又覆盖了习惯性航道，由此，两塔间主跨当在600m左右。与北边跨对称设置的南边跨作为备用通航孔，以备特殊年份桥址河段水位很低、水道深泓又偏向白沙洲侧时启用。根据以上分析，经河工模型试验验证及通航尺度论证，结合斜拉桥结构的特点，确定采用主跨 618m双塔斜拉桥方案。这一较好地解决了通航问题。
　　 3．白沙洲及南汊桥式布置
　　白沙洲及南汊的桥式选择主要从水文角度出发，考虑其对河势变化及防洪等影响，以期经济合理地解决技术问题。单纯从过洪分流考虑，应以大跨为宜，受河道整治规划研究的启发，提供试验研究时，增加了小跨布置，河势演变分析和动、定床河工模型试验表明，主河槽采用大路斜拉桥，白沙洲及南汊按小跨度布置后，可促使潜洲右侧淤积将有利于实施武
　　汉河段第三期整治工程（该整治工程是封堵南汊最终形成单一河道）。不仅改善防洪条件，同时由于主槽下切，边滩收缩，对枯水期航运极为有利。经多方案比选，按采用小跨方案的原则，综合考虑施工、工期、经济等条件确定采用跨度50m的简支T梁。
　　 4．北岸汉阳边摊桥式布置
　　汉阳边滩地势较高，仅洪水期淹没，且过水分流比极小，按经济合理的原则，选用跨度40m的简支T梁。

　　 三、主跨618m斜拉桥的设计构思
　　 1．结构布置
　　在满足功能要求的前题下，结构布置处理关系到造价、工期及工程实施难易等问题，必须结合斜拉桥的力学特点、自然条件及施工工艺、设备条件等因素综合考虑。
　　武汉地区抗风抗震问题并不突出，斜拉桥的设计主要应处理好静力问题，本桥采用双塔双索面钢、混凝土箱梁组合型斜拉桥，跨度布置为对50+180+618+50（m）5跨连续结构，主梁全长1078m，两端各有87m梁段采用混凝土箱梁，其余904m均为钢箱梁，见图2。两塔墩处对称设有纵向弹性约束。梁上索距为12m，4.5m。主塔采用钻石形结构，自塔座以上全高174．45m，共设两道横梁，塔柱及横梁均采用空心矩形断面，塔柱纵向尺寸：下横梁以上 6.5m，下横梁以下由6.5m过渡到7m，见图3。主梁高3m，全宽30.1m，见图4。


　　
　　 2．结构特点
　　（ l）斜拉桥边跨跨度比为（180＋50）/618=0.372，主梁每侧包括50m边跨及向180m跨延伸37m共87m长区段采用混凝土箱梁，该段锚有13对斜拉索（共24对边索）。这种梁、墩及斜拉索的布置极大地提高斜拉桥边路的锚固刚度，充分利用尾索效应改善了斜拉桥结构受力状况，特别是改善了主塔及其基础的受力状况，从而减小材料用量，降低工程造价。
　　（2）本桥址处地基承载力较差，深水基础修建费用很高，在工程造价上所占比例高，因此主梁采用轻型钢箱梁可以大幅减小基础反力，从而减小主塔墩基础规模。不仅降低工程造价，而且可缩短工期。
　　（3）主梁采用钢箱梁，标准节段长12m拼装工作量大为减小，工程进度大大加快，为大桥尽早建成通车奠定基础。边跨87m段采用混凝土箱梁，可解决边墩及辅助墩负反力问题。利用混凝土箱梁较钢箱梁刚度大的特点，加强锚跨钢度。由于边跨一定范围河床面较高且随年度变化，若采用钢箱梁吊装如正值枯水期则难以实施。87m梁段便于采用挂篮对称悬浇施工。另一方面，由于180m为通航孔，l号、4号墩设计受船拉力控制，该梁段采用混凝土箱梁不会增加1号、4号两辅助墩墩身及其基础的造价，而混凝土梁本身费用要低于钢箱梁。
（4）钢箱梁与混凝土箱梁的分界点布置在距辅助墩37m（距梁端87m）的位置，回避了辅助墩处弯矩及剪力峰值，成桥后该接头位置受力呈现轴力大、弯矩及剪力较小的状况，接头受力非常有利。结合段设有特制钢箱节段，其一端设有剪力键与混凝土梁结合，另一端与180m合龙段钢箱梁相匹配，结合段还均匀分散设置了预应力束（筋）以确保结合可靠。斜拉桥180m边跨合龙在两悬臂状态进行，实践证明合龙顺利，并无特别的难点。
　　（5）斜拉桥双伸臂悬拼施工至 2 * 137.5m即可边跨合龙，无需采用临时抗风措施。
　　（6）钢箱梁与混凝土箱梁接合点位置居于一跨之间，主梁竖向刚度变化较为匀顺，有利于改善行车条件。

　　 四、主塔墩基础比选
　　主塔基础规模大、施工环节多、工艺设备复杂、建设费用高，桥址位处长江中游，水位变化大、流速大、冲刷严重，在地基承载力很低、地质条件较差的条件下，选择合适的基础形式，缩小基础规模，控制投资，保证顺利实施极为重要。
　　本桥两个主塔墩基础均位于主河槽，施工水深18～22m，河床覆盖层上部主要为松散、饱和状粉细中砂层，厚7～11m；中部为硬塑-半干硬状粘性土，厚约9m；下部为中密饱和状圆砾土，厚约4m。下伏基岩主要由砂质泥岩组成，岩石极限抗压强度Ra=0．5～2．5MPa。本桥主塔基础主要以沉井基础与桩基两大类型进行比较研究。
　　沉井基础因河床冲刷较深，基底必须埋置较深，尤其必须穿过厚约9m的粘土层，施工难度太大，工期无法保证，故予以放弃。
　　采用钻孔桩，因基岩承载力极低，只能按摩擦桩设计，故重点对两种不同的防水围堰类型进行综合比选。
　　双壁刚围堰适应性较好，安全可靠，技术成熟。但由于地质不良，所需钻孔桩数量较多，相应围堰很大，而庞大的围堰及其封底混凝土重量又需由钻孔桩承受，加之冲刷较大，围堰着河床稳定要求须嵌入硬塑粘土层，基底不透水，围堰所受的水头压力也要由钻孔桩承受。故该虽然可行，但工程数量大、造价高。
　　吊箱围堰在一般河流、小型基础以及水位变化不大、流速很小如海湾上应用较多，但在长江中下游水深流急、像本桥这样的大型基础上采用，尚属新的尝试，必须深入研究结构细节及工艺细节才能保证方案顺利实施。根据水文、地质条件，经过不断地研究深化，设计采用了高桩承台自浮式吊箱围堰钻孔桩基础。施工时先插打定位桩及钢护筒，连接并拼装钻孔平台；先完成6～8根钻孔桩确保安全渡洪，并继续完成全部钻孔桩施工，拆除钻机平台；分段安装下沉吊箱围堰，围堰吊点以钻孔桩为支承，整个围堰能自浮于水中，从而避免大型起吊设备；围堰以钻孔桩钢护筒为导向，定位准确、容易，工序简单，施工快捷。因基础承台较高，封底混凝土厚度仅2m，围堰钢料用量也大量减小，基础自身荷载大幅降低，同时亦消除了水头压力等附加荷载，缩小了基础规模。主塔墩基础采用40根φ1.55m钻孔桩，承台尺寸20.4m * 32.4m * 5m。主塔墩基础见图5。


　　五、结束语
　　本桥于1997年3月28日举行开工仪式，同年11月主塔墩基础完工，1999年9月斜拉桥中跨顺利合龙，历时2年6个月，其间还因1998年、1999年洪水等原因延误了一些工期。从工程实施情况看，主塔墩基础、主梁合龙等设计的一些构想得到了顺利实施与验证。

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