大安嫩江大橋主橋設(shè)計(jì)

楊 忠

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130021）

1 工程概況

省道大通公路為吉林省省級公路網(wǎng)擬調(diào)整方案中的一條縱線，是大安市、通榆縣、通遼市相互連接、貫通吉林省西部的運(yùn)輸通道。本項(xiàng)目的建設(shè)將吉林省西北部地區(qū)與黑龍江省西部地區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)有效地連接，構(gòu)建了一條貫通黑、吉、蒙的快捷通道，對振興東北老工業(yè)基地及吉、黑兩省西部及內(nèi)蒙古東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

大安嫩江大橋?yàn)楸卷?xiàng)目的重要節(jié)點(diǎn)工程，位于吉林省大安市，地處松嫩平原腹地，屬于嫩江下游河段，距離松花江入河口48 km，橋位處匯水面積22.171 5 萬 km2。

橋址下游282 m處為大安港，大安港位于大安市境內(nèi)的嫩江右岸，是吉林省最大的內(nèi)河港口，也是國家一類口岸。

橋位位于通遼—讓胡路鐵路橋與大安港之間，距離鐵路橋230 m，平行鐵路橋布置。

結(jié)合鐵路及大安港凈距要求、通航及防洪要求，最終主橋采用（70+2×120+700）m預(yù)應(yīng)力混凝土半剛構(gòu)連續(xù)箱梁。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

a）道路等級 設(shè)計(jì)速度80 km/h一級公路標(biāo)準(zhǔn)。

b）設(shè)計(jì)荷載 公路-Ⅰ級。

c）設(shè)計(jì)洪水頻率 特大橋1/300。

d）橋面橫坡 單向橫坡，同路面橫坡。

e）橋梁寬度 主線橋梁采用上下行分離斷面，半幅橋?qū)挒?1.75 m（0.50 m+凈-10.75 m+0.50 m）。

f）通航標(biāo)準(zhǔn) Ⅳ級航道，通航船型尺度為：138 m（長）×11 m（寬）×2.3 m（型深）×1.4 m（設(shè)計(jì)吃水）。航道尺度為水深1.6 m，單向通航凈空50 m×8 m。設(shè)計(jì)最低通航水位131.99 m，設(shè)計(jì)最高通航水位124.36 m。

g）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 地震基本烈度值為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.1g。

h）環(huán)境類別 Ⅱ類。

3 自然條件

3.1 橋位區(qū)域工程地質(zhì)

橋址區(qū)位于松嫩沖積平原中部，呈典型的平原河谷地貌。上部地層主要為上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)河流沖洪積物，下伏為第三系上新統(tǒng)砂巖、泥巖，層序較連續(xù)、穩(wěn)定，地質(zhì)條件較簡單。

地下水對混凝土具有弱腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性；地表水對混凝土具有中腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具有弱腐蝕性。

橋址區(qū)河槽至河漫灘范圍內(nèi)飽和砂土存在地震液化現(xiàn)象，液化深度3.0～13.0 m。

3.2 水文條件

嫩江水量的補(bǔ)給以降雨、融雪為主,徑流量年內(nèi)分配過程明顯地反映出隨季節(jié)變化的特征。

橋位位于通遼—讓胡路鐵路下游230 m，距離上游河灣彎頂2.3 km，距離下游河灣彎頂1.78 km。橋址處主槽流向和河流的總趨勢一致，河道較窄、主槽流量較大，河道順直、穩(wěn)定。南岸（起點(diǎn)岸）河灘地勢較高，形成陡砍；北岸（終點(diǎn)岸）為寬灘，斷面開闊，橋位處兩岸堤距離8 100 m，屬平原區(qū)寬灘性河段。洪水期主河槽水深約17 m，河灘水深l～5 m，枯水期河灘干枯留下月形水泡、沼洼、蓄洪溝渠。設(shè)計(jì)流量：22 100 m3/s；設(shè)計(jì)水位：134.89 m。

3.3 氣象條件

大安市地屬中溫帶季風(fēng)氣候，四季分明。春季干燥多大風(fēng)；夏季炎熱、降水集中；秋季涼爽溫差大；冬季少雪、漫長寒冷。氣象資料見表1。

表1 氣象資料

3.4 地震

依據(jù)國家地震局和建設(shè)部發(fā)布的《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，吉林省地震局與吉林省建設(shè)廳編制的《吉林省地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃工作圖》，橋位處地震烈度為Ⅶ度。

《大安嫩江大橋工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》確定了橋址場地的地震動(dòng)特性，并確定了不同超越概率下對應(yīng)不同阻尼比的地震動(dòng)參數(shù)和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

4 總體設(shè)計(jì)原則

a）本項(xiàng)目為國家扶貧資金資助項(xiàng)目，橋型選擇在滿足“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理”的前提下，盡量選擇經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

b）主橋在滿足通航、防洪等功能要求的前提下，不僅要考慮施工技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)受力合理，而且要考慮結(jié)構(gòu)可修復(fù)性、可施工性、可管養(yǎng)性和可持續(xù)性。

c）重視全壽命周期成本，根據(jù)本橋跨徑不大的特點(diǎn)，主梁以預(yù)應(yīng)力混凝土材料為主，不采用后期養(yǎng)護(hù)成本較高的鋼梁方案。

d）重視環(huán)保，盡量減少對橋下及橋兩側(cè)植被的破壞，使橋梁與周圍景觀相融合；重視對沿線水環(huán)境的保護(hù)，橋梁范圍內(nèi)的排水通過設(shè)置完善的橋面徑流收集系統(tǒng)，將橋面徑流收集后沿縱向排放至兩岸橋頭設(shè)置的蒸發(fā)池，處理達(dá)標(biāo)后排放，并將蒸發(fā)池作為危險(xiǎn)品事故泄露的應(yīng)急蓄毒池；重視抗震設(shè)計(jì)，選擇抗震性能較好的橋型結(jié)構(gòu)，確保橋梁安全；重視橋梁景觀設(shè)計(jì)，并考慮施工方便和有利于后期養(yǎng)護(hù)。

上述條件是選擇適當(dāng)?shù)臉蛄航Y(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件類型的基本依據(jù)。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 上部設(shè)計(jì)

主橋上部結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土半剛構(gòu)連續(xù)箱形梁，其橋孔布置為（70＋2×120＋70）m。橫斷面為兩幅分離的單箱單室斷面，單幅箱梁全寬11.75 m，橋面橫坡由箱梁頂板自傾形成。主橋縱向設(shè)在凸形豎曲線內(nèi)，箱梁縱向?yàn)樽兘孛?；主墩墩頂箱梁梁?.00 m，跨中及邊跨支點(diǎn)箱梁梁高3.00 m，1～11號(hào)及0號(hào)塊部分箱梁梁高按1.8次拋物線變化，其余箱梁梁高為等高度；頂板、腹板厚為分段線性變截面；1～11號(hào)塊底板厚按1.8次拋物線變化，0號(hào)塊底板厚為分段線性變截面，12號(hào)塊底板為等厚。箱梁0號(hào)塊長度12.00 m，懸澆段長度52.50 m，共分12塊，每塊長度3.75 m或4.50 m，中孔合攏段長度3.00 m，邊孔合攏段長度1.50 m，邊孔支架現(xiàn)澆段長度9.92 m。箱梁除墩頂設(shè)置橫隔板外，邊孔、中孔合攏段各設(shè)一塊橫隔板。

主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束順橋向間距為75 cm。頂板橫橋向預(yù)應(yīng)力鋼束采用單端張拉，張拉端、錨固端交錯(cuò)布置，左右幅張拉端及錨固端對應(yīng)設(shè)置。

5.2 上部分析

a）主橋設(shè)計(jì)采用“橋梁博士”計(jì)算程序進(jìn)行縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)力及強(qiáng)度計(jì)算分析，并通過施工階段計(jì)算，驗(yàn)算各階段及各工況的內(nèi)力、應(yīng)力及變形。采用“Midas”計(jì)算程序?qū)Y(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行復(fù)算。主要計(jì)算參數(shù)如下：混凝土容重γ=26 kN/m3，預(yù)應(yīng)力鋼絞線孔道摩阻系數(shù)μ=0.20，孔道偏差系數(shù)k=0.001 5，錨具變形及鋼筋回縮6 mm。

b）縱向受力分析中在施工階段考慮以下荷載：恒載、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、混凝土的收縮及徐變、施工荷載；在成橋運(yùn)營階段考慮以下荷載：汽車荷載、溫度荷載、支座沉降。其中溫度荷載中計(jì)入體系升溫30℃，體系降溫55℃，主梁頂板豎向梯度溫度T1=14.0℃，T2=5.5℃。

c）計(jì)算時(shí)空氣相對濕度按70%考慮，考慮基礎(chǔ)變位2.5 cm。

d）施工階段考慮以下工況：兩側(cè)梁段混凝土重量相差1/2標(biāo)準(zhǔn)梁段重，主梁不均勻性（單T一側(cè)按理論重力的1.025，另一側(cè)按理論重力的0.975），主梁最大懸臂狀態(tài)兩側(cè)的豎向風(fēng)荷載。

e）主橋橫向分析以平面桿系理論，采用橋梁博士計(jì)算。在縱橋向橋跨跨中取1 m單位長度平面框架，活載采用橫向加載進(jìn)行橫向結(jié)構(gòu)分析。

f）本橋航道等級為四級，橫橋向船舶撞擊力為550 kN，順橋向船舶撞擊力為450 kN，船舶撞擊力遠(yuǎn)小于地震力，不控制設(shè)計(jì)。

5.3 下部設(shè)計(jì)

主引橋過渡墩設(shè)4根（1.8×1.8）m的矩形柱式墩，基礎(chǔ)為雙排直徑2.0 m鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)2.5 m厚承臺(tái)，橋墩及承臺(tái)設(shè)置破冰體。

主橋主墩為厚度2.0 m雙薄壁式墩，兩薄壁中心距7.0 m?；A(chǔ)為3排直徑2.0 m鉆孔樁，樁頂設(shè)3.0 m厚承臺(tái)，2、3號(hào)橋墩及承臺(tái)設(shè)置破冰體。

中間橋墩與主梁固接，橋臺(tái)、其他橋墩梁墩（臺(tái)）之間設(shè)置支座。為使橋墩在橫向地震作用下多個(gè)橋墩共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的地震力，橋臺(tái)、非固結(jié)橋墩設(shè)置橫橋向混凝土擋塊。

5.4 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

a）主引橋過渡墩、橋臺(tái)支座采用JQZ（Ⅰ）3.5 MN球型支座，非固結(jié)橋墩支座采用JQZ（Ⅰ）20 MN球型支座。

b）0號(hào)臺(tái)處設(shè)置KF320型單元式多向變位梳形板伸縮裝置，4號(hào)橋墩墩處設(shè)置KF400型單元式多向變位梳形板。

c）兩側(cè)均采用SA級四橫梁金屬梁柱式護(hù)欄。

6 抗震設(shè)計(jì)

橋位地區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度區(qū)，該段宏觀上具備砂土液化趨勢，大安市區(qū)有關(guān)工程地質(zhì)勘察資料表明本區(qū)可液化深度3～13 m，液化程度屬輕微—中等。

主橋?yàn)锽類非規(guī)則橋梁，E1地震作用下，采用多振型反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，結(jié)構(gòu)阻尼比5%；E2地震作用下采用非線性時(shí)程分析方法進(jìn)行抗震分析，采用瑞利阻尼，地震輸入根據(jù)地震安評結(jié)果采用一般沖刷線處反應(yīng)譜和時(shí)程。

主橋動(dòng)力特性分析采用有限元通用程序Midas Civil進(jìn)行分析。

a）主梁、橋墩均離散為空間的梁單元。

b）二期恒載采用分布質(zhì)量模擬。

c）承臺(tái)采用集中質(zhì)量進(jìn)行模擬。

d）采用承臺(tái)底6個(gè)自由度彈簧剛度模擬樁土相互作用。

e）E1反應(yīng)譜分析時(shí)固結(jié)橋墩模擬為與主梁固結(jié)，其余主墩和邊墩橫橋向與主梁鉸接，縱橋向自由滑動(dòng)。

f）E2非線性時(shí)程分析模型縱橋向固結(jié)橋墩與主梁固結(jié)，其余主墩和邊墩與主梁之間采用滑動(dòng)支座單元考慮滑動(dòng)支座的動(dòng)摩擦作用，固結(jié)墩按延性構(gòu)件考慮，采用纖維單元模擬，滑動(dòng)墩按彈性構(gòu)件考慮。

g）E2非線性時(shí)程分析模型橫橋向固結(jié)橋墩與主梁固結(jié)，其余主墩和邊墩與主梁之間以鉸接模擬擋塊作用，各橋墩均按彈性構(gòu)件設(shè)計(jì)，不考慮延性，但考慮構(gòu)件開裂后剛度折減效應(yīng)。

7 橋梁耐久性設(shè)計(jì)及措施

結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)是確保在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)營的重要保護(hù)屏障?；诮Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的新設(shè)計(jì)理念認(rèn)為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營和維護(hù)各個(gè)階段共同努力的結(jié)果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到可修性、可換性、可強(qiáng)性、可控性及可持續(xù)性，保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的服務(wù)功能。

7.1 環(huán)境類別及作用等級

根據(jù)橋梁所處的地理位置、氣候條件等因素，確定混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別主要為Ⅰ（碳化環(huán)境）、Ⅱ（凍融破壞環(huán)境）、Ⅳ（氯鹽環(huán)境）、Ⅴ1（化學(xué)腐蝕環(huán)境）。各橋梁部位采用環(huán)境類別見表2。

表2 環(huán)境類別表

7.2 混凝土耐久性指標(biāo)

混凝土的耐久性指標(biāo)指混凝土的抗裂性、護(hù)筋性、耐蝕性、抗凍性、耐磨性及抗堿-骨料反應(yīng)性等。根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、所處的環(huán)境類別及作用等級，確定耐久性指標(biāo)，見表3。

表3 耐久性指標(biāo)表

7.3 耐久性構(gòu)造措施

a）提高混凝土質(zhì)量。

b）控制氯離子含量。

c）提高橋梁防水、防凍功能。

d）橋梁伸縮裝置預(yù)留槽、護(hù)欄底座采用C50防腐蝕混凝土。

e）橋梁護(hù)欄底座、伸縮裝置預(yù)留槽混凝土表面采用異丁基三乙氧基硅烷浸漬處理。

f）上部結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土。

g）地表水及地下水化學(xué)腐蝕作用等級為Ⅴ1-D級，采取對抗的措施。

（a）承臺(tái)、墩身主筋保護(hù)層厚度采用凈5 cm。

（b）承臺(tái)、墩身采用C45混凝土。

（c）位于主河道中的2～4號(hào)橋墩在標(biāo)高131 m以下的墩身表面及承臺(tái)頂面和側(cè)面采用異丁基三乙氧基硅烷浸漬處理。

（d）主橋2～4號(hào)橋墩樁基鋼護(hù)筒作為永久鋼護(hù)筒，不予拔出。

8 結(jié)語

本文所介紹的大安嫩江大橋，其地形、通航、地質(zhì)條件相對復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震以及耐久性方面的工作，具有一定的工程參考價(jià)值。大安嫩江大橋建成后將成為吉林省西北部一道美麗的風(fēng)景。