武汉二七长江大桥桥塔设计

李翠霞，石建华

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430056）

1 概况

二七长江大桥工程位于武汉市二环线上，大桥北起汉口发展大道、上跨解放大道、过长湖地六村、跨铁路，经后湖船厂过长江，接武昌侧的罗家港，并沿罗家港明渠至和平大道，总长度约6.5 km[1]。

二七长江大桥正桥工程，具体包括通航孔主桥、非通航孔深水区及两岸非通航孔岸滩区，总长度为2 922 m。主桥采用三塔斜拉桥方案，跨径布置为（90+160+616+616+160+90)m，全长1 732 m。主跨跨径达到616 m[2]，为目前国内外同类多塔斜拉桥中跨径最大的桥梁。

斜拉桥主桥总体布置见图1所示。

2 桥塔方案构思

三塔斜拉桥与常见的两塔斜拉桥结构的受力特性区别表现为中间塔两侧均无辅助墩和过渡墩，不能对主梁和索塔提供位移约束，并使结构各个响应的活载影响线范围增大，各个构件的活载效应变大。

二七长江大桥主跨跨径达到616 m，为目前国内外同类多塔斜拉桥中跨径最大的桥梁。在力求桥梁方案景观协调、经济合理的前提下，如何通过合适的结构措施，控制结构具有必要的体系刚度，是该桥设计中的关键问题。

该桥体系刚度相对较弱，需要采取措施提高桥梁的整体刚度。设计中分别对设置中塔稳定索、设置跨中交叉索、增加中塔刚度的三种主要方案进行了研究比较。经综合比较后，认为通过增加中塔刚度的措施既可满足结构刚度要求，又在美观方面较为简洁而予以采用。边塔刚度对结构整体刚度影响较小，结构布置时中塔要具有必要的刚度，受温度力等影响，边塔刚度不宜太大。

桥塔外形选择（见图2）：比较适合该桥的塔形主要有钻石形、H 形及花瓶形。H 形塔基础规模相对较大，钻石形塔与武汉市既有的天兴洲长江大桥及白沙洲大桥的桥塔稍显雷同[3][4]。而花瓶形塔造型完整和谐，流露出一种秀美，总体上给人一种变化活泼的感觉。斜拉索布置成空间索面，可以提高主梁的抗扭刚度，在承受横向风力、地震力等荷载方面较优。同时，下塔柱内收，使得基础规模较小、工程投资较省。故花瓶形塔在结构受力、经济和美观等方面均较佳，因此以花瓶形塔为二七长江大桥的主塔外形[5](见图3）。

3 桥塔结构设计

斜拉桥共有三个主塔，分别为南、北边塔和中塔,三塔外观造型一致。均以黄海高程+13.5 m 以上为主塔结构，三塔等高，均为206 m，钢筋混凝土结构。

桥塔结构由下、中、上塔柱及横梁四部分组成。中、上塔柱采用曲线连接,内外曲线均为圆曲线，半径分别为280 m 和320 m，两塔柱在顶端微合，中间以弧形板相连，上、下圆弧均与塔柱内侧直、曲线相切。上塔柱内设有斜拉索锚块。塔顶部设有0.8 m 厚的盖板，盖板上设有进人孔。上塔柱顶设有4 m 的装饰段[2]（见图3）。

中塔下横梁顶面布置有支座垫石及纵向约束装置，边塔下横梁顶面则布置有支座垫石及有抗震作用的纵向液压阻尼装置的固定垫块。桥塔结构图见图4所示。

图1 斜拉桥主桥总体布置图

图2 斜拉桥主塔外形选择方案效果图

图3 花瓶型主塔效果图

主塔结构尺寸：两塔顺桥向变化形式一致，上塔柱均等宽，中塔为8 m，边塔宽7 m。中塔柱到下塔柱，中塔由8 m 变化至塔底16 m，边塔由7 m变化至塔底8.8 m。

下塔柱：两塔尺寸变化较大。中塔为单箱双室截面：高38.5 m，横桥向宽6.05～12 m，截面基本壁厚顺、横桥向均为1.5 m；边塔为单箱单室截面：高34 m，横桥向宽6.05～10 m，截面基本壁厚顺、横桥向均为1.5 m。

图4 桥塔结构图

中塔柱：两塔尺寸接近，均为单箱单室截面，横桥向均宽6 m。中塔高106 m，截面基本壁厚顺桥向1.5 m，横桥向1.0 m；边塔高110.5 m，基本壁厚顺桥向、横桥向均为1 m。

上塔柱：两塔除横向外，尺寸一样，均为单箱单室截面，横桥向均宽4～6.05 m，高61.5 m，截面基本壁厚顺桥向1.5 m，横桥向1.0 m。

下横梁：两塔除因顺桥向宽度不同而造成截面形式不一样外，其余均相同。不同点：顺桥向宽度，中塔13 m，单箱双室截面；边塔7 m，单箱单室截面。相同点：高6 m，横桥向宽48 m，顶、底、腹板基本壁厚均为0.8 m。

根据总体受力的要求,中、边塔所需刚度不同,相关参数对比见表1 所列。

表1 塔纵向刚度比较表

根据二七长江大桥桥塔的形式及拉索的构造特点，可考虑三种锚固方式：钢锚箱锚固、钢锚梁锚固和预应力锚固。经过技术、经济比较，采用技术成熟且经济的预应力锚固形式。其布置见图5所示。

图5 塔锚固区预应力图

4 主塔结构受力分析

4.1 主塔横向受力分析

4.1.1 模型介绍

主塔横向受力分析，采用自编的SCDS 分析软件，取塔柱底部与基础刚性固结，将结构简化成平面杆系有限元法进行静力计算分析，主塔横向框架计算模型见图6所示。

4.1.2 荷载内容

（1）恒载包括：

a.主塔自身重量;

b.主塔横梁预应力;

c.混凝土收缩徐变影响力;

图6 塔横向计算图

d.恒载作用下斜拉索力及支反力。

（2）活载作用下斜拉索力及支反力。

（3）温度影响力，包括:

a.体系升、降温±20℃；

b.侧照引起的主塔左、右侧温差5℃。

（4）风力:

风力按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）计算[6]，该桥按 1 00 a 一遇、10 m 高、10 min 最大平均风速V10=25.6m/s 计算梁、索、塔风力。

4.1.3 分析步骤

主塔计算主要分为三大阶段，即施工、施工完成和成桥阶段，每个阶段又包含各种计算工况：

（1）施工阶段。主塔自身处于施工状态，即独塔状态。此阶段应根据各施工阶段的结构体系，同时考虑结构体系的转换进行受力分析。有些施工荷载应视具体施工方案而定，如施工吊机及构架、施工预顶力等[6]。此阶段风力按施工期间的风力计算。

（2）施工完毕，施工挂索及架梁状态。此阶段为无活载阶段。应根据恒载索力，无活载风力进行受力分析。

（3）成桥状态。此阶段为成桥运营阶段。按有活载风力计，索力最大，即活载运营索力。

（4）主塔受力分析还考虑了成桥状态船撞力。

由此进行每个阶段各种组合工况的受力分析，见表2所列。

表2 各组合工况的受力分析表

4.1.4 分析主要结果

各种工况中除恒载为强制组合外，其余均为判别组合。计算结果：

中塔：

塔柱应力：最大10.52 MPa

最小-0.48 MPa

边塔：

塔柱应力：最大13.01 MPa

最小-0.78 MPa

图7为中塔计算应力包络图，图8为边塔计算应力包络图。

图7 中塔计算应力包络图

图8 边塔计算应力包络图

4.2 索锚区受力分析

索锚区作为传递斜拉索力的关键部位，分别建立平面及空间节段模型进行受力分析。平面受力分析，采用自编的SCDS 分析软件，取一索距分析。通过计算，锚固区空心矩形断面在每一索距间均配有一定数量的φ32 mm 的预应力精轧螺纹粗钢筋，以抵抗缆索水平分力作用。预应力精轧粗钢筋布置计算的原则是：

（1）施工阶段无索力时，截面不出现拉应力，截面压应力不超过0.5 fck;

（2）有索力且索力达到最大值时，截面不出现拉应力。

以边塔最大索力22 号索为例，其局部横向框架计算模型及应力计算图见图9所示。

图9 边塔最大索力22 号索计算图

5 主塔的配筋

塔柱截面竖向配有φ32 mm 的受力主筋，基本间距为15 cm，采用冷挤压套筒接头，上、中、下塔柱截面面积配筋率均不小于1%。箍筋采用φ20 mm，间距为10～15 cm，拉筋为φ12 mm，基本间距为45 cm[7]。

主塔横梁受力复杂，下横梁除了受自重弯曲拉应力外，更受上、中塔柱传入的竖向压力，为保证竖向压力自中塔柱顺畅传入下塔柱及满足局部承载能力需要，下横梁布置了横向预应力筋，中塔和边塔分别布有87、68 根19-φj15.2 预应力钢绞线。其公称抗拉强度Rby=1 860 MPa,弹性模量E=195 GPa。锚下控制张拉应力为1 395 MPa[8]。

索锚区施加环向预应力，预应力采用精轧螺纹粗钢筋，直径为32 mm，对应于不同的索间距，粗钢筋间距分别为 1 5 cm、20 cm、25 cm、30 cm、40 cm、100 cm，fpK=930 MPa，锚下控制张拉力为673 kN。

6 主塔施工

主塔是斜拉桥的主要承重结构，结构尺寸较大，塔内钢筋密集，施工精度要求较高。该桥主塔施工以爬模为主，以传统的万能杆件构架为辅的方法进行。采用泵送混凝土工艺[9]。

由于主塔塔柱均为钢筋混凝土结构，而中塔柱又为斜柱，故塔柱自身重量均产生很大的弯矩。为调整塔柱的受力状况，使塔柱截面应力满足要求，施工步骤中在中塔柱中间加四道横撑，并施以一定的顶推力，以平衡倾斜塔柱因自重产生的弯矩。具体方法：中塔横撑的竖向位置分别布置在：+80.0、+105.0、+130.0、+154.0 标高处，每处横撑的顶力约为150～300 t；边塔横撑的竖向位置分别布置在：+75.5、+100.5、+125.5、+154.0 标高处，每处横撑的顶力约为110～250（t 见图10）。施工中应确保横撑具有足够的刚度及与塔柱连接牢靠，以保证中塔柱施工过程中的受力安全，并要求中塔柱范围横撑待上塔柱施工完成后方可拆除。下横梁立模浇筑前，应考虑通过对膺架进行预压重等措施消除支架非弹性变形[10]。

7 结语

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，二七长江大桥的建设将有效分流武汉长江二桥的过江交通压力。

建成后的二七长江大桥将成为武汉地区的一个新的景观，大桥的桥塔则是这个新景观的标志。二七桥采用三塔斜拉桥方案，桥塔稳重的气势与浩瀚的长江相呼应，三塔高耸，寓意武汉三镇全面协调可持续均衡蓬勃发展。

图10 施工现场实景

[1] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉二七长江大桥初步设计[Z].武汉：2008.

[2] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉二七长江大桥施工图[Z].武汉:2010.

[3] 胡汉舟，刘自明，秦顺全，等.武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥技术总结[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4] 秦顺全，高宗余，潘东发.武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键4技术研究[J].桥梁建设，2007，（1）：1-4，20.

[5] 龙涛，胡佳安.简约的完美——武汉二七长江大桥桥塔造型设计[J].桥梁建设，2009，（1）：48-51.

[6] JTG/G D60-01-2004，公路桥梁抗风设计规范 [ S].

[7] JTG/T D65-01-2007，公路斜拉桥设计细则 [ S].

[8] JTGD60-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[9] 蒋本俊，刘生奇.武汉二七长江大桥主桥桥塔施工关键技术 [ J].桥梁建设，2012，42（3）：7-13.

[10] 严国敏.现代斜拉桥 [ M].成都：西南交通大学出版社，1995.