巴溪洲湘江橋結構設計特點

饒海庚　華　波　朱安靜

(中國市政工程西北設計研究院有限公司　武漢　430056)

巴溪洲湘江橋結構設計特點

饒海庚華波朱安靜

(中國市政工程西北設計研究院有限公司武漢430056)

摘要飛燕式拱橋的結構受力十分復雜。以巴溪洲湘江橋為背景，對系桿拱和推力拱結構體系進行了研究比選，并設計了一系列的構造措施。實踐證明，推力拱結構體系在該橋的應用取得良好的效果，設計采取的構造措施有效可靠，為飛燕式拱橋的結構設計提供了新的思路。

關鍵詞飛燕式拱橋推力拱

1工程概況

巴溪洲湘江橋跨越湘江副河汊，河道寬約300 m，是長沙市巴溪洲水上公園與市區(qū)聯(lián)系的唯一通道。

1.1　主要技術標準

(1) 道路等級：城市支路。

(2) 荷載等級：城-B級。

(3) 設計使用年限：100年。

(4) 結構安全等級：一級。

(5) 橋面寬度：橋寬9.5 m，雙向2車道。

1.2　橋位地質情況

從樁頂往下土層依次為：強風化泥質粉砂巖，層厚2～2.5 m；中風化泥質粉砂巖，飽和單軸抗壓強度2.5 MPa，層厚30～35 m；微風化泥質粉砂巖，飽和單軸抗壓強度4.0 MPa，屬極軟巖。

經過對多種橋型方案的比選論證后，選用飛燕式鋼箱提籃拱橋型，孔跨布置為50 m+180 m+50 m，見圖 1，外觀效果見圖 2。

圖1　橋型立面布置圖(單位：m)

圖2　橋梁外觀效果

2結構體系方案及比選

飛燕式拱橋是拱橋中富有特色的一種橋型。此類橋型的結構設計關鍵在于采取有效可靠的構造措施，平衡主拱推力。結構體系分為系桿拱與推力拱2種方案。

我國已建飛燕式拱橋一般采用系桿拱體系, 見表 1。

表1　我國已建成的飛燕式拱橋實例

根據該橋地質條件，樁側土換算地基比例系數m值可達30 000～50 000 kN/m4，水平抗力系數較高，推力拱結構體系可能是更合理的選擇，因此設計對系桿拱與推力拱系進行了研究比較。

2.1　系桿拱結構體系方案

系桿拱體系主要由主跨、邊跨、主拱墩、縱向系桿4大部分組成(見圖 3,圖 4)，四位一體，相互影響，相互依存[1]，通過張拉錨固于邊跨端部的系桿索來平衡主跨拱肋水平推力，可有效地降低下部結構及基礎的工程量和造價。

圖3　系桿拱體系結構總體布置(單位：m)

圖4　系桿拱體系橫斷面圖(單位：m)

主跨上拱肋采用鋼箱拱，下拱肋和邊跨拱肋采用混凝土拱。全橋共設6根可換索式系桿，規(guī)格為43股Φs15.2無粘結高強低松弛鋼絞線拉索，單個主拱墩基礎采用6根直徑1.8 m灌注樁。

2.2　推力拱結構體系方案

推力拱體系是通過加強主拱墩基礎的抗推能力，來抵抗主跨拱肋的推力效應，相對系桿拱來說需增加基礎工程量，但省去了縱向系桿索。該橋推力拱體系結構總體布置見圖 5。

圖5　推力拱體系結構總體布置(單位：m)

與系桿拱相比，主拱墩基礎采用6根φ3.0 m的大直徑灌注樁，其余構造基本相同。

2.3　結構體系比選

2種結構體系方案，橋型外觀相同，但在結構受力性能、安全性風險、主體工程量、建安費、橋梁全壽命周期成本等方面存在一定的差異。

(1) 結構受力性能及安全性風險比較。推力拱體系由樁基承受拱腳推力，結構受力相對簡單可靠。

系桿拱體系由系桿與樁基共同承受拱肋推力，系桿承擔了絕大部分水平推力，是全橋的生命線。系桿索在施工期間張拉時序的控制和后期更換過程的控制，都要求每一步將拉力控制得恰到好處，過大、過小都會給結構帶來一定損傷，嚴重時還會危機橋梁安全。運營期間，若系桿因銹蝕而斷裂，也將影響橋梁安全。因此系桿拱結構受力更復雜，且增加了較大的安全性風險。

(2) 主體工程量及建安費比較。2種體系工程數量差異主要表現(xiàn)在主墩基礎、系桿索方面。系桿拱方案工程建安費4 530萬元(其中系桿索建安費約250萬元)，推力拱方案工程建安費為4 650萬元，僅比系桿拱方案增加120萬元。工程量比較見表 2。

表2　工程量比較表

(3) 橋梁全壽命周期成本。橋梁全壽命周期成本包括從規(guī)劃、設計、施工、運營和最后拆除整個生命周期內各個環(huán)節(jié)所需的一切費用，與新建成本相比，它還需考慮運營期的養(yǎng)護費用和拆除回收期的費用[2]。目前，基于全壽命觀點的規(guī)劃與設計理念，開始逐步引起各行業(yè)的重視。

運營期間，2種方案的鋼箱拱和吊桿均需定期維護，而系桿拱方案另外增加了系桿的維護、更換費用。系桿必須定期和不定期檢查養(yǎng)護，且使用一定年限后，根據損傷、腐蝕及斷絲狀況，需考慮更換，如廣東佛陳大橋運營5年多，就發(fā)現(xiàn)系桿銹蝕嚴重，承載力下降10%，加固時更換了部分系桿索[3]。經估算，系桿索后期更換及養(yǎng)護的預期費用約2 000萬元，顯然，系桿拱體系方案的全壽命周期成本高于推力拱體系方案。

經過上述綜合比較，最終采用推力拱結構體系方案。

3關鍵性構造措施及施工方案

全橋結構總體布置見圖 5，主跨上拱肋采用鋼箱提籃拱，下拱肋及邊跨拱肋采用鋼筋混凝土拱，主跨主梁采用預制空心板結構、邊跨主梁采用預應力混凝土梁，吊索采用HDPE護套平行鋼絲成品索，基礎采用灌注樁基礎。

3.1　混凝土剛架構造

推力拱體系除了加強基礎的抗推能力外，還應采取有效可靠的構造措施，以改善混凝土拱肋等構件的受力狀態(tài)。設計將主跨下拱肋、邊跨拱肋、主拱墩、邊跨橋面主梁連接成為整體混凝土剛架?；炷羷偧苁潜緲虻年P鍵性構造措施，主要起到了2方面的重要作用。

(1) 改善了混凝土拱肋的受力狀態(tài)。在沒有系桿索的拉力時，邊跨拱肋的拱腳負彎矩和拱頂附近的正彎矩將急劇增大，主跨拱腳處的負彎矩也有較明顯的增大。

設置混凝土剛架后，主梁與拱肋相互作用，形成三角撐拉桿受力體系，拱肋為撐桿，橋面主梁為拉桿，在拉桿內配置縱向預應力鋼束，以滿足受拉需求。撐拉桿體系的形成，有效地減少了混凝土拱肋的彎矩效應，從而改善了拱肋受力狀態(tài)。此時，混凝土剛架結構的彎矩效應見圖 6。

圖6　剛架彎矩包絡圖 (單位：MPa)

(2) 提高了結構的整體受力性能。剛架內部各構件相互作用，相互依存,形成有機的整體，共同承受主跨上拱肋的推力效應，對結構的整體性能產生了積極的效果。

3.2　大直徑樁基

采用推力拱結構體系，主墩基礎承受的水平推力較大，單個主墩約22 000 kN。樁基直徑的選用，對基礎抗推能力、工程造價及施工影響較大。一般而言，采用大直徑樁抗推，可取得更好的經濟效應，但是最大直徑的選擇需結合施工工藝水平，根據國內大直徑樁實際應用情況，最大樁徑不宜大于3.0 m。

為了更加經濟、合理地確定樁徑方案，設計對直徑3.0，2.5，2.0 m 3種樁徑方案進行了經濟性比較，見表 3。

表3　樁徑方案比較表(單個主墩)

經比較，直徑3.0 m樁徑方案具有較好的經濟效應，抗推效果好。根據調查，在國內，類似地質條件，樁徑達3.0 m的大直徑樁成功案例較多(如荊岳長江公路大橋[4]、寧波大榭島大橋、湖北鄂黃長江大橋、安慶長江公路大橋[5]等。 成孔方式可選用卷揚機吊十字沖錘沖擊成孔，或KTY3000A型回旋鉆機成孔等，因此設計最終選擇直徑3.0 m大直徑樁基方案。

3.3　拱肋鋼混結合段

主跨上、下拱肋分別采用鋼箱拱、混凝土拱，合理的鋼混結合段構造可有效解決上、下拱肋的傳力問題，連接方案一般有預應力錨桿加剪力釘形式，PBL剪力鍵形式等。

該橋拱肋鋼、混交接截面內力狀態(tài)為：最大軸力11 956 kN,最小軸力11 070 kN,最大彎矩9 800 kN·m，最大剪力1 008 kN。根據受力特點，

采用預應力錨桿加PBL剪力鍵連接形式，見圖 7。以預應力錨桿為主，有效提供抗彎能力；以PBL剪力鍵為輔，起傳遞剪力作用，并作為抗彎的安全儲備，同時有助于鋼拱肋起拱段的施工定位。

圖7　鋼混結合段構造圖 (單位：MPa)

3.4　施工方案

邊跨混凝土剛架位于河道的灘涂地，采用支架現(xiàn)澆施工。

主跨橋面距離河床面高度達20 m，拱頂距離橋面高度約30 m，支架施工難度太大，且難以保證安全，同時考慮到施工期間環(huán)保、通航等要求，最終主跨鋼拱肋及橋面系選擇纜索吊裝施工方案，見圖 8。

圖8　施工現(xiàn)場照片

4結語

巴溪洲湘江橋已經建成通車，目前運營狀態(tài)良好，該橋采用的結構體系及構造措施已成功地應用于實體工程，為今后類似橋梁的結構設計提供了可借鑒的經驗。

參考文獻

[1]鄭懷穎，陳寶春.飛鳥式鋼管混凝土拱橋設計計算分析[J].公路交通科技,2007(1)：90-94.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社,2007.

[3]鄭強，孫國安.佛陳大橋缺陷原因分析及加固[J].中國鐵道科學,2000(4)：21-29.

[4]丁望星，姜友生.荊岳長江公路大橋設計[J].橋梁建設,2011(4)：57-61.

[5]王仕豪.KTY3000A型動力頭鉆機在大直徑樁孔施工中的應用[J].橋梁建設,2003(S1)：79-82.

The Structure Design Features of Baxizhou Xiangjiang River Bridge

RaoHaigeng,HuaBo,ZhuAnjing

(Wuhan Branch，Northwest Design and Research Institute Co.，Ltd.，of China Municipal Engineering，Wuhan 430056， China)

Abstract：The mechanical property of flying swallow type arch bridge is complex. Taking Baxizhou Xiangjiang River Bridge as the research object, the tied arch and thrust arch structure system are researched and compared in the article. A series of structural measures are designed. The practices show that, thrust arch structure system in the application of the bridge is efficient and the structural measures are effective and reliable. The paper provides new method for the design of flying swallow type arch bridge.

Key words:flying swallow type; arch bridge; thrust arch structure

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.012