1.工程概況
武漢天興洲公鐵兩用長江大橋位于武漢長江二橋下游約9.5公里處，是武漢市城市總體規(guī)劃中環(huán)線及北京至廣州客運專線在武漢跨越長江的橋梁，其主橋為雙塔三索面三主桁斜拉橋，主橋橋式布置為98+196+504+196+98m.
天興洲長江大橋是一座公鐵兩用橋梁，鐵路、公路分上下兩層布置，橋梁上層為公路面，按六車道公路設計，下層布置四線鐵路，兩線Ι級鐵路干線，兩線鐵路客運專線，鐵路客運專線設計速度超過250km/h。主橋布置見圖1。
圖１ 主橋布置
由于公路面布置六線公路車道，鐵路面布置四線鐵路，橋梁全寬30米，為了減少橫梁的跨度和增加斷面的剛度，主梁布置了三片主桁，相應設置了三個斜拉索索面。主桁采用不帶豎桿的三角形桁式，桁高15.2m，節(jié)間長度14m。主桁最大板厚50mm。主桁桿件弦桿均采用帶加勁肋的箱形截面，斜桿和豎桿采用箱形或工字型截面。主桁桿件采用整體節(jié)點構造形式，下弦桿高約1.45m，寬1.0m，斜桿和豎桿均采用插入形式。
主橋全長1092m，兩側邊跨各168m范圍公路面采用混凝土板結構，其余部分公路面采用鋼的正交異性板結構，正交異性板和混凝土橋面板均與主桁結合參與共同受力。主梁縱向與主塔的約束采用液壓阻尼裝置和磁流變阻尼器。斜拉索采用φ7mm平行鍍鋅高強鋼絲，最大索截面451φ7mm，最長索271m，梁上索距14m，塔上索距1.5～2.0m。主塔為倒Y形混凝土結構，塔高188.5m。
2.結構體系
2.1主梁結構
主橋跨度布置為98+196+504+196+98m。由于邊跨相對較小，列車活載大，當中跨加載時，1號，4號輔助墩產生約50000kN的負反力。常規(guī)處理負反力的方法有兩種：
(1)拉力支座。1號、4號墩處設置拉索體系聯(lián)結主桁與墩身。
(2)壓重。1號、4號墩處設置壓重抵消負反力。
由于本橋是雙層交通桁式結構，輔助墩處設置壓重的空間有限，無法放置足夠的重物以抵消支座處的負反力。若采用拉力支座形式又存在拉索防腐和應力幅過高等問題難以解決。
通過多方案的研究比較，結合公路橋面板結構型式的選擇，綜合解決輔助墩的負反力問題。主橋中跨及邊跨部分梁段公路面采用與主桁結合共同受力的鋼正交異形板結構，兩側邊跨各168m范圍采用板厚32cm的混凝土板結構，混凝土板與主桁結合。混凝土板與鋼正交異形板的接頭構造如圖2。
圖2 公路面鋼與混凝土板結合構造
2.2塔梁縱向約束
按照鐵路橋梁設計規(guī)范規(guī)定，橋上列車制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的10%計算，因此列車制動力和地震力荷載作用下結構的受力性能是本橋關心的重要問題。在橋梁縱向，合理設計梁、塔的連接形式，以減少由于列車制動力、地震荷載和溫度力的作用是非常必要的。武漢天興洲大橋主跨504m，塔梁之間采用簡單的滑動、固結或拉索式的彈性連接都難以解決結構方面的問題，而應從溫度、列車制動力、汽車制動力、列車搖擺力、風荷載和地震作用多方面來綜合考慮塔梁之間的合理連接方式。
大跨度斜拉橋通常采用兩種措施實現(xiàn)結構動力響應的控制，調整結構剛度和增加結構阻尼。調整結構剛度主要通過在梁塔之間縱向設置合適的拉索來實現(xiàn)，通過系統(tǒng)研究，就本橋而言已很難控制塔底彎矩和主梁縱向變形。增加結構阻尼主要通過在塔與梁之間設置阻尼器的方法來實現(xiàn)，其主要目的在于提高結構的阻尼能力來改變梁、塔之間縱向的傳力關系，降低結構動力響應。目前較為成熟且適用于大跨度橋梁是液壓阻尼器，常用的液壓阻尼器其恢復力特性可用下式來表示：
F=cvα
式中，F(xiàn) —阻尼力； c —阻尼系數(shù)； v —阻尼器相對速度；α—速度指數(shù)
液壓粘滯阻尼器在溫度變形下的抗力接近于零，在動荷載（制動力、地震荷載等）作用下由于塔梁間相對變形速度較大，阻尼器阻尼力也較大，達到塔、梁連接處直接傳遞縱向力的目的。
對于大跨度橋梁結構，選取合適的液壓阻尼器設計參數(shù)c和α至關重要，本橋設定速度指數(shù)α=0.3、0.4、0.5、0.7、1.0五個值，阻尼系數(shù)c=0、1000、3000、5000、7000、10000、15000、20000、25000共9個值，在各種列車速度下制動和動震響應進行分析，確定合理的阻尼器設計參數(shù)。C=0時結構相當于全漂浮體系，c≠0時為阻尼體系，隨著c值的不斷增大，結構越來越接近于塔梁縱向鎖定體系。
(1)列車制動力。列車以160km/h行車速度制動時，塔底彎矩隨阻尼器參數(shù)變化見圖3，梁端縱向位移隨阻尼器參數(shù)變化見圖4。由圖3和圖4可以看出，塔底彎矩和梁端位移均隨阻尼系數(shù)的增大而快速減少。當阻尼系數(shù)c=10000，速度指數(shù)α=0.4時，塔底彎距為漂浮體系的47%，縱向鎖定體系的113%，梁端位移為縱向漂浮體系的48%。
圖3 列車以160km/h行車速度制動時阻尼器參數(shù)對塔底彎矩及梁端位移的影響
圖4 地震激勵下阻尼器參數(shù)對塔底彎矩及梁端位移的影響
(2)地震響應。100年超越概率2%地震激勵下塔底彎矩隨阻尼器參數(shù)變化見圖5，由圖5可見，當阻尼參數(shù)C小于10000時，塔底彎矩受速度指數(shù)的影響較小，塔底彎矩隨阻尼系數(shù)的增加變化不大；當阻尼系數(shù)C大于10000時，塔底彎矩受速度指數(shù)的影響較大。梁端位移隨阻尼參數(shù)的變化見圖4，由圖4可見，當阻尼系數(shù)C小于10000時，梁端縱向位移受速度指數(shù)的影響較大，梁端位移隨阻尼系數(shù)的增加而快速減??；而當阻尼系數(shù)C大于10000時，梁端位移受速度指數(shù)的影響減小，且不同阻尼系數(shù)，不同速度指數(shù)體系的梁端位移趨于一定值。
當阻尼系數(shù)C＝10000，速度指數(shù)α＝0.4時，塔底彎矩為漂浮體系的90%，縱向鎖定體系的56%；梁端位移為漂浮體系的40%。
(3)液壓阻尼器參數(shù)。綜合考慮結構體系受力及溫度效應的影響，本橋選取阻尼系數(shù)C=10000，速度指數(shù)α=0.4，阻尼器最大行程1.5m，最大阻力11000kN的液壓阻尼裝置。
3.主桁斷面
武漢天興洲長江大橋上層通行六線汽車、下層通行四線鐵路，根據鐵路和公路的限界要求，當采用常規(guī)的兩片主桁布置時，桁寬達30m，兩主桁的斷面布置見圖5。采用兩主桁布置存在如下問題：
(1)主桁桿件最大桿力72000kN，主桁桿件龐大，設計、制造和安裝都很困難；
(2)兩主桁間距30m，鐵路橫梁跨度大，相應的橫梁梁高高，橫梁受力不合理；
(3)鐵路橫梁彎距大，豎桿將承受較大的列車荷載引起的面外彎距大，豎桿受力復雜，應力幅值高；
(4)由于兩主桁間距30m，桁架斷面的整體性差，截面抗扭剛度弱。
為了解決兩主桁布置存在的問題，需要在兩主桁中間增加一片主桁，相應增加一個斜拉索索面，三主桁布置見圖6。
采用三片主桁布置后，主桁桿件最大桿力降至56000kN，鐵路橫梁跨度減至15m，不但減小了鐵路橫梁規(guī)模，而且增強了主桁斷面的整體性。三個主桁弦桿件采用相同的截面，對應三個索面的斜拉索的恒載索力也基本一致，活載作用下中桁與邊桁大部分桿件的桿力相差不超過5%。
為了提高公路面鋼正交異形板的焊接質量和加快架梁速度，主梁桁段在工廠整體制造，整體運至工地后采用700t架梁吊機架設。為實現(xiàn)桁段的順利拼裝，需采取如下措施：
(1)桁段在工廠匹配組裝；
(2) 根據結構受力和變形的需要設置合適的臨時桿件；
(3)架梁吊機設置三個獨立的吊點，三個吊點能微調對位。
4.主塔墩基礎選型
大直徑鉆孔樁是目前國內外深水橋梁所普遍采用的一種基礎形式。其設計、施工工藝均已較成熟，單樁承載力高。鉆孔樁的另一個突出特點是其適應性強，可用于各種復雜不良地質條件，且樁長適應范圍廣，施工質量較易控制。
上部結構作用到墩底的反力巨大，所以宜采用大直徑嵌巖柱樁,樁尖置于強膠結礫巖中。設計中在滿足受力要求的情況下，擬定φ2.5，φ3.0 ，φ3.3，φ3.4m不同樁徑方案進行比較。2號墩基礎方案如下。
方案一（樁徑2.5m）：基礎采用 70φ2.5 m鉆孔灌注樁，承臺橫橋向寬50.25m，承臺順橋向寬34.5m，承臺厚6.0m，樁長60m，封底砼厚2.0m；
方案二（樁徑3.0m）：基礎采用 48φ3.0 m鉆孔灌注樁，承臺橫橋向寬47m，承臺順橋向寬35m，承臺厚6.0m，樁長60m，封底砼厚2.0m；
方案三（樁徑3.3m）：基礎采用 35φ3.3 m鉆孔灌注樁，承臺橫橋向寬 45.1m，承臺順橋向寬31.9m，承臺厚6.0m，樁長60m，封底砼厚2.5m；
方案四（樁徑3.4m）：基礎采用 32φ3.4 m鉆孔灌注樁，承臺橫橋向寬53.4m，承臺順橋向寬26.2m，承臺厚6.0m，樁長60m，封底砼厚2.5m。
四個方案的結構工程數(shù)量見表1。根據表1中各方案的比較可以看出，2＃墩基礎從工程數(shù)量的角度來說，采用φ3.4m鉆孔灌注樁是較為經濟的。為解決直徑3.4m鉆孔樁的成孔問題，專門研制了扭矩30t.m的KTY4000型鉆機。
表1 2號主塔墩各方案工程數(shù)量比較表
5.吊箱圍堰錨墩定位技術
吊箱圍堰的功能：①承臺施工的防水結構；②可兼作鉆孔樁施工平臺。
吊箱圍堰是一個雙壁的自浮結構，要實現(xiàn)其功能必須解決圍堰在水中自浮時的定位問題，常規(guī)的圍堰定位是通過在水中拋設錨錠來實現(xiàn)的，當基礎規(guī)模變大時，圍堰的錨錠定位存在如下問題：①大體量圍堰錨錠數(shù)量多，錨錠受力均勻性難把握；②水位漲落需調錨。
針對圍堰的錨錠定位存在的問題，2號墩施工中采用了錨墩定位技術，見圖7。圍堰在工廠整體制造，浮運至墩位后，在墩位上、下游各設置2個錨墩，錨墩作為圍堰定位的錨固點，通過預應力系統(tǒng)連接圍堰和錨墩，實現(xiàn)圍堰位置的固定和調整。
圖7 吊箱圍堰錨墩定位
武漢天興洲長江大橋2號主塔墩圍堰采用錨墩定位技術提高了圍堰定位和護筒插打的精度，圍堰平面位置偏差小于3cm，垂直偏差小于1/2 000，護筒插打平面位置偏差小于5cm，垂直度偏差小于1/400，同時實現(xiàn)了圍堰頂鉆孔平臺在鉆孔樁施工期間帶載升降的技術。
6.結語
武漢天興洲長江大橋主橋是目前世界上跨度最大，載重最重的公鐵兩用斜拉橋，設計和施工中必須對若干關鍵技術進行系統(tǒng)的研究，以便使結構更加合理，實施效果更好。目前，該橋已完成基礎施工，全橋有望在2008年建成通車。
