宿遷行運大橋設計及結(jié)構(gòu)特點

曹 宏，馬 麟

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072）

1 工程概述

宿遷行運大橋位于宿遷湖濱新城古皂河鎮(zhèn)東側(cè)，橫跨京杭運河，橋西南毗鄰全國重點文物保護單位龍王廟行宮(乾隆行宮)，橋東為正在開發(fā)中的駱馬湖景區(qū)，橋址處現(xiàn)為飛龍渡渡口，兩岸居民通過渡船過河。為方便兩岸居民出行，并在駱馬湖景區(qū)和龍王廟行宮之間架起一座旅游通道，擬建橋梁主跨橫跨京杭大運河，邊跨跨越運河兩側(cè)現(xiàn)狀道路及規(guī)劃道路，橋梁兩側(cè)分設下橋梯道及推坡道接地，見圖1。該橋采用橋梁裝飾及配套建筑，在風格上采用當?shù)氐墓沤ㄖ攸c，同時結(jié)合運河文化，使之與現(xiàn)代文明有機相融。在整體尺度比例上，該橋結(jié)合使用功能并根據(jù)橋梁的尺度進行總體控制，橋墩上設置亭子，將建筑與橋梁結(jié)合設計，將交通與人行功能完美結(jié)合，該橋的建成將使其與兩側(cè)景區(qū)融為一體，必將成為宿遷湖濱新城地標性建筑。

圖1 橋位圖

2 橋梁方案構(gòu)思

2.1 設計技術(shù)條件

（1）通航等級：國家Ⅱ級航道；

（2）通航凈空：143 m(凈寬)×7 m（凈高）；

（3）設計最高通航水位：23.83 m；

（4）設計最低通航水位：18.33 m；

（5）橋梁斷面寬度：8 m；

（6）地震：本工程區(qū)域地震動峰值加速度為0.3 g，屬Ⅲ類建筑場地，場地抗震設防烈度為8度。

2.2 方案構(gòu)思

通過對現(xiàn)場地形地貌及周圍環(huán)境的實地考察，結(jié)合城市規(guī)劃、交通運輸、航道凈空、地質(zhì)條件等因素進行結(jié)構(gòu)總體設計構(gòu)思。該橋橫跨京杭大運河，聯(lián)結(jié)兩岸重要旅游景區(qū)，整個湖濱新城將打造成為宿遷城市名片的展示區(qū)，承擔著為游客與城市居民提供休閑、娛樂、享受自然環(huán)境的特殊功能。

（1）當?shù)貧v史人文背景：宿遷地區(qū)自古以來受楚漢文化影響，具有悠久的歷史文化底蘊，歷代人文輩出，清朝早期乾隆六次下江南，五次宿頓于此，期間興建了不少具備皇家特色的建筑，如龍王廟行宮，成為當?shù)乇容^典型的建筑風格。

（2）橋型方案選擇：由于橋梁橫跨京杭大運河，受該處航道等級限制，橋梁主跨需在150 m以上。對于主跨150 m以上的橋型方案，通常會采用斜拉橋、拱橋、懸索橋及連續(xù)梁等。宿遷是一個人文及歷史背景濃厚的城市，而且橋位地處景區(qū)地段，所以，美學是該橋梁必須考慮的重要因素。根據(jù)整個景區(qū)規(guī)劃，該處要打造古典行宮風格需要，進而相對現(xiàn)代的橋型如：斜拉橋、懸索橋則不宜考慮，加之宿遷當?shù)氐牡卣鹪O防烈度較高、場地特殊，大跨徑的拱橋不利于抗震要求，所以大跨徑拱橋亦不在考慮之列。綜合以上分析，連續(xù)梁式橋是本橋主要考慮的橋型，該橋型具有受力明確，外觀簡潔、輕巧，線條連續(xù)流暢，外立面簡單而富于變化。

（3）橋梁風格體現(xiàn)：橋梁立面在以現(xiàn)代橋梁技術(shù)為支撐的基礎(chǔ)之上，采用現(xiàn)代較常見的橋型（連續(xù)梁式橋）為載體，融合中國清式的古典風格及建筑形式，使之與千年古鎮(zhèn)-皂河鎮(zhèn)、龍王廟行宮環(huán)境相協(xié)調(diào)，相互補充、自然和諧。橋墩處設仿古亭閣加以點綴，成為千年古鎮(zhèn)-皂河鎮(zhèn)的延續(xù)，如果說規(guī)劃中的駱馬湖景區(qū)體現(xiàn)的是現(xiàn)代生態(tài)文明，那么跨運河橋便是一條串起古今的紐帶，一座穿越時空的橋梁，將皇家建筑特點、古鎮(zhèn)繁華景象、地域特點進行宣揚和傳承，與現(xiàn)代文明有機融合在一起。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設計特點

3.1 結(jié)構(gòu)論證

考慮到航道限制和橋墩的影響，橋梁主跨跨徑選擇為153 m，主跨在150 m以上的梁式橋有連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、剛構(gòu)-連續(xù)組合梁等形式，由于運河兩側(cè)分別為駱馬湖和龍王廟景區(qū)集散廣場，且離主橋主墩距離約為80 m，這就要求橋梁邊跨跨徑在75m左右，故橋梁跨徑劃分為75 m+153 m+75 m。橋梁全長303 m、寬8 m的梁式橋，由于長寬比近38，橫向穩(wěn)定是個重要問題，連續(xù)剛構(gòu)橋橫向穩(wěn)定性好，但該橋橋墩高度僅為11 m，墩身剛度過大，導致墩身分擔很大一部分墩頂梁體彎矩，由于該地區(qū)特殊的抗震要求，對橋梁下部結(jié)構(gòu)安全極為不利。剛構(gòu)-連續(xù)組合梁既能滿足長寬比大的連續(xù)梁橫向穩(wěn)定性不好的要求，又能避免連續(xù)剛構(gòu)橋因溫度、收縮徐變產(chǎn)生過大次內(nèi)力的弊端，因此，該橋結(jié)構(gòu)體系選擇剛構(gòu)-連續(xù)梁橋，為較小固結(jié)墩的剛度，固結(jié)墩身采用雙薄壁形式。

對于邊-中跨比為0.49的梁式橋，中跨和邊跨的不平衡彎矩較大，為解決邊-中跨比過小的問題，一般情況下可以通過以下三種方式：（1）邊跨段采用普通混凝土，中跨段采用輕質(zhì)混凝土；（2）中跨跨中段采用鋼結(jié)構(gòu)；（3）加大邊跨結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)配重以平衡中跨彎矩。對于第一種方法，根據(jù)國內(nèi)外橋梁設計及施工經(jīng)驗，我國已建橋梁采用輕質(zhì)混凝土材料的很少，一般情況下，輕質(zhì)混凝土的骨料要求極為嚴格，一般情況下須從國外進口，這樣在經(jīng)濟上不具可行性，且行運大橋的工期緊張，在我國進行昂貴的試驗以尋找合適的輕質(zhì)骨料也是不現(xiàn)實的?？缰卸稳绮捎娩撓淞航Y(jié)構(gòu)可以有效的減小中跨跨中及橋墩根部彎矩，但考慮到此處京杭大運河不斷航的特殊通航條件，且中跨跨中段采用鋼箱梁會增加結(jié)構(gòu)的施工難度，且施工工期較長，這樣第二種方法在施工上不具備可行性，不僅如此，鋼箱梁的造價要遠高于混凝土梁。采用第三種方法，即通過加大邊跨的結(jié)構(gòu)尺寸來平衡中跨跨中彎矩，這樣雖然增加了部分的混凝土和預應力鋼束用量，但相對跨中采用鋼結(jié)構(gòu)的造價來說要小得多，而且該方法的施工難度小，可以有效的保證通航條件及工期限制。通過以上分析，該橋擬選用加大邊跨結(jié)構(gòu)配重的方法來平衡中跨彎矩。橋型立面見圖2。

圖2 橋型立面圖

3.2 結(jié)構(gòu)特征及設計特點

在連續(xù)梁橋中，將墩身與主梁固結(jié)從而成為連續(xù)剛構(gòu)橋。由于墩身與主梁形成剛架承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在結(jié)構(gòu)上充分發(fā)揮了潛能，因此連續(xù)剛構(gòu)橋在我國很快得到了應用和發(fā)展。一般情況下，墩身內(nèi)力與橋梁順橋向抗推剛度以及距主梁順橋向水平位移零點的長度密切相關(guān)，雙薄壁式墩身具有抗推剛度小的特點，能有效地降低其內(nèi)力，但隨著橋梁全長的加大，墩身距主梁順橋向水平位移變形零點的距離亦將加大，在溫度、混凝土收縮及徐變等荷載的作用下，橋墩墩頂位置截面與主梁同時產(chǎn)生很大的順橋向水平和轉(zhuǎn)角位移，墩身剪力和彎矩將迅速增大，而且產(chǎn)生不可忽視的附加彎矩，這樣就致使連續(xù)剛構(gòu)形式方案在此橋的橋型形式選擇上有著自身的局限性。

在結(jié)構(gòu)上將一個橋墩的墩身與主梁的固結(jié)約束予以解除，而以順橋向水平和轉(zhuǎn)角位移自由的活動支座取而代之，這樣就形成剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)體系。這樣的橋型主墩墩身強度過大的問題得以解決，且在一定條件下橋梁總長可相對延長。可見，剛構(gòu)-連續(xù)組合梁是連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)的合理組合，它兼?zhèn)淞诉B續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋的優(yōu)點而揚棄各自的缺點，在結(jié)構(gòu)受力、使用功能和適應環(huán)境等方面均具有一定的優(yōu)越性。

4 結(jié)構(gòu)設計

主橋跨徑布置為：75 m+153 m+75 m，橋梁總長303 m。全橋位于直線段上，橋跨中心兩側(cè)設3.5%的縱坡，豎曲線為R=1 500 m的凸曲線。主橋橋梁型式為單箱單室變截面預應力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁，箱梁為直腹板單箱單室斷面?？拷砗渔?zhèn)側(cè)主墩與梁體固結(jié)，橋墩采用雙薄壁墩形式，靠近駱馬湖側(cè)橋墩與梁體之間設置活動支座。

橋梁橫斷面布置為：欄桿（0.4 m）＋人非混行道（7.2 m）+欄桿（0.4 m），總寬8.0 m。人非混行道采用1.0%的橫坡，坡向路邊。

人非混行道橋面鋪裝為：4 cm石材+4 cm M10隔熱砂漿+6.4～10 cm C50混凝土鋪裝層。

4.1 上部結(jié)構(gòu)

箱梁根部梁高9.0 m，跨中及邊跨支點梁高4.0 m，梁高按照二次拋物線變化，箱體頂板寬度為8.0 m、9.5 m（主墩處），頂板設平坡，頂板厚度：0～3號塊厚度為0.6 m漸變至0.3 m，邊跨4～10號塊及中跨4～12號塊厚0.3 m，邊跨11～12號塊頂板厚度由0.3 m漸變至0.5 m，邊跨13號塊至邊跨支點頂板厚為0.5 m，跨中13號塊頂板厚度由0.3 m漸變至0.25 m，跨中14～18號塊及跨中合攏段頂板厚度為0.25 m，見圖3。

圖3 階段劃分圖

箱梁底板寬度6.0 m，橫橋向底板保持和頂板同坡度。底板厚度為：跨中1～18號塊底板厚度由0.934～0.3 m，厚度按二次拋物線變化，邊跨1～10號塊底板厚度由0.934～0.463 m，厚度按照二次拋物線變化，邊跨11～12號塊底板厚度由0.463 m漸變至0.8 m，邊跨13號塊至邊跨支點底板厚度為0.8 m。

箱體腹板厚度：邊跨1～10號塊為0.75 m、11～12號塊腹板厚度由0.75 m漸變至0.95 m、13號塊至支點為0.95 m，中跨1～12號塊為0.75 m、13號塊腹板厚度由0.75 m漸變至0.5 m、14～18號塊及合攏段腹板厚度為0.5 m。

箱梁在支點處均設置橫梁，端支點處橫梁厚2.0 m，靠近駱馬湖中墩簡支支點處橫梁厚3.5 m，靠近皂河鎮(zhèn)側(cè)墩梁固結(jié)處雙薄壁墩橫梁為兩道1.4 m厚橫梁，中墩處橫梁均布置一個高1.0 m×0.8 m的人孔，底板設置直徑80 cm的永久性檢修孔。在中、邊跨1/4跨處及中跨跨中均設置一道厚50 cm的跨間小橫梁。橋墩處斷面見圖4，跨中斷面見圖5。

圖4 橋墩處斷面

圖5 跨中斷面

預應力箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工。0號節(jié)段長13 m,合攏段2.0 m長。除考慮節(jié)段的重量不宜差別太大外，并結(jié)合橋跨特點，懸臂澆注梁段長度為 3.0、3.5 m、4.0 m、4.5 m。

橋梁箱梁按全預應力混凝土類構(gòu)件設計。

橫梁及橋面板橫向按照鋼筋混凝土構(gòu)件設計。

箱梁縱向預應力鋼束均采用標準強度為fpk=1 860 MPa的低松弛預應力鋼絞線，彈性模量為Ep=195 000 MPa，公稱直徑為15.20 mm；最大錨下張拉控制應力為1 395 MPa。

4.2 下部結(jié)構(gòu)

主墩-墩梁固結(jié)墩，形式為雙薄壁墩。雙薄壁墩身橫橋向尺寸為3.8 m，縱橋向尺寸為1.4 m，兩薄壁墩身凈距為3.1 m，墩身高14.4 m。承臺尺寸為14.5 m×11.5 m（縱橋向×橫橋向），厚4 m，下接12根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

主墩-簡支墩，墩身采用板式墩身，墩底截面尺寸為3.8 m×2.8 m（橫橋向×順橋向），墩身頂截面尺寸為6.0 m×2.8 m（橫橋向×順橋向）。承臺尺寸為14.5 m×11.5 m（縱橋向×橫橋向），厚4 m，下接12根直徑1.5m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。同時承臺在懸臂澆筑時作為施工支撐點。

邊墩墩采用方柱墩身上接蓋梁的形式，下面墩身尺寸為1.6 m×1.6 m，蓋梁高1.25～2.5 m，寬6.0 m。承臺尺寸為7.5 m×7.5 m，厚2.5 m，下接四根1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

5 結(jié)構(gòu)計算

上部結(jié)構(gòu)設計采用了三維空間計算分析軟件MIDAS Civil2012和橋梁博士V3.2版對全橋運營及施工階段進行了模擬計算分析。全橋縱向按照全預應力構(gòu)件設計，計算荷載有：施工臨時荷載、恒載、活載、溫度梯度、基礎(chǔ)沉降等，本橋收縮徐變按照10年運營考慮?？v向計算結(jié)果見表1。

由表1可以看出，結(jié)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，但表中主壓應力偏高，考慮到結(jié)構(gòu)的耐久性，設計上采用C60高標號混凝土，同時橋面鋪裝層采用了隔熱砂漿層，減弱了溫度梯度對結(jié)構(gòu)的不利影響。

6 結(jié)語

本文以宿遷行運大橋工程為背景，介紹了橋梁結(jié)構(gòu)設計，重點探討了小邊跨及大長寬比梁式橋的設計，為同類橋梁的設計提供了一定的參考和借鑒作用。

表1 結(jié)算結(jié)果（單位：MPa）

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