柳州市文惠大橋改造方案設(shè)計(jì)

高敏英

(四川西南交大土木設(shè)計(jì)有限公司廣州分公司，廣東廣州 510095)

1 概述

柳州市文惠大橋拓寬改造工程位于柳州市區(qū)中部，柳江大橋下游約770 m處，南接屏山大道，北接文惠路，橋址位于柳江河曲的頂端，河曲平面呈U形。文惠大橋是柳州市城市路網(wǎng)的重要組成部分，是連接城中區(qū)和魚(yú)峰區(qū)的重要過(guò)江通道之一。原舊橋主橋采用鋼管混凝土拱橋，橋跨布置1×67.7 m鋼筋混凝土上承式拱肋+3×116 m中承式鋼管混凝土拱肋+1×67.7 m鋼筋混凝土上承式拱肋，南北兩岸引橋分別采用1×30 m及2×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

1)道路等級(jí):城市Ⅰ級(jí)主干道;2)設(shè)計(jì)行車(chē)速度:60 km/h;3)基本車(chē)道數(shù):近期按雙向四車(chē)道加非機(jī)動(dòng)車(chē)道，遠(yuǎn)期按雙向六車(chē)道設(shè)計(jì)，兩側(cè)設(shè)人行道;4)設(shè)計(jì)荷載:公路Ⅰ級(jí)，人群荷載:3.5 kN/m2;5)設(shè)計(jì)洪水頻率:1/100;6)抗震烈度:地震峰動(dòng)值加速度0.05g，地震力反應(yīng)譜特征周期0.35 s;7)通航標(biāo)準(zhǔn):航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，通航凈空高度為10 m，凈寬為55 m;8)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí):一級(jí)。

3 主要設(shè)計(jì)思路

3.1 景觀設(shè)計(jì)

柳州市是歷史文化名城，自然山水格局極具特色，其中柳州新八景之一的“玉帶垂虹”指的就是文惠橋形如彩虹，懸掛在美麗的山水畫(huà)之間。該橋橋拱宛如彩虹，被市民譽(yù)為柳州最美的橋之一，其作為柳州市的標(biāo)志性建筑，在每個(gè)柳州市民心中都有著深刻的記憶，故文惠橋的改造工程對(duì)景觀有著非常高的要求。

本次拓寬工程方案設(shè)計(jì)將結(jié)合柳江兩岸的風(fēng)光、城市規(guī)劃和城市景觀的要求，充分考慮在舊橋景觀設(shè)計(jì)風(fēng)格的基礎(chǔ)上，力求有所創(chuàng)新，與周邊自然景觀相協(xié)調(diào)，將橋型設(shè)計(jì)融入柳江兩岸風(fēng)光及舊橋的風(fēng)格中，舊貌換新顏。

3.2 加寬思路

本次方案設(shè)計(jì)本著“以人為本、以科技為先導(dǎo)、以質(zhì)量為命脈、以環(huán)保為主”的思路，拓寬方案基本是在充分利用舊橋資源的基礎(chǔ)上提出的，根據(jù)文惠橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)從多角度對(duì)改造方案進(jìn)行了考慮。

1)簡(jiǎn)單的加寬方案:主要對(duì)橋面系進(jìn)行改造，橋面更換成較輕的鋼橋面，將橋面進(jìn)行簡(jiǎn)單拓寬。由于舊橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低，橋面窄，經(jīng)計(jì)算拱肋受力很難滿足雙向六車(chē)道設(shè)計(jì)要求。

2)兩邊加橋方案:維持舊橋不變，在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)增加兩幅新橋，形成三幅橋斷面布置。該方案受北岸古城樓的制約，北岸接線非常困難，三幅橋布置，交通組織難以處理，影響今后使用功能。

3)利用舊橋基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)重建:拆除舊橋上部結(jié)構(gòu)，利用原基礎(chǔ)，改建成連續(xù)梁、拱橋、部分斜拉等橋型。此類(lèi)方案施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，不可預(yù)見(jiàn)性多。

4)在東側(cè)增加與舊橋相同的新橋:方案可行，但存在拱肋片數(shù)多，新舊橋使用壽命、標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一的缺點(diǎn)，本方案設(shè)計(jì)在該思路基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用三片拱方案，即后述方案一。

在上述分析基礎(chǔ)上，本次方案設(shè)計(jì)從舊橋加寬、單邊加橋、拆除重建三個(gè)拓寬思路選擇了三個(gè)方案進(jìn)行論證。

4 加寬方案

4.1 方案一(舊橋加寬方案)

本方案在舊橋東側(cè)拓寬基礎(chǔ)，在舊橋東側(cè)增加一片拱肋，形成三片拱肋結(jié)構(gòu)，拆除舊橋混凝土橋面系，改造成三吊點(diǎn)的、重量較輕的、鋼橫梁加縱梁體系，從而形成一全新的三片拱肋拱橋，如圖1所示。

圖1 舊橋加寬圖

主橋橋型采用主跨三跨中承式無(wú)鉸拱+邊跨兩跨上承式空腹拱拱橋，主橋長(zhǎng)483.4 m，其孔跨布置為67.7 m+3×116 m+67.7 m。主橋橋面寬度為31.5 m。

拱肋由兩片邊拱與一片中拱組成，其中兩片拱肋為原橋拱肋，新建邊拱肋一片。主拱材料采用Q345qC鋼材，拱圈內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，形成鋼混凝土組合受力截面。

中拱采用舊橋拱肋，經(jīng)過(guò)計(jì)算，不能滿足拓寬后新橋受力需要，需對(duì)中拱拱肋拱腳區(qū)域進(jìn)行加固，加固范圍為兩側(cè)拱腳1/4跨度范圍。

舊橋主梁采用混凝土縱橫梁體系，自重較大，方案設(shè)計(jì)考慮拆除舊橋混凝土橋面系，改造成三吊點(diǎn)的、重量較輕的、鋼橫梁加縱梁體系，通過(guò)降低橋面主梁自重，大大改善了拱肋和基礎(chǔ)受力。

橋面采用縱橫梁體系，由鋼橫梁、加勁縱梁組成，橫梁上鋪設(shè)混凝土空心板。鋼橫梁通過(guò)吊桿與拱肋連接，每片橫梁設(shè)置3個(gè)吊點(diǎn)，橫梁采用等高工字形截面。每?jī)筛摍M梁間設(shè)3片加勁縱梁，縱梁與橫梁焊接在一起，以保證橋面的整體性。

為了抵抗水平力，每片拱肋下設(shè)置水平系桿。系桿采用擠包雙層大節(jié)距低應(yīng)力扭絞型拉索，系桿拉索由φ7 mm鍍鋅高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成，鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度Rby=1 670 MPa，系桿拉索設(shè)置在拱肋下防撞護(hù)欄外側(cè)，在拱腳處穿過(guò)拱肋，錨固于拱腳外側(cè)。

全橋拱肋共27對(duì)吊桿，每點(diǎn)吊桿為雙吊桿，其中心間距為48 cm。吊桿拉索采用新型低應(yīng)力防腐拉索，拉索采用雙層HDPE防護(hù)的全防腐索體，雙層HDPE之間設(shè)一隔離層，索體鋼絲內(nèi)注防腐油脂。吊桿拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨。

在舊橋東側(cè)新建主墩基礎(chǔ)，新建基礎(chǔ)利用植筋等工藝將承臺(tái)與翼板連接成整體。新建承臺(tái)高3.5 m，每個(gè)承臺(tái)下接8根樁徑2 m的樁基礎(chǔ)，墩身采用空心薄壁墩，墩頂設(shè)計(jì)3.5 m高拱座。

4.2 方案二(單邊加橋方案)

方案二基本上對(duì)舊橋不進(jìn)行改造，僅對(duì)橋面車(chē)行道布置進(jìn)行調(diào)整，將舊橋雙車(chē)道加非機(jī)動(dòng)車(chē)道布置調(diào)整為單向三車(chē)道，保留一側(cè)人行道，東側(cè)人行道改造成綠化帶，在舊橋東側(cè)新建半幅獨(dú)立新橋，布置三車(chē)道加人行道。新橋方案主橋采用部分斜拉橋，跨度布置與舊橋保持一致，見(jiàn)圖2。

圖2 單邊加橋圖

新建主橋采用部分斜拉橋，跨度組成為(67.7+3×116+67.7)m，全長(zhǎng)483.4 m。主橋橋面寬度為 16.5 m，主橋塔、梁、墩固結(jié)，邊墩設(shè)置豎向活動(dòng)盆式橡膠支座和橫向抗震擋塊。

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斷面，截面為單箱雙室斷面。箱梁頂寬16.5m，頂板厚0.26m，標(biāo)準(zhǔn)斷面梁高2.5m，底板厚0.3m。在靠近主塔無(wú)索區(qū)段，梁高由2.5 m漸變至墩頂截面3.3 m，底板厚由0.3 m漸變至0.6 m，腹板采用斜腹板，腹板寬0.3 m。在邊支點(diǎn)、塔梁墩固結(jié)處及斜索錨固處均設(shè)置橫隔墻。

主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，梁體采用C50混凝土。

主塔橫橋向采用“V”字造型，上塔柱向外側(cè)傾斜15°，像一雙合在一起張開(kāi)的手掌牢牢的托住主梁，造型輕巧有力。塔柱采用實(shí)體截面，主梁與主塔固結(jié)橫梁內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力鋼束，以平衡塔頂鞍座及主梁豎向力對(duì)斜塔柱產(chǎn)生的水平分力。下塔柱采用“n”形實(shí)體結(jié)構(gòu)，牢牢的支撐住“V”字形上塔柱。塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，C50級(jí)混凝土。

塔身上部設(shè)有鞍座，以便拉索通過(guò)，每根斜拉索對(duì)應(yīng)一個(gè)鞍座，鞍座采用雙重管結(jié)構(gòu)形式，雙重管采用雙層鋼管，外管埋設(shè)于混凝土塔內(nèi)，內(nèi)管置于外管內(nèi)，斜拉索穿過(guò)內(nèi)管。

斜拉索采用扇形布置，梁上索距7 m，塔上索距1.0 m，雙索面。斜拉索采用平行鋼絞線索，拉索群錨錨固。拉索采用雙重防腐措施，每股鋼絞線外包裹PE管，整根斜索外套PE管加以防護(hù)。

主塔墩基礎(chǔ)采用8根φ2.0 m鉆孔樁，樁基呈行列式布置;承臺(tái)為矩形承臺(tái)，寬13.2 m×12，承臺(tái)厚3 m。

4.3 方案三(拆橋新建方案)

文惠橋原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，設(shè)計(jì)荷載為汽—15級(jí)，為了適應(yīng)快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，可以考慮拆除舊橋重建一座要求較高，功能較全的新橋。方案三為拆橋重建方案，主橋采用三跨連續(xù)下承式鋼管混凝土系桿拱橋，V形橋墩，橫橋向設(shè)置兩片拱肋，每片拱肋由主拱和穩(wěn)定拱組成，兩片拱肋之間橋面以上不設(shè)橫向聯(lián)系，整體造型新穎，富有現(xiàn)代氣息，見(jiàn)圖3。

圖3 拆橋新建圖

方案三主橋全長(zhǎng)399 m，為三跨連續(xù)鋼管混凝土系桿拱橋?？鐝浇M成為(114+142+114)m，橋?qū)?1.5 m。本方案為拆舊橋重建方案，考慮舊橋拆除時(shí)水下基礎(chǔ)拆除難度較大，及拆除施工的不可預(yù)見(jiàn)性，新建橋梁基礎(chǔ)避開(kāi)了原舊橋基礎(chǔ)位置，對(duì)跨度布置在舊橋的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

豎拱由兩根鋼管焊接成啞鈴形，斜拱采用單根圓鋼管，豎拱和穩(wěn)定拱之間采用間距布置橫管進(jìn)行連接。豎拱拱肋主要承受自重及吊桿傳來(lái)的荷載，斜拱和豎拱構(gòu)成穩(wěn)定的人字結(jié)構(gòu)體系，用以維持豎拱的穩(wěn)定。豎拱和斜拱在每跨的跨中處焊接在一起，在拱腳段通過(guò)拱座上的鋼板、鋼預(yù)埋件與現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁固定在一起。此構(gòu)件的設(shè)計(jì)使構(gòu)件在抗壓、抗彎和抗剪的綜合作用下均具備足夠的強(qiáng)度和剛度。

為了抵抗水平力，每片拱肋下設(shè)置4根水平系桿。系桿采用擠包雙層大節(jié)距低應(yīng)力扭絞型拉索，鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度Rby=1 670 MPa，系桿拉索設(shè)置在拱肋下防撞護(hù)欄外側(cè)，在拱腳處穿過(guò)拱肋，錨固于拱腳外側(cè)。全橋拱肋共43對(duì)吊桿(邊跨13×2對(duì)、中跨17對(duì))，吊點(diǎn)中心間距為8.0 m。吊桿拉索采用新型低應(yīng)力防腐拉索，拉索采用雙層HDPE防護(hù)的全防腐索體，雙層HDPE之間設(shè)一隔離層，索體鋼絲內(nèi)注防腐油脂。吊桿拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨。

橋面系采取懸浮體系，每跨端部通過(guò)箱形鋼橫梁簡(jiǎn)支在現(xiàn)澆混凝土箱梁牛腿上，橋面系由鋼橫梁、加勁鋼縱梁組成，鋼橫梁通過(guò)吊桿和拱肋連接。每?jī)筛摍M梁間設(shè)2片加勁縱梁，縱梁與橫梁焊接在一起，以保證其整體性。V構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，V腿為混凝土矩形截面，單箱雙室，與主梁固結(jié)，主梁采用單箱多室截面。整個(gè)V構(gòu)采用C50混凝土現(xiàn)澆施工。

4.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本次方案設(shè)計(jì)對(duì)三個(gè)方案均采用Midas/Civil軟件建立空間有限元模型進(jìn)行了靜力、動(dòng)力、穩(wěn)定計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明三個(gè)方案強(qiáng)度、應(yīng)力、剛度均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)方案合理可行。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4.5 方案綜合比選及推薦方案

方案比較表見(jiàn)表2。

三個(gè)方案都能很好的滿足文惠橋拓寬改造工程的要求，經(jīng)綜合比選，我們將方案一(舊橋加寬方案)作為首推方案，其次為方案三(拆橋新建方案)，再次為方案二(單邊加橋方案)。

表1 設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果表Pa

表2 方案比較表

5 結(jié)語(yǔ)

“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀”是我國(guó)橋梁建筑設(shè)計(jì)的原則，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人們審美觀的提高，結(jié)構(gòu)物不再是簡(jiǎn)單作為滿足使用要求的工程實(shí)體。在滿足其使用功能外，還要最大限度地滿足橋梁建筑與美學(xué)要求，使橋梁建筑風(fēng)格與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)，成為一道亮麗的風(fēng)景。柳州文惠大橋作為新老城區(qū)交通聯(lián)絡(luò)的主干道，是柳州市形象工程之一。加寬工程方案設(shè)計(jì)采用舊橋加寬方案，完全服從舊橋景觀，保留了原橋的整體效果，造型別致新穎，將橋梁的結(jié)構(gòu)與功能、造型與藝術(shù)、景觀與環(huán)境有機(jī)結(jié)合，其建設(shè)將成為柳州市經(jīng)濟(jì)騰飛的象征。

［1］盛洪飛.橋梁建筑美學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［2］范立礎(chǔ).橋梁工程(上冊(cè))［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］顧安邦.橋梁工程(下冊(cè))［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，1995.