清江特大橋橋型方案技術(shù)論證（交通）
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清江特大橋橋型方案技術(shù)論證（交通）
饒西平1 孫 旋1 林志棟2
（1．中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 武漢430071; 2．中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 武漢430056）
摘要清江特大橋為庫區(qū)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，橋位處兩岸地形陡峻，成“V”字形峽谷。庫區(qū)水深較大，庫底深度近200 m。受峽谷風(fēng)影響，橋面設(shè)計風(fēng)速達(dá)31 m／s。交通運輸條件較差，受下游大壩限制，大型船只無法進(jìn)場輔助施工。針對清江特大橋特殊的地形、地質(zhì)、水文、通航、氣象、交通運輸條件等因素，對懸索橋、斜拉橋、拱橋方案進(jìn)行技術(shù)論證，分析了不同橋型的結(jié)構(gòu)受力特點及技術(shù)難度、施工難度及風(fēng)險，以及養(yǎng)護(hù)難度、景觀效果及工程造價等問題。
關(guān)鍵詞 庫區(qū)大跨度橋梁方案設(shè)計方案比選
清江特大橋位于水布埡水庫庫區(qū)內(nèi)，距水布埡大壩約1.8 km，見圖1。橋位處河谷深切，地形上構(gòu)成了“V”字形峽谷（見圖2），起點長嶺岸坡度約為500，終點泗淌岸上緩下陡，水面以上坡度約為400。
橋位處地形陡峻，水深較大(水庫底深度近200 m)，通航凈寬要求高(不小于210 m)，若橋梁下部構(gòu)造及基礎(chǔ)設(shè)置于水中，施工難度極大，且運營期間不得影響通航，因此必須采用一跨直接跨越水面，要求主跨跨徑大于380 m。
縱觀國內(nèi)已建成的連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁、矮塔斜拉橋等橋梁實例，2008年建成的重慶長江大橋復(fù)線橋采用了連續(xù)剛構(gòu)，主梁采用鋼一混結(jié)合梁，跨徑為330 m，而1997年建成通車的虎門大橋航道橋，為國內(nèi)建成的跨徑最大的預(yù)應(yīng)力混凝土主梁連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑僅為270 m，且存在不同程度的主梁開裂、下?lián)系缺锥�，而連續(xù)梁、矮塔斜拉橋跨越能力更難達(dá)到本橋跨徑要求。因此橋型方案未選擇連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁、矮塔斜拉橋。
跨越能力大于380 m的橋型，可供選擇的包括懸索橋、拱橋和斜拉橋及其適當(dāng)變化后的組合橋型。因此，結(jié)合現(xiàn)場實際提出了懸索橋、拱橋和斜拉橋3種橋型方案。懸索橋可采用鋼桁架懸索橋和鋼箱梁懸索橋2種結(jié)構(gòu)類型；拱橋方案可采用上承式和中承式，按380 m施工水位設(shè)置拱座位置，若采用上承式拱橋，矢跨比需1／7.2，拱腳受力較大，故拱橋方案僅考慮中承式拱橋方案�；谏鲜龇治�，橋型方案重點研究懸索橋方案、中承式拱橋方案、斜拉橋方案。
1 跨徑擬定及橋型方案選擇
1.1懸索橋方案
懸索橋方案按380 m施工控制水位設(shè)置主塔基礎(chǔ)，對應(yīng)跨度為390 m，但由于兩岸地形陡峭，高差較大，引橋設(shè)置困難。為減少引橋孔數(shù)，降低墩高，懸索橋主跨適當(dāng)增加，擬定為420 m。同時，主塔基礎(chǔ)位于泗淌岸緩坡平臺處，便于施工。
懸索橋初步擬定了4種加勁梁方案，分別為：混凝土板式、鋼混疊合板式、鋼桁架、鋼箱梁，見圖3。
由于橋面設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速較大(31 m/s)，橋?qū)捿^窄（結(jié)構(gòu)寬度12 m，吊索橫向間距13.3 m），寬跨比較小(1：31.6)，加勁梁選擇主要由抗風(fēng)穩(wěn)定控制。
混凝土板式加勁梁和鋼混疊合板式加勁梁抗風(fēng)顫振穩(wěn)定指數(shù)分別為9.0和9.5，顫振穩(wěn)定安全等級均為4級，抗風(fēng)性能不夠理想。
因此選擇抗風(fēng)性能較好的鋼桁架和鋼箱梁懸索橋方案，進(jìn)行同深度比較，見表1。
根據(jù)現(xiàn)場場地及運輸情況，鋼箱梁由于構(gòu)件大，運輸困難，需要大型拼裝場地等缺點，故設(shè)計優(yōu)先考慮鋼桁架懸索橋方案。具體孔跨布置為2×25 m(T梁)+420 m(單跨雙鉸懸索橋)+3×25 m(T梁)。橋梁全長561 m，橋梁凈寬：1.5 m（人行道）+8m（車行道）+1.5 m（人行道），橋型整體布置見圖4。
1.2拱橋方案
根據(jù)經(jīng)驗，本類橋梁的矢跨比一般在1／4～1/5之間，矢跨比越大，拱腳彎矩越小。經(jīng)試算，本橋拱肋受力主要由拱腳彎矩控制，因此，宜選用較大矢跨比。
為盡量減小主跨跨度、降低橋梁建設(shè)規(guī)模、節(jié)約工程造價，在滿足結(jié)構(gòu)受力合理性前提下，采用橋面處于拱肋矢高相對較高位置，拱肋橋面系上矢高／拱肋矢高=0. 43～0. 44，根據(jù)論證的橋面高程，分別擬定了1／4，1／4.5，1／5矢跨比對應(yīng)的孔跨布置。
綜合考慮受力情況、主橋建設(shè)規(guī)模，選取1／4矢跨比，主拱肋對應(yīng)凈跨度為410 m，起拱線高程393 m，拱座底高程為385.0 m，滿足施工水位 (380 m)的要求。
拱橋方案為凈跨410 m的中承式拱橋，拱肋形式可采用鋼管拱或鋼箱桁架拱。但由于鋼箱桁架拱用鋼量較大、造價較高、技術(shù)難度大，設(shè)計優(yōu)先考慮中承式鋼管拱方案。
1.3斜拉橋方案
斜拉橋受邊跨地形限制，宜盡量減少主跨跨徑，增加邊中跨比，以利于結(jié)構(gòu)配重需要。按380m施工控制水位設(shè)置承臺底高程，對應(yīng)主跨為390 m。邊跨長度受路線直線段長度限制，可采用的最大邊跨長度為140 m，此時，斜拉橋邊中跨比為0. 36，略小于常用的0.4～0.45的邊中跨比，但通過適當(dāng)增加邊跨截面、設(shè)置壓重可進(jìn)行平衡。因此，斜拉橋孔跨擬定為140 m+390 m+140 m。
斜拉橋方案主跨為390 m，處于混凝土斜拉橋的經(jīng)濟(jì)跨度，且鋼結(jié)構(gòu)主梁存在造價較高、后期養(yǎng)護(hù)維修量大等問題，設(shè)計優(yōu)先考慮混凝土斜拉橋方案。
2方案比選
根據(jù)鋼桁架懸索橋方案、中承式拱橋方案、混 凝土斜拉橋方案，將從結(jié)構(gòu)受力及技術(shù)難度、施工難度及風(fēng)險、養(yǎng)護(hù)難度、景觀效果及工程造價等方面進(jìn)行綜合比較。
2.1結(jié)構(gòu)受力及技術(shù)難度
主跨420 m鋼桁架懸索橋，在懸索橋中屬較小跨徑，技術(shù)難度最低，同時主纜自平衡狀態(tài)下橋塔在成橋狀態(tài)下主要承受豎向荷載，對地質(zhì)適應(yīng)能力較好。綜合考慮活載最大豎向撓度、抗風(fēng)穩(wěn)定性、主纜用鋼量，通過比選，主纜垂跨比選擇1/10，矢高為42 m。主纜邊跨散索點至主塔中心線距離為130 m，邊中跨比為0.309 5，恒載平衡狀態(tài)時，主索鞍兩側(cè)主纜夾角相同，主纜張力相同，可充分保證主纜抗滑要求。邊中跨比對橋梁剛度也有一定影響，邊中跨比越小，橋梁剛度越大。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的規(guī)定，在成橋階段主要考慮的6種荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)整體變形均能滿足規(guī)范要求。
主跨410 m中承式鋼管拱，屬同類橋型中較大跨徑，技術(shù)難度相對較高，同時主拱座產(chǎn)生較大的推力，對地質(zhì)要求較高。由于本方案跨度較大，寬度相對較小，因此，橫向穩(wěn)定是制約本橋設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。穩(wěn)定分析模型在空間計算模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，活載采用等效均布荷載十跨中集中力的方式，分析以下工況的穩(wěn)定系數(shù)：①成橋恒載的穩(wěn)定系數(shù)；②恒載十全幅車輛及人群荷載的穩(wěn)定系數(shù)；③恒載十全幅車輛荷載十風(fēng)荷載的穩(wěn)定系數(shù)。計算表明，恒載占全部荷載的比例最大，活載的影響相對較小，風(fēng)載對穩(wěn)定的影響幾乎可以忽略不計，計算結(jié)果見表3。
主跨390 m斜拉橋，跨度適中，技術(shù)難度相對較低，但橋塔基礎(chǔ)需承受一定的水平力作用，對邊坡穩(wěn)定要求較高。由于本方案的橋面寬度較窄，經(jīng)計算，所需的主梁橫梁截面高度較低。在同高度的主梁截面條件下，雖然實心邊主梁截面較箱型邊主梁截面在混凝土用量上稍有增加，但實心邊主梁易于施工。箱型邊主梁截面由于施工需要，要求截面高度不能取得太低，在與實心肋截面面積相同的條件下，其剛度遠(yuǎn)大于實心肋截面，意味著主梁上分配的彎矩將大于實心肋截面，而且其箱內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，施工的困難程度和耗費的時間、費用將大于實心邊主梁截面。綜合比較，本橋主梁采用實心邊主梁截面較為合適。為確保橋梁在各個施工階段以及運營狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過建立空間有限元模型，對主橋的最不利施工階段以及成橋階段進(jìn)行總體靜力穩(wěn)定驗算。驗算的4個最不利階段為：①階段1-裸塔；②階段2-最大雙懸臂；③階段3-最大單懸臂；④階段4-成橋。荷載工況：進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，外荷載類型有：永久作用以及風(fēng)荷載。施工階段進(jìn)行穩(wěn)定性驗算時，施工期設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速取10年重現(xiàn)期的設(shè)計風(fēng)速。在成橋階段穩(wěn)定分析時，外加荷載為永久作用和風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)在上述4種狀態(tài)下的失穩(wěn)形態(tài)及相應(yīng)的安全系數(shù)見表4。
2.2施工難度及風(fēng)險
鋼桁架懸索橋方案主桁架采用工廠焊接成桁片，再經(jīng)由陸路或水路運輸至現(xiàn)場拼裝場地，在場地拼裝為節(jié)段后由纜索吊吊裝。采用這種方式可以大大降低運輸風(fēng)險，化整為零，由于鋼桁架節(jié)段重量較輕，吊裝過程風(fēng)險較低，本方案施工難度及風(fēng)險均較低。
中承式拱橋方案主拱肋采用散件運輸，工地拼裝成節(jié)段，纜索吊吊裝。由于節(jié)段重量加大，施工過程中穩(wěn)定要求較高，主拱肋在成拱過程中焊接質(zhì)量及線形控制較難。因此本方案施工難度及風(fēng)險較高。
混凝土斜拉橋方案主梁采用前支點掛籃懸澆施工。目前國內(nèi)在390 m左右跨度范圍內(nèi)的類似橋梁較多，施工工藝成熟，施工風(fēng)險和難度較低。
2.3養(yǎng)護(hù)難度及運營風(fēng)險
鋼桁架懸索橋方案主纜、吊桿、鋼桁架需要后期養(yǎng)護(hù)，在設(shè)計中由于有貓道及檢修車，所以其養(yǎng)護(hù)工作量及養(yǎng)護(hù)難度一般。運營階段，由于主要構(gòu)件受力明確，風(fēng)險較低。
中承式拱橋方案拱肋、吊桿、橋面系需要養(yǎng)護(hù)，尤其是拱肋采用組合桁式結(jié)構(gòu)，增加了養(yǎng)護(hù)難度。運營階段由于存在鋼管與管內(nèi)混凝土脫空風(fēng)險、短吊桿疲勞風(fēng)險、橋面系開裂風(fēng)險，因此其整體運營風(fēng)險較高。
混凝土斜拉橋方案其后期養(yǎng)護(hù)難度最低，根據(jù)目前國內(nèi)已建成的類似跨徑橋梁，主要存在后期橋面開裂問題，運營階段結(jié)構(gòu)本身不存在類似拱橋方案的風(fēng)險，風(fēng)險較低。
2.4景觀效果
3種橋型方案整體景觀效果均較好，可很好地與橋位適應(yīng)，與周邊環(huán)境構(gòu)成了各具特色的景觀效果。其中鋼桁架懸索橋方案造型纖細(xì)輕盈，優(yōu)美而富有氣勢；中承式拱橋方案造型具有古典美，與水面倒影交輝相映；混凝土斜拉橋方案造型簡潔明快，具現(xiàn)代氣息。因此從景觀效果來看，3種橋型方案各具特色，不分伯仲。
2.5工程造價
工程造價是影響橋型方案選擇的重要因素之一。初步計算3種橋型建安費見表5，其中鋼桁架懸索橋最高，混凝土斜拉橋次之，中承式拱橋最低。
3結(jié)語
(1)鋼桁架懸索橋方案雖造價稍高，但運輸、吊裝方便，施工、運營風(fēng)險較低，后期養(yǎng)護(hù)維修量適中，故予以優(yōu)先推薦。
(2)中承式拱橋方案雖造價較低，但施工及運營風(fēng)險相對較高，后期養(yǎng)護(hù)維修量相對較大，全壽命周期成本較高。
(3)混凝土斜拉橋方案雖造價稍高，但施工期間無大構(gòu)件的運輸、拼裝、吊裝，施工便利，運營風(fēng)險相對較低，主梁后期無需定期刷漆，養(yǎng)護(hù)維修量相對較小。
本文通過對清江特大橋3種橋型方案的比選，為今后在類似地形條件及類似橋梁跨徑的設(shè)計，提供了一定的經(jīng)驗及參考。
