二七长江大桥主跨斜拉桥钢主梁设计

杜 萍

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430056）

二七长江大桥作为二环线控制工程之一，北岸连接汉口中心区和后湖组团，南岸连接武昌中心区和青山组团，是二环线的重要组成部分。正桥工程桥梁总长度为2 922m。车道数为双向6车道，桥面标准宽度为29.5m。通航孔主桥采用三塔斜拉桥方案，跨径布置为90m＋160m＋2×616m＋160m＋90m，见图1。

图1 二七长江大桥主桥立面布置图（单位：m）

1 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：80km／h。

（4）主线设计车道：双向6车道，采用2×（3.5m＋2×3.75m）的行车道，两侧各布置2.25 m宽（包括栏杆）的人行道。

（5）设计洪水频率：300年一遇。

（6）设计汽车荷载：城－A级。

（7）人群荷载：根据《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77－98）有关规定采用。

（8）抗震设防标准：地震烈度6级，按7级设防。

（9）通航净空：通航净空宽度，设置2主孔，通航孔净空宽度均不小于575m。

通航净空高度，按I－（1）级航道标准设计，2主孔通航净高均不小于24m。

2 斜拉桥上部结构

2.1 概况

主桥设计为90m＋160m＋2×616m＋160m＋90m斜拉桥，斜拉桥主梁采用混合梁，其中汉口及武昌岸90m边跨采用混凝土梁，其余梁段为工字钢结合梁。梁高3.5m（桥梁中心线处），节间长度13.5m，斜拉索中心距为30.5m。

主塔采用混凝土结构，承台以上高度205m。每塔两侧各有2×22根斜拉索。全桥共有斜拉索264根，斜拉索的索距为13.5m，斜拉索上端锚固于主塔上的斜拉索锚块上，下端锚固于主梁上，在结合梁段斜拉索锚固采用锚拉板式构造，边跨混凝土梁段采用导管式构造，斜拉索穿过预埋导管，锚固于边主梁的底部。

斜拉桥处主梁横断面见图2、图3。

图2 钢－混凝土结合梁处主梁横断面（单位：m）

图3 边跨混凝土梁处主梁横断面（单位：m）

2.2 斜拉桥结构体系

边墩、辅助墩以及主塔墩上均设有竖向支座和约束梁体横向位移的支座，见图4，仅中塔设有约束梁体纵向位移的构造，见图5。

图4 边塔处支座约束布置图

图5 中塔处支座约束布置图

2.3 钢主梁的横截面形式选定

加劲梁形式主要有钢箱梁与结合梁2种方式。钢箱梁斜拉桥具有施工可靠、技术成熟、速度快等特点，但是钢桥面铺装的耐久性难题迄今尚无完美的解决方案。结合梁施工速度快，主梁的重量介于预应力混凝土梁和钢箱梁之间，桥梁的体系刚度较钢箱梁大、斜拉索疲劳应力幅低，同时，结合梁方案因桥面为混凝土结构，可克服钢箱梁结构桥面铺装的耐久性问题。因此本桥采用结合梁方案。

开口断面结合梁斜拉桥技术在国内外应用广泛，在设计和施工方面均积累了丰富的经验。特别是近几年，国内外大跨度结合梁斜拉桥的建设技术发展迅速，目前我国已建成主跨600m以上的结合梁斜拉桥2座，上海杨浦大桥主跨602m，加劲梁纵梁为小箱梁；福州青洲闽江大桥主跨605m，加劲梁纵梁为工字形钢梁；本桥跨径616 m，结合梁采用开口断面技术上可行。

2.4 混合梁方案的选定

本桥边跨总长度为90m＋160m＝250m，为平衡最不利状态下的边墩及辅助墩产生的巨大负反力，而主梁采用工字形结合梁，无足够的压重空间解决墩顶负反力的问题，经研究，本设计拟将端部90m跨设计为混凝土梁，以提供压重，从结构受力性能合理、施工工艺简便和造价经济3个方面考虑，接头选在位于辅助墩向中跨方向4.5 m 的位置［1］。

3 主梁设计

3.1 主梁设计概述

结合梁总长1 543m，其混凝土桥面板全宽为32.3m，支撑在由钢主梁的边主梁、小纵梁及横梁组成的梁格系上，横梁每隔4.5m设1道，横向两侧为工字形边主梁，中间设小纵梁（桥梁中心线处）。桥面板设计为与上述梁格系相结合的预应力钢筋混凝土结合构件，混凝土桥面板与钢主梁通过布置于钢梁边主梁及横梁顶面的直径22 mm圆柱头剪力钉结合后共同受力。

结合梁混凝土桥面板分为预制和现浇2部分，预制板按照平面尺寸可分为2.4m×14.7m，3.4m×14.7m，3.9m×14.7m3种规格。现浇部分为预制板间现浇缝，钢梁边主梁顶现浇带。为减少混凝土收缩徐变对结构产生的不利影响，要求预制板存放时间不少于6个月，现浇湿接缝及现浇混凝土桥面板采用C60微膨胀混凝土。

结合梁全桥断面上共有2片工字型边主梁，间距30.5m。每片边主梁断面均为腹板外侧布置有2条纵向加劲肋的I字型断面，断面全高2.935m，见图6。

图6 工字形钢主梁横断面（单片）（单位：mm）

每片边主梁的I型断面板件根据下翼缘宽度不同分为5类：上缘板为900mm×36mm，下缘板宽度范围为1 200～1 920mm，厚度为80mm，腹板厚36mm，2条纵向加劲肋均为432mm×36 mm，每段梁长在7～18m范围内变化，其中以13.5m长的梁段数量为多。主梁梁段间工地采用M30的高强度螺栓连接。主梁纵向竖曲线通过梁段拼接接缝上、下缝之间的间隙差值来实现。单段主梁最大重量约52t，全桥范围内共有351片横梁。每片横梁两端分别支承在两片主梁上，其计算跨度为30.5m，构件实际长度为29.56 m。横梁的断面形式为Ι形断面，横梁下缘板水平，上缘板在梁端向桥梁中心处按2%横坡起坡的基础上设置恒载预拱度。沿桥梁中心线处梁高为2.8m，所有横梁两端与主梁间均采用M24高强度螺栓工地连接。单片横梁的最大吊重约78t。

本桥斜拉索的锚固采用锚拉板的结构形式［2］，见图7。此种结构细节构造简单，但对钢梁的制造提出了较严的要求。根据索力大小不同，锚板厚度各不相同，厚度为28～50mm。

图7 锚拉板结构图（单位：mm）

钢主梁的I字型截面用钢板在工厂焊接成型，斜拉索的锚固拉板直接焊于主梁上翼缘中间，所以斜拉索锚固点范围内的上翼板必须是具有良好Z向受力性能的钢板［3］。

桥面板通过布置在钢主梁及钢横梁顶的剪力钉与钢梁结合。剪力钉采用直径22mm圆头焊钉，ML15钢，长160mm。其尺寸及性能应满足GB10433－89。剪力钉在横梁上的排列考虑桥面纵向预应力束布置的不同，分别排列。剪力钉间距15～30cm，设在普通钢筋间距的中间，并避开预应力孔道。在边主梁上剪力钉横向每排6个钉，间距为12cm，桥梁中心线处为17cm。本桥剪力钉按单钉静承载力50kN，疲劳剪力幅25 kN 设计［4］。

3.2 钢－混凝土结合段设计

大跨度混合梁斜拉桥钢混结合段是桥梁关键构造之一，其结构的静力承载能力和抗疲劳性能直接关系到桥梁的安全性和耐久性，从目前国内已建成的混合梁斜拉桥（汕头礐石桥、白沙洲大桥、桃夭门大桥、南昌英雄大桥）来看，钢梁与混凝土梁一般采用箱型断面，箱型断面的混合接头构造上采用钢箱梁套在预应力混凝土箱梁之外，使全断面成为一体，钢箱梁的上、下翼缘板通过剪力钉（剪力件）摩擦、粘结与混凝土梁体牢固接合成为一体，并利用混凝土箱梁内的纵向预应力加以锚固，将钢箱梁过渡段、钢混结合段和混凝土箱梁过渡段3部分形成一连续结构［5］。

钢梁采用工字钢与混凝土梁连接，为国内首创，本桥采用I字型截面钢主梁，与矩形截面的混凝土边主梁进行钢－混凝土混合接头的设计，结构结合的断面与常规的钢箱梁的断面相比，可利用的有效空间较小，而主梁钢－混凝土混合接头是混合梁桥结构受力的关键部位，如何保证该部位主梁内力传递可靠、刚度匀顺过渡、混凝土与钢梁结合密实是设计的关键所在。为此从以下几方面进行分析与研究设计。

（1）内力传递。钢板通过设置其上的板式加劲肋和抗剪焊钉与混凝土梁体牢固结合，形成弯矩的传递；同时在钢主梁与混凝土梁之间采用预应力钢筋连接，张拉预应力钢筋使混凝土和钢梁具有良好的整体性，见图8。

图8 钢－混凝土接头结构图（单位：mm）

（2）刚度变化。2种材料在刚度上存在突变，采取对结合段钢梁板材进行加厚，并增设多道加劲肋等措施。

连接部施工控制：该部位构造相对复杂，通过必要的构造措施和工艺试验，尽量方便现场混凝土的浇注和振捣。

同时开展专题研究，通过理论分析和模型试验，完善设计。

3.3 中塔处塔梁间纵向约束构造设计

本桥为3塔斜拉桥，为了满足结构的体系刚度要求，同时减小3塔斜拉桥的活载位移，本桥在中塔处设计为塔梁铰接的支承体系，即仅约束纵向、竖向2个方向的自由度，释放转动约束。此处需要约束的纵向水平力约为26MN／每塔，传统的支座式的约束无法达到设计要求，同时由约束处的纵向水平力产生的弯矩对钢主梁会产生附加弯曲应力，对钢主梁的受力产生极其不利的影响。为此创造性地设计一个能满足承受大吨位水平荷载的铰接约束，同时又尽可能减小纵向水平荷载对钢主梁产生附加弯曲应力的结构，能极大地优化大跨度3塔斜拉桥或悬索桥中塔的支承约束设计。

设计中采用在中塔钢梁横梁位置处，位于桥梁中心线两侧各设一个U形弧面钢结构限位挡块，两侧U形弧面钢结构限位挡块绕穿横梁底部并形成一个整体，见图9。

图9 中塔限位处横梁和钢主梁间的桁架结构图

为增强结构抵抗水平抗力的能力，与U形弧面钢结构限位挡块相接触的横梁牛腿结构通过设在横梁和钢主梁之间的桁架结构将纵向水平力转给钢主梁，见图10。

图10 中塔纵向限位结构图

为了避免钢主梁承受水平力产生的附加弯矩，设计时将纵向限位挡块设在主梁的形心高度附近，使U形弧面钢结构限位挡块传来的水平力转化成钢主梁的轴向力。U形弧面钢结构限位挡块与钢横梁牛腿接触面之间通过弧面接触的方式满足结构转动的要求。U形弧面钢结构限位挡块置于主塔下横梁上，通过预应力粗钢筋和锚栓与主塔下横梁相连。

4 结语

二七长江大桥钢主梁首次采用混合结合梁的新结构，在本桥设计中，创新设计了工字型截面钢梁－矩形截面混凝土梁的钢－混接头，为国内首创；为满足结构体系刚度的要求，中塔处首次采用U形弧面钢结构限位挡块。其设计不仅满足了结构的受力要求，并充分考虑了制造方便、施工可行的需要。

［1］刘 高，唐 亮，谭 皓，等.混合梁斜拉桥钢混结合部的合理位置［J］.公路交通科技，2010（6）：52－57.

［2］高宗余.青州闽江大桥结合梁斜拉桥设计［J］.桥梁建设，2001（4）：1－3.

［3］张开银，赵小军，梁新宇.独塔斜拉桥承载能力评估方法［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010（2）：254－257.

［4］聂建国.钢－混凝土组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］徐国平，刘 高，吴文明，等.钢－混凝土结合部在桥梁结构中应用新进展［J］.公路，2010（2）：18－23.