長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)1#橋梁選型研究

劉永福

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京市　100070）

長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)1#橋梁選型研究

劉永福

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京市100070）

東北高寒山區(qū)的橋梁建設(shè)同時面臨地形、地貌、地質(zhì)復(fù)雜多變，環(huán)保、水保要求高的難題，選擇合理的橋型越來越難。結(jié)合長白山國際旅游度假區(qū)橋梁工程，根據(jù)地質(zhì)條件和城市規(guī)劃選擇橋梁類型，通過結(jié)構(gòu)受力分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終確定了的橋梁的整體設(shè)計(jì)方案。為同類橋梁選型提供較好的借鑒作用。

旅游度假區(qū)；橋梁工程；選型；研究

0　引言

近年來，隨著東北老工業(yè)基地振興的戰(zhàn)略推行，工程建設(shè)向偏遠(yuǎn)、高寒、山區(qū)等區(qū)域發(fā)展［1］。高寒山區(qū)地形、地貌條件十分復(fù)雜，地質(zhì)情況多變，環(huán)保、水保要求高，橋梁建設(shè)面臨新的問題。課題組以承接的長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)橋梁工程1#橋工程為依托，對如何根據(jù)典型地質(zhì)條件、城市建設(shè)選擇橋梁類型進(jìn)行研究，在確定橋梁選型后，又對橋梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，優(yōu)化橋梁的受力條件，將跨徑選擇、墩梁布置和溫度應(yīng)力進(jìn)行了分析，確定了橋梁的整體設(shè)計(jì)方案。

1　橋位選擇

1.1整體規(guī)劃簡介

長白山國際旅游度假區(qū)總占地21 km2，項(xiàng)目總投資230億元人民幣，是中國目前投資額最大的單體旅游地產(chǎn)項(xiàng)目。該際旅游度假區(qū)規(guī)劃為旅游新城，縣行政中心所在地，設(shè)置有行政中心、教育中心、文化中心、醫(yī)院和萬達(dá)廣場。整體規(guī)劃分為三個地塊，沿小山水庫布置。該橋跨躍小山水庫庫區(qū)，連接高檔居住區(qū)和行政中心、教育中心，屬于規(guī)劃的主要交通干道，其交通性能和景觀要求均應(yīng)滿足整體規(guī)劃需要。該國際旅游度假區(qū)交通規(guī)劃如圖1所示。

1.2擬跨河流情況

橋梁擬跨小山水庫位于松江河上游段，是一座以發(fā)電為主要任務(wù)的水利樞紐，水庫正常儲水位683 m，死水位664 m，有效庫容0.56億m3，為一個不完全年調(diào)節(jié)水庫。橋址處小山水庫坐落于一峽狹窄河谷，谷坡36°～45°，河流流向近南北向，谷底高程600 m左右，兩岸山頂高程710～720 m。

圖1　長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)交通規(guī)劃圖

1.3橋位選擇

由于規(guī)劃限制，橋位選擇以規(guī)劃線兩側(cè)各300m范圍內(nèi)調(diào)整。最終選擇在圖1所示位置，該橋位相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）橋梁長度約450 m，水面寬180 m，橋長最短；（2）橋位距主庫區(qū)350 m，受水庫行洪、儲水等影響較??；（3）橋位處坡面較緩，處于水庫回灣，施工較為便利。

2　水文與地質(zhì)情況

2.1地質(zhì)情況

橋梁位于長白山西坡，屬雞爪形山前熔巖臺地。地勢呈南高北低，逐漸向西北傾斜。橋位處河谷下部為中侏羅系安山巖，上部為第三紀(jì)末第四紀(jì)初玄武巖，玄武巖構(gòu)成了兩岸臺地。河床覆蓋層厚度為0～1.5 m，兩岸覆蓋層厚度為1～2 m。

2.2區(qū)域氣候條件

該區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度4.9～7.3℃。全年降水量600～1 340 mm，多集中于生長季節(jié)。冬季山下積雪一般7個月，平均雪厚30～50 cm，最大積雪厚度1 m左右；結(jié)凍期7～8個月，從9月中旬到次年5月，最大凍土深度達(dá)180 cm。

2.3場地地形地貌條件

擬建場地屬于某低山丘陵地貌單元，場地線路上起伏較大，地形總體上西北高，西南及沿河西端低，現(xiàn)場地主要為林地、參地及耕地。

2.4地層巖性及分布特征

橋位處地質(zhì)為5個層位，自上而下分別為：第①層種植土，層厚為0.0～0.20 m；第②層 粉質(zhì)粘土，層厚0.00～2.10 m；第③層 粉質(zhì)粘土混碎石，粒徑一般為10～30 cm，最大粒徑達(dá)2 m，層厚0.00～1.80 m；第④層 強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，局部地段氣孔發(fā)育，層厚4.20～4.90 m。第⑤層中風(fēng)化玄武巖，較破碎，層狀或塊狀結(jié)構(gòu)，最大揭露厚度為11.80 m。此層巖石單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度76.23～121.23 MPa之間。

2.5場地水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果，地下水類型為第四紀(jì)孔隙潛水，主要賦存在第四紀(jì)沉積粉質(zhì)粘土混碎石層及卵礫石層中，粘土層滲透系數(shù)較小，k=1.0 m/d，屬于弱透水層，卵礫石層滲透系數(shù)K=80 m/d，屬強(qiáng)透水層，主要受大氣降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給，水位年變幅一般在1.00～1.50 m。

3　設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)安全等級：一級；

（2）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；

（3）道路等級：城市主干路—Ш級，設(shè)計(jì)車速40 km/h；

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年限：100年；

（5）地震基本烈度：設(shè)計(jì)基本烈度6度，構(gòu)造按7度設(shè)防，橋梁抗震設(shè)防類別為A類；

（6）環(huán)境類別：Ⅰ類；

（7）通航情況：不通航。

4　橋型選擇

4.1橋梁選型分析

4.1.1橋梁選型的原則

（1）根據(jù)其地質(zhì)情況及周圍環(huán)境選擇可以發(fā)揮承載能力的橋型和橋孔布置，要滿足設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性的需求，符合安全性和適用性要求。（2）應(yīng)與某國際旅游度假區(qū)北區(qū)規(guī)劃和諧、協(xié)調(diào)。應(yīng)結(jié)合地區(qū)的條件，合理選擇橋梁的造型，讓橋梁的結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境和諧統(tǒng)一，符合美學(xué)要求［2］。（3）橋梁建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的因素，既要滿足美觀實(shí)用也要滿足預(yù)算要求，盡量做到施工方便經(jīng)濟(jì)。（4）要滿足建設(shè)單位的要求前提下，在經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀間取得最適合的權(quán)衡，同時不能偏廢任何一方面［3］。

4.1.2橋梁造型要點(diǎn)

根據(jù)擬定的橋位和橋址處的地質(zhì)、水文等情況，橋型選擇主要考慮以下要點(diǎn)：

（1）該橋位于小山水庫庫區(qū)，水深及水面寬度是由于水庫蓄水形成的，與一般天然河流的情況不同。橋位處兩側(cè)岸坡陡峭，水深28～42 m，根據(jù)橋位處地形及水深條件，橋梁基礎(chǔ)宜布置在水深較淺（6 m左右）的岸邊。橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高與水面標(biāo)高差近30 m。（2）橋址處水面寬度180 m，橋梁主跨以160～200 m左右為宜。（3）地處東北高寒地區(qū)，年度溫差極大。（4）該旅游度假區(qū)規(guī)劃為旅游小鎮(zhèn)，橋梁必須與景觀相適應(yīng)。

4.2橋型分析

根據(jù)上述橋梁選型分析，針對其主要功能以及橋梁的實(shí)用性，選定三種備選橋型：方案一，斜拉橋；方案二，混凝土拱橋；方案三，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

4.3方案比選

4.3.1指標(biāo)分析

根據(jù)上述分析，初步對三種橋型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工難度、景觀效果、工期進(jìn)行比選，斜拉橋因橋型布置時主塔太高（約150 m），設(shè)計(jì)、施工難度大，工期太長（某地區(qū)年可施工時間只有7個月），可行性低，調(diào)整成矮塔斜拉橋方案。

表1　橋梁選型方案比選表

4.3.2效果圖

根據(jù)上表，選定矮塔斜拉橋、拱橋和混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行效果設(shè)計(jì)。如圖2中各圖所示。

圖2　各類型梁橋效果圖

4.3.3橋型選定

經(jīng)過上述比選，選擇預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。主要有以下幾點(diǎn)原因：

（1）從適用性和安全性上來看，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋使用普遍，特別是該工程屬于山區(qū)，交通不便，該橋型施工方便。

（2）從工期、投資等指標(biāo)比較，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有極大的優(yōu)勢。長白山區(qū)年無霜期只有5個月，年施工時間只有6～7個月，工期指標(biāo)要求較高。

（3）高寒地區(qū)具有連續(xù)梁橋的經(jīng)驗(yàn)，2010年，吉林市九站松花江特大橋采用（75+120+75）m的連續(xù)梁橋成功通車，證明在本橋所在地質(zhì)條件及其它環(huán)境條件都能夠滿足其建設(shè)要求，其橋面變形小、動力性能好［4］。

（4）從美觀性上來看，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋相對較低，但其與環(huán)境協(xié)調(diào)、適應(yīng)，也可以通過后期的亮化工程進(jìn)行裝飾，達(dá)到預(yù)期的效果［5］。

5　橋梁的結(jié)構(gòu)確定

5.1目的

盡管選擇了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋作為設(shè)計(jì)的橋型，但采用的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)進(jìn)一步論證。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系通?？梢苑譃檫B續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋等，這些橋型在施工階段的受力狀態(tài)相似，可以采用相同的懸臂施工方法，但是他們在結(jié)構(gòu)上各有特色。

5.2結(jié)構(gòu)選擇

構(gòu)梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)、承臺結(jié)構(gòu)。由于小山水水庫河底覆蓋層較淺，承臺如果采用低承臺方案則必須進(jìn)行較深的水下爆破，因此選擇采用高樁承臺。主墩墩柱采用抗彎剛度、抗扭剛度均較高的雙肢薄壁墩。

5.3橋型布置

為節(jié)省工程造價，主墩設(shè)置在兩岸的淺水中，主跨跨徑為160 m。全橋分成兩聯(lián)，第一聯(lián)引橋?yàn)榈冉孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，第一聯(lián)主橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑布置為3×23 m+（90 m+160 m+90 m）。

5.4結(jié)構(gòu)體系受力分析

在維持主跨規(guī)模不變的前提下，對連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋進(jìn)行力學(xué)對比分析，以進(jìn)一步確定橋梁結(jié)構(gòu)。參照剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋、連續(xù)剛構(gòu)體系和連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造尺寸，分別計(jì)算在恒載、活載和溫度變化等荷載作用下，該橋梁控制截面的內(nèi)力、撓度和墩頂位移。在不同結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分析中，采用兩種內(nèi)力組合，其中組合一為自重、二期恒載、人群荷載與汽車超-20級荷載的組合：組合二為自重、二期恒載、汽車超-20級荷載及溫度變化的內(nèi)力組合。在結(jié)構(gòu)位移計(jì)算中，主要計(jì)算了兩種位移，一種是主梁最大的豎向撓度，一種是橋墩的水平位移。

計(jì)算結(jié)果表明，三種橋型結(jié)構(gòu)體系分析中，無論彎矩、剪力和軸力，總體上說，剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋比連續(xù)剛構(gòu)橋及連續(xù)梁橋要略小一些。在同等荷載組合作用下，剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的結(jié)構(gòu)位移要比連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋略小一些?？偟膩碚f，在結(jié)構(gòu)受力、使用性能等方面剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋都具有一定的優(yōu)越性。

5.5橋梁選型結(jié)論

在該橋位于高寒地區(qū)（季節(jié)溫差達(dá)到60℃）和主墩高度在20～30 m的條件下，采用連續(xù)梁設(shè)有大型支座、無法適應(yīng)山谷橫風(fēng)，而剛構(gòu)橋則因?yàn)闇囟葢?yīng)力導(dǎo)致墩頂位移和主墩根部彎矩過大，只有剛構(gòu)—連續(xù)梁組合體系，它保持了連續(xù)梁的各種優(yōu)點(diǎn)，同時由于墩梁固結(jié)，可以節(jié)省大型支座的昂貴費(fèi)用，減少墩及基礎(chǔ)的工程量，并改善了結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的受力性能，是在此條件下的最佳選擇。

6　結(jié)語

通過該次橋型選擇，盡管剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋這一新型橋梁在東北高寒地區(qū)應(yīng)用較少，但其設(shè)計(jì)理論上講已日趨成熟，施工經(jīng)驗(yàn)也較豐富，預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合體系集連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有施工簡便、造價經(jīng)濟(jì)、受力合理、行車舒適等獨(dú)特優(yōu)勢，是適合山谷施工場地的合理橋型之一。另外，與連續(xù)剛構(gòu)相比，剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋能顯著減小因溫差和收縮徐變等因素引起的應(yīng)力，具有更大的跨越能力，在東北高寒地區(qū)，具有明顯的結(jié)構(gòu)受力優(yōu)勢。

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1009-7716（2016）01-0056-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.017

2015-09-11

劉永福（1972-），男，江西瑞金人，總工程師，高級工程師，主要從事。