1 橋位概況
荊沙長江公路大橋位于湖北省荊州市，是207國道跨長江的一座特大型橋梁，大橋北岸為荊州市區(qū)，南岸為公安縣埠河鎮(zhèn)。橋位處江面寬約2350m，江中有一沙洲，因其最高處海拔高程為38m而稱為三八洲。三八洲將橋位河段分為南北兩汊，其中北汊寬約700m，南汊寬約450m，三八洲長約1100m。橋位處河段岸線和河道基本穩(wěn)定，河床演變主要表現(xiàn)為洲灘的消長和主支汊的興衰交替。
大橋所在地區(qū)屬北亞熱帶季風氣侯區(qū)，多年平均氣溫為16.3℃，一月份氣溫最低，月平均氣溫為3.6℃，極端最低氣溫為-14.9℃；七月份氣溫最高，月平均氣溫為28.3℃，極端最高氣溫為38.9℃。荊州氣象局記載，1954年1996年平均風速為2.4m/s，最大風速24m/s，根據(jù)橋址地型地貌特征及橋梁建筑高度綜合分析，確定百年一遇10m高10分鐘平均最大風速為21.0m/s，換算至橋面處的設計風速為順橋向25.4m/s、橫橋向29.2m/s。
橋址區(qū)地表出露地層以第四紀松軟堆積層為主，第四系為一套由細到粗多韻律的河湖相沉積物，主要為粘土、砂、卵石、礫砂。橋位區(qū)下伏基巖為泥巖、粉細砂巖，基巖頂部埋深116-128m。
根據(jù)歷史地震重演，構造類比，并結合現(xiàn)代地震活動綜合分析計算，大橋50年超越概率10%的場址地震烈度為6度，100年超越概率10%的場址地震平均烈度為6.4度，大橋抗震設計烈度為7度。
2 設計技術標準
?。?） 公路等級：一級公路
（2） 計算行車速度：100km/h
?。?） 橋面寬度：行車道凈寬21.50m，橋面總寬為24.5m（斜拉橋段27.0m），不設非機動車道和人行道。
?。?） 設計荷載：汽-超20，掛-120
?。?） 設計風速：縱橋向25.4m/s、橫橋向29.2m/s
?。?） 地震：設計烈度七度
（7） 設計洪水頻率：三百年一遇
?。?） 通航標準：Ⅰ級二類航道，通航凈高采用20年一遇水位以上18m，北汊通航孔孔徑不小于500m，南汊通航孔孔徑不小于300m。
3 總體布置
大橋共由九個橋段組成，自北向南依次為北岸引橋、跨荊江大堤橋、北岸灘橋、北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋、南岸灘橋、跨荊南干堤橋、南岸引橋，橋梁全長為4177.60m。其中控制橋跨布置的橋段為：跨荊江大堤橋、北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋和跨荊南干堤橋。
“萬里長江險在荊江”，荊江大堤和荊南干堤是荊江河段抗洪搶險的重要通道，堤防部門要求，跨荊江大堤橋主孔不小于150m，跨荊南干堤橋主孔不小于80m；北汊通航孔為長江主航道，南汊通航孔為長江枯水期備用航道，根據(jù)長江航道變化規(guī)律，航道管理部門要求，北汊通航孔橋主孔跨徑不小于500m，附孔跨徑不小于200m，南汊通航孔橋主孔跨徑不小于300m，附孔跨徑不小于150m；三八洲橋因地質條件差，下部結構及基礎施工困難，橋孔布置主要考慮盡量減少墩數(shù)，并兼顧考慮因河床演變三八洲未來需要通航的可能性。
綜合考慮橋址地形、自然條件、水文地質、通航、防洪等因素，本著實用、經濟、安全、美觀的原則，經初步設計階段反復比較，大橋橋跨布置為：
（1） 北岸引橋：22×20m預應力砼簡支空心板
（2） 跨荊江大堤橋：93+150+93（m）預應力砼連續(xù)梁
（3） 北岸灘橋：5×30m預應力砼簡支T梁
（4） 北汊通航孔橋：200+500+200（m）PC斜拉橋
（5） 三八洲橋：100+6×150+100（m）預應力砼連續(xù)梁
（6） 南汊通航孔橋：160+300+97（m）PC斜拉橋
（7） 南岸灘橋：8×30（m）預應力砼簡支T梁
（8） 跨荊南干堤橋：50+80+50（m）預應力砼連續(xù)梁
（9） 南岸引橋：9×30m預應力砼簡支T梁
4 主橋結構設計
由北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋構成的大橋主橋全長2557m，現(xiàn)對主橋結構設計的主要情況分述如下：
4.1 北汊通航孔橋
4.1.1 主梁
北汊通航孔200+500+200（m）PC斜拉橋，主梁采用預應力砼肋板式連續(xù)梁。梁頂寬26.5m，底寬27.0m，雙主肋高度為2.4m，高跨比為1：208.3，寬跨比為1：18.51。標準梁段肋寬1.7m，橋面板厚度為32厘米，標準斷面面積為16.28m2、抗彎慣性矩為9.66M4 。為了消除邊墩支座的負反力并增加結構剛度，兩邊跨自梁端起各68m范圍內采用加大主肋寬度的方法施加壓重。具體為：4m（實心段）+3×4m（斷面面積為55.28m2，肋寬10.60m)+7×4m（斷面面積為36.04m2，肋寬為6.3m）+4×6m（斷面面積為29.91m2，肋寬為4.9m）；由于塔下主梁承受巨大的軸向壓力，塔下共52.0m長的梁段肋寬增加至2.4m，斷面面積為19.15m2。除上述節(jié)段外，其余節(jié)段均為標準節(jié)段。
為了增加主梁橫向剛度，改善橋面板受力性能并均勻傳遞斜拉索索力。主梁中設置了126道橫梁（每對拉索處設一道），橫梁厚度為26cm。
4.1.2 索塔
考慮到與南汊姊妹塔景觀上的協(xié)調性，北汊通航孔橋采用H型索塔。北塔橋面以上的高度為111.90m，承臺以上的高度為139.15m；南塔橋面以上的高度為110.38m，承臺以上的高度為150.25m。兩塔每根塔柱下均設有5m高的塔座，以分散塔底反力。塔上橫梁截面高度為4米，下橫梁截面高度為6m，塔身及橫梁均為空心截面。兩索塔錨固區(qū)直柱段高度為54.35m，截面順橋向長7.0m，橫橋向寬4.0m；由上橫梁下緣至塔底，索塔順橋向尺寸呈直線變化，北塔由7m變?yōu)?2.0m，南塔由7.0m變?yōu)?2.73m。索塔橫橋向寬在下橫梁頂面以上為4.0m，下橫梁頂面以下為7.0m。
索塔壁厚順橋向為1.2m，橫橋向為0.8m，斜拉索在塔內張拉，索塔的拉索錨固段內壁采用10mm厚的鋼板護壁。
4.1.3 斜拉索
斜拉索采用PES7熱擠聚乙烯拉索，PESM7冷鑄鐓頭錨錨固體系。拉索最小間距為4m，標準間距為8m，塔下第一對斜索與直索間距為11.5m，拉索最小傾角為23.554°。
根據(jù)各拉索的設計索力并兼顧考慮全橋的整體剛度，全橋采用PES7—139到PES7—283等8種規(guī)格的斜拉索。設計最大索力為6590KN。
4.1.4 支座
主梁設計成飄浮體系，僅在兩端交界墩上設4個拉壓球型支座，支座設計豎向壓力為5000KN，豎向拉力為2500KN，位移量為±400mm，轉角1°。
4.2 南汊通航孔橋
4.2.1 主梁
南汊通航孔160+300+97（m）姊妹塔PC斜拉橋，主梁亦采用預應力砼肋板式連續(xù)梁。梁頂寬26.5m，底寬27.0m，雙主肋高度為2.0m，高跨比為1：150，寬跨比為1：11.1。標準梁段肋寬1.9m，橋面板厚度為32cm，標準斷面面積為16.28m2、抗彎慣性矩為6.9M4 。為了消除邊墩支座的負反力并增加結構剛度，兩邊跨自梁端起分別設47m（97m邊跨）和22m（160m邊跨）長配重段。配重段重量與北汊通航孔橋類似，采用漸變的方法設置。
南汊斜拉橋兩塔高度不等，設計采用H型塔。高塔承臺以上高度為124.8m，低塔承臺以上高度為89.4m。高塔塔柱在橫梁以上順橋向長6.0m，橫橋向寬4.0m，橫梁以下塔柱順橋向由6.0m變?yōu)?0.0m；低塔塔柱順橋向和橫橋向尺寸保持不變，順橋向長6.0m，橫橋向寬4.0m。
索塔壁厚順橋向為0.8m，橫橋向壁厚1.0m，斜拉索在塔內張拉，索塔的拉索錨固段內壁亦采用10mm厚的鋼板護壁。
4.2.3 斜拉索
南汊斜拉橋斜拉索采用與北汊斜拉橋相同的材料，在拉索的布置上，南汊斜拉橋塔下不設直索，塔下無索區(qū)長20.0m，拉索標準間距為8.0m，最小間距為4.0m。拉索最小傾角為25.75°。
4.2.4 支座
南汊斜拉橋亦為飄浮體系，僅在兩端交界墩上設4個拉壓球型支座，由于結構的不對稱性，小邊跨梁端的拉壓支座需要承受較大的豎向拉力。
4.3 三八洲橋
三八洲橋主梁為100+6×150+100（m）預應力砼箱形連續(xù)梁橋，分兩幅布置，主梁設計成兩個分離的箱梁。箱梁墩頂梁高為8.0m，跨中及梁端高為3.3 m。單幅箱梁頂寬為12.50m，底寬為7.0m。
4.4 主橋基礎
根據(jù)橋位地質條件，主橋基礎全部設計為鉆孔灌注樁基礎。北汊通航孔橋兩塔下均為22根直徑2.5m樁基，承臺直徑33.0m，承臺厚6.0m；三八洲橋中墩每幅采用5根直徑2.0m樁基，承臺厚度為5m；南汊斜拉橋高塔下采用22根直徑2.0m樁基，承臺直徑為27.20m，承臺厚度為6.0m，低塔下采用15根直徑2.0m樁基，承臺厚度為6.0m，矩形承臺。
5 工程主要技術特點
荊沙長江公路大橋構成復雜，技術含量高，有許多技術指標在國內領先。北汊通航孔橋為主跨500mPC斜拉橋，其跨度居同類橋梁世界第二，就其主梁斷面型式來看，是世界上首座主跨跨徑達500m的肋板式斷面PC斜拉橋；南汊通航孔橋為160+300+97（m）姊妹塔PC斜拉橋，其跨度僅次于在建的江西湖口大橋（主跨318m姊妹塔PC斜拉橋）；三八洲連續(xù)梁橋，主跨150m，連續(xù)長度達1100m，是目前國內連續(xù)長度最長的連續(xù)梁橋。大橋在設計計算、工程材料、施工工藝等方面有多項關鍵技術需要深入研究。主要為：
5.1 設計計算
?。?）500m主跨PC斜拉橋成橋及懸臂施工階段靜力穩(wěn)定性問題，結構幾何非線性和材料非線性問題，特大跨度PC斜拉橋的地震反應、風穩(wěn)定性問題以及特大跨度PC斜拉橋砼徐變影響分析。
?。?）300m主跨高低塔斜拉橋結構變形協(xié)調性以及拉索疲勞問題。
（3）三八洲連續(xù)梁橋二次力計算分析、溫度場分析、體系轉換等技術問題。
5.2 施工工藝
?。?） 500m主跨PC斜拉橋施工控制技術
（2） 長大斜拉索安裝工藝、減震措施（500m主跨PC斜拉橋最長達268.54m，重223KN）。
?。?） 三八洲連續(xù)梁橋懸臂施工撓度控制技術。
（4） 復雜地質條件下大直徑鉆孔灌注樁施工技術（大橋32號塔樁基直徑2.5m，深90m；須穿透的卵石層厚約20m。）
5.3 工程材料
(1) 高強砼
荊沙長江公路大橋南北汊PC斜拉橋主梁采用60號高強度砼，在國內如此大規(guī)模使用60號砼是少有的。為保證砼在施工過程中的質量，降低造價，需研究使用常規(guī)的水泥、砂、石原料以及常規(guī)的制作工藝生產高強度砼的外加劑和最優(yōu)的砼配合比。
?。?） 大位移量伸縮縫
為適應溫度引起的主梁伸縮及地震位移，500m主跨與三八洲橋之間須設置伸縮量1360mm的大位移量伸縮縫。
?。?） 大位移量及大噸位支座
根據(jù)結構受力和變形的需要，三八洲連續(xù)梁橋及跨荊江大堤橋支座噸位達50000KN，北汊通航孔橋梁端支座位移量達800 mm。
6 科研試驗
如上所述，荊沙長江公路大橋是一座技術復雜的特大型橋梁，大橋建設對設計計算、工程材料、施工工藝提出了很高的要求。為驗證設計計算的正確性，確保安全、順利地建成大橋，應設計方面要求，大橋建設指揮部委托有關科研機構做了大量科研試驗工作。主要試驗內容如下：
6.1 試 樁：
通過試樁驗證地質資料的準確性，積累厚卵石層條件下深長樁的施工經驗，優(yōu)化施工工藝，指導施工。試樁在28號墩位進行，試樁直徑1.5m，深度80m。
6.2 斜拉橋風洞試驗
斜拉橋風洞試驗的主要內容有：
（1） 節(jié)段模型風洞試驗：測定氣動系數(shù)、橋梁顫振臨界風速以及氣動導數(shù)、檢查橋梁在不利狀態(tài)下和運營狀態(tài)下的渦激振動現(xiàn)象及振幅。
（2） 抖振響應分析：對斜拉橋在成橋狀態(tài)、最大雙懸臂和最大單懸臂狀態(tài)下的抖振響應進行分析。
（3） 裸塔氣動彈性模型試驗：包括裸塔狀態(tài)下的渦激振動、氣動穩(wěn)定性、抖振響應。
（4） 500m主跨PC斜拉橋全橋模型風洞試驗：對500m主跨PC斜拉橋進行均勻流風場及紊流風場中的顫振和抖振試驗，給出橋梁顫振臨界風速和抖振響應。
6.3 500m主跨PC斜拉橋靜力穩(wěn)定性試驗
荊沙長江大橋北汊通航孔橋500m主跨PC斜拉橋，其跨度居世界PC斜拉橋的第二位，僅次于挪威的SKARNSUNDET橋。后者主梁為三角箱形斷面，而本橋主梁為雙主肋斷面，肋高僅為2.4m，主梁長細比大，結構纖細輕柔，在斜拉索巨大的水平分力作用下，結構的屈曲穩(wěn)定性的問題十分突出。 又由于斜拉橋結構的復雜性和約束條件的不確定性，以及500m大跨度橋梁的非線性影響，結構的靜力穩(wěn)定分析計算難以準確反映結構的靜力穩(wěn)定性能，為了檢驗設計計算的正確性，全面探討500m主跨雙主肋斷面PC斜拉橋的整體穩(wěn)定性，有必要進行相關模型試驗研究。
通過試驗，可直觀地了解結構在自重、汽車荷載以及不平衡施工荷載作用下，索力和主梁內力的分布變化情況；確定結構在最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下失穩(wěn)時的荷載條件，同時進行結構非線性對結構靜力穩(wěn)定性影響的分析，為設計和施工提供參考。
經過研究，決定靜力穩(wěn)定性試驗采用鋁合金模型，模型比例為1：30，目前試驗正在鐵道部大橋局橋梁科學研究院緊張進行。
6.4 全橋地震反應分析研究
大橋的地震反應分析包括結構動力分析和結構地震響應分析、以及主橋墩位土層砂土液化評價。
7 結束語
荊沙長江公路大橋已于1998年3月28日正式開工，目前大橋樁基施工已基本完成，按計劃大橋將于2002年3月建成通車。屆時，舉世聞名的古城荊州將聳立起一座具有現(xiàn)代化水平長江大橋，實現(xiàn)荊州人民“一橋飛架南北，天塹變通途”的美好夢想。
附圖：
