武汉二七长江大桥总体方案研究

林 驰

(武汉市城市建设投资开发集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 概述

素有“九省通衢”之称的湖北省武汉市是我国中部中心城市、全国重要工业基地和交通枢纽，“两江三镇”是其显著的地域特色，随着社会经济的快速发展，中心城区交通矛盾突出且长期存在，既有长江一、二桥的交通量处于超负荷状态，在此背景下，二七长江大桥的工程建设成为了缓解中心城区过江交通矛盾的关键工程。二七长江大桥距上游长江二桥3.2 km、距下游天兴洲大桥6.7 km，工程北接汉口发展大道、南接武昌和平大道，全长6.5 km，其中正桥长2.9 km。

二七长江大桥工程方案的研究始于2003年年底，经数年多方研究论证，主通航孔桥梁实施方案采用了双主跨616 m三塔结合梁斜拉桥方案，刷新三塔斜拉桥跨度与结合梁斜拉桥跨度两项世界纪录，大桥于2008年8月动工，2011年12月建成通车，成为了武汉市二环线上建成的首座越江桥梁。

2 主要技术标准

1)设计基准期:100年;2)道路等级:城市快速路;3)主线设计行车速度:80 km/h;4)车道及桥宽:桥宽29.5 m，近期双向六车道+两侧人行道，远期双向八车道;5)设计洪水频率:300年一遇;6)设计汽车荷载:城—A级;7)地震:基本烈度为6度;8)通航:Ⅰ—(1)级航道，单孔双向通航孔净宽大于575 m、净高大于24 m。

3 建设条件

3.1 地形、地貌

桥区两岸地形平坦开阔，属长江冲积平原地貌。桥址两岸防洪堤间距离约2.6 km，主河槽偏南岸，呈不对称的“U”字形，北岸边滩宽约450 m、南岸边滩宽约150 m。

3.2 水文、气象

历年最高水位27.65 m、最低水位8.00 m、多年平均水位16.89 m。最大流量76 100 m3/s、最小流量4 830 m3/s，一般流速1.5 m/s～2.0 m/s，最大流速 3.0 m/s以上。

武汉地处亚热带温润区，冬夏温差较大，历史最高气温41.3℃、最低气温－18.1℃，年平均气温16.8℃。最大风力可达9级，最大风速高达29.4 m/s。

3.3 工程地质

桥址第四系覆盖层主要为全新统河流冲积相地层，厚度变化较大，两岸及滩地较厚(厚度38 m～52 m);河床段相对较薄(厚度24 m～26 m)。桥址基岩由粉砂质泥岩与泥岩组成，其特征主要表现为不同挤压破碎程度的岩体呈高角度条倾斜带状相间分布，工程性能相差较大。

3.4 通航

桥位处于弯道分流口进口段与航槽过渡段，水流与桥轴线法向夹角过大，又受港区码头和天兴洲低滩冲淤变化的影响较大，且距长江二桥较近，通航环境十分复杂。

中、枯水期的航道宽度不满足两个单向孔宽度，右侧主通航孔需采用一个大跨度单孔双向孔跨过此水域;在洪水期的天兴洲左汊(既有桥通航孔径80 m)、朱家河水域有进出船舶和上水在此调头船舶的通行，左侧需设置备用通航孔。

通航代表船队尺度为406 m×64.8 m×3.5 m，单孔双向通航净空宽度不得小于575 m。设计最高通航水位为25.81 m，设计最低通航水位为9.75 m。

4 桥梁方案总体构思

大桥位于中心城区，处于长江二桥与天兴洲大桥间洲头分汊河段，桥址水域宽阔，航道条件复杂。桥位资源宝贵，大桥既是路网的关键节点又关系着桥下航运的长远发展以及与周边环境的持续协调性。桥梁总体设计思路是本着“安全、适用、经济、美观”的基本原则，注重航道资源的节约，注重桥梁造型与景观，尤其是主通航孔桥梁，充分考虑地域性、时代性，以及与周边环境的协调性，力争使大桥成为“江城”武汉城市发展的新名片。

根据通航论证的意见，要求设置双主孔，跨径均不小于575 m，为此，设计提出了能够满足此条件的三种主通航孔桥型方案，即:桁架拱桥方案、三塔悬索桥方案、三塔斜拉桥方案进行研究比较。

古代文化中陶瓷艺术品虽然造型多以瓶、壶、罐等器型为主，较为单一，但是陈设陶瓷在室内空间中还是起着装饰、使用或布置格局的作用。古人一般将其放入空间，作为特定寓意或是身份象征，其地位是别的物品所无法替代的。它作为陈设艺术品与当时家具的发展也不无联系，比如单独的陈设架，做屏风用的古董架，还有大尺度的案几等等都是为了陈列艺术品而设计从中，可以窥见，陶瓷艺术品与家具设计的发展也是相互促进，相得益彰。

比较而言:悬索桥方案桥型美观，惜因武昌岸无布置锚碇的合适位置而予舍弃;拱桥方案造价比斜拉桥高出两个多亿;三塔斜拉桥方案经济优势明显，又与相邻的长江二桥、天兴洲大桥双塔斜拉桥型均有所不同，且“三塔”可与“三镇”相呼应而融入城市地域特色，三塔斜拉桥作为现代桥型具有鲜明的时代特征;桥型总体比较认为三塔斜拉桥型适宜在本桥采用。

主通航孔桥三塔斜拉桥在造型景观方面设计重点在于塔形。

图1为塔形研究中进行比较的三种塔形，相比较而言，图1中花瓶形塔造型较为新颖、美观，与市内既有斜拉桥的H形、钻石形及倒Y形塔均有着明显不同，可具标志性，成为实施方案。

引桥需跨越深水区、滩地、大堤及两岸线路，设计按照与主通航孔桥梁相协调的原则考虑，桥梁线形在满足跨线、跨堤的基本条件下，力求简洁、流畅，桥梁孔径布置满足航道要求的情况下形成韵律，桥墩的设计以简洁、通透为原则，从利于行洪的角度考虑宜尽量减少水中墩。引桥方案的总构思是采用等跨径、整幅桥墩与基础布置的方案。从控制工程质量与建设周期的角度考虑，桥梁结构宜采用工厂化、预制化的先进技术。从桥梁维护的角度考虑，应采用对交通影响较少的结构。鉴于国内近20年来建成的大跨度缆索承重桥梁钢桥面铺装出现问题较多的现实情况:桥面维修的成本较高，且对交通带来了不良影响，桥面结构的设计思路原则上优先考虑混凝土桥面结构，以合理规避工程风险。

图1 不同塔形比较图

5 总体设计

正桥工程按航道与地形情况可分为通航孔主桥、深水区引桥、岸滩区引桥三个区段。

5.1 平、纵、横断面布置

平面线形在正桥范围桥梁轴线布置为直线;纵断面线形设计考虑通航净空、上跨两岸线路与堤顶净空控制因素后，本着简洁、流畅、对称的美学原理，设计为以中塔中心线处为顶点的大半径(R=42 951 m)竖曲线两端接1.434%纵坡线;横断面布置:桥面宽29.5 m，设计按照近、远两期统筹考虑，近期考虑六车道两侧设人行道，远期考虑取消人行道按照八车道布置。

5.2 孔跨布置

主通航孔桥双主孔的跨度均按照单孔双向通航孔净宽不小于575 m要求考虑桥塔基础构造尺寸后确定为616 m的桥跨尺度，其中南主孔为主通航孔，北主孔为备用通航孔，以适应未来航道变化的需要、节省宝贵的航道资源，南侧边跨布置在斜拉桥结构受力的合理范围内考虑了桥墩与南岸跨大堤结构中距其防护桩的安全净距要求后确定为160 m+90 m，北侧边跨组成则按照与南侧对称的原则进行布置。因此，主通航孔桥的跨度组成为(90+160+616+616+160+90)m=1 732 m。

深水区引桥位于北侧宽阔水域，孔跨布置需考虑以下内容:

1)考虑航道部门提出的基本跨度不小于天兴洲桥北汊80 m跨度的建议;

2)考虑与斜拉桥90 m边跨的协调性;

3)考虑美学上的韵律，综合考虑后布置为6孔90 m等跨连续梁。

岸滩区引桥桥跨布置按照经济性原则布置为5孔50 m等跨连续梁。

5.3 桥梁结构布置

5.3.1 通航孔斜拉桥结构布置

1)总体布置:三塔斜拉桥结构总体布置的主要控制因素在于如何控制结构刚度，设计中分别对设置中塔稳定索、设置跨中交叉索、增加中塔刚度的主要方案进行了研究比较，综合比较后认为通过增加中塔刚度的措施既可满足结构的刚度要求，又在美观方面较为简洁而予采用;主梁等高布置，采用对桥面结构刚度与桥面铺装均为有利的结合梁;索面为双索面扇形布置;三塔等高布置。2)主梁结构:主梁采用构造简单的钢板梁与混凝土桥面板结合结构与PC梁混合结构，纵横梁结构，梁高3.5 m。主梁桥面采用利于铺装的混凝土结构，斜拉桥梁端各94.5 m范围采用PC梁，依靠混凝土结构自重大的优势来平衡在主跨范围作用汽车荷载时边跨桥墩处产生的负反力，除此范围外梁段均采用结合梁。3)斜拉索:斜拉索作为本桥结构承重的生命线，考虑到其耐久性与运营条件下换索时对交通的影响因素，选择了具有四层防护且可实现在不影响交通条件下进行单根钢绞线更换的无粘结钢绞线体系。4)主塔结构:三塔等高布置，总高为209 m，设计采用花瓶形外观的钢筋混凝土结构。结合本桥三塔斜拉结构特性的研究成果，中塔所需的刚度较大，中、边塔在设计构造尺寸的区别体现在顺桥向塔柱宽度:中塔在顺桥向宽度从上至下为8 m～16 m、边塔在顺桥向宽度从上至下为7 m～8.8 m，横桥向轮廓尺寸相同。5)主塔基础结构:主塔处的地质条件覆盖层厚度相对较薄、下伏泥岩是唯一可用的持力层，泥岩呈挤压破碎高角度层状特征，沉井基础结构形式不能够适应该种地质条件。桩基础结构通过不同桩径的经济比较后，汉口侧边塔、中塔及武昌侧边塔基础结构分别设计为22根直径2.8 m，18根直径3.4 m，28根直径2.8 m的大直径钻孔桩基础。

5.3.2 深水区引桥结构布置

深水区引桥6×90 m连续梁桥，从线形简洁、流畅与主通航孔桥风格相协调考虑，梁部结构采用等高度分幅布置的箱形结合梁结构，梁高4 m，桥墩与基础结构部分综合考虑视觉通透性及防船撞因素后，布置为整幅桥墩及桩基础结构。

5.3.3 岸滩区引桥结构布置

岸滩区引桥结构主要根据经济原则考虑，采用5×50 m等高度分幅PC箱梁、整幅桥墩与结构。

6 结语

武汉二七长江大桥经过多年多方面的方案研究论证，主通航孔桥最终采用了适应航道要求与节约航道资源且能融入武汉“三镇”地域特色的双主跨616 m三塔结合梁斜拉桥方案，水中引桥采用了6×90 m大跨度等高箱形连续结合梁桥，桥梁总体线形简洁、流畅、通透，充分考虑了与环境的持续协调性。

设计中所秉承的“工厂化、预制化”的理念为大桥的质量与工期控制创造了有利条件，大桥的顺利建成及时分担了武汉市的过江交通流量，同时刷新了结合梁斜拉桥与三塔斜拉桥两项世界纪录，独特的花瓶形桥塔不同于武汉既有斜拉桥塔形，可为“江城”武汉增添一道新景观，而三塔大跨结合梁斜拉桥的成功实践则可为今后类似桥梁的建设提供参考与借鉴。