跨海河復(fù)線橋設(shè)計(jì)方案比選研究

□文/李 婕 鮑 春 楊愷敏

1 工程概況

橋梁工程位于連接天津港和京津塘二線的一條高速公路上，為該跨海河橋，具有美觀要求高、橋梁跨度大以及施工難度較高等特點(diǎn)。

現(xiàn)狀橋位處已建有一座橋位于海河入海口處，新港船閘和防潮閘內(nèi)側(cè)。橋?qū)?3 m，為雙向四車道，起點(diǎn)位于海河南岸，終點(diǎn)止于新港二號路，與城區(qū)段高架橋相接，全長2 030 m。其中跨越海河主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310 m，具體跨徑布置為46 m+3×48 m+310 m，主橋全長500 m，兩側(cè)引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力T梁。

鑒于現(xiàn)狀跨海河大橋的橋梁寬度較窄，車道數(shù)少，無法滿足使用要求，需要進(jìn)行改擴(kuò)建。該橋自通車以來，已經(jīng)安全運(yùn)行了6 a左右，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，與擬建項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)一致，因此將充分利用現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)，將其作為半幅橋梁使用，在現(xiàn)狀橋梁的一側(cè)新建一座大橋作為另一半幅。

2 設(shè)計(jì)原則與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)原則

跨河通道橋梁建設(shè)方案除滿足實(shí)際的使用和景觀要求外，還應(yīng)處理好過河通道與航道的關(guān)系并注意對周圍環(huán)境的保護(hù)[1]。

由于現(xiàn)狀海河大橋已經(jīng)成為天津的門戶標(biāo)志，而新建大橋與之相鄰，兩橋軸線距離很近，兩座橋梁在景觀上的協(xié)調(diào)問題不容忽視[2]。

因此制定了以下設(shè)計(jì)原則：

1）新建橋梁要安全可靠，盡量采用成熟的技術(shù)，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；

2）降低對現(xiàn)有交通的干擾，同時(shí)要不損害原有橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能；

3）橋梁布置要滿足景觀要求，盡可能做到與原橋協(xié)調(diào)、統(tǒng)一；

4）盡量節(jié)約投資，降低工程造價(jià)。

2.2 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

1）通航標(biāo)準(zhǔn)。原則上同現(xiàn)狀海河大橋，即滿足規(guī)劃小萬噸級船舶通行，具體通航凈空：最高通航水位2.50 m（大沽水準(zhǔn)），通航孔凈寬≥160.0 m，通航孔凈高≥37.0 m。

2）設(shè)計(jì)洪水頻率1/300。

3）設(shè)計(jì)時(shí)速 80 km/h。4）設(shè)計(jì)荷載：車輛荷載公路I級，無人群荷載。5）抗震等級：基本烈度7度；設(shè)計(jì)烈度8度。

3 主橋方案設(shè)計(jì)

新建跨海河橋作為海河入海口的標(biāo)志性建筑，其景觀要求尤為突出；同時(shí)考慮跨河橋梁的安全、工期、經(jīng)濟(jì)等綜合因素，提出了4種橋梁方案。

3.1 方案一

新橋、原橋?qū)ΨQ布置方案。本方案新橋結(jié)構(gòu)與原橋基本相同，采用主塔位置對稱布置的單塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為310 m+2×50 m+3×40 m，主梁高3 m，全橋共設(shè)36對斜拉索。新舊橋主橋中心距35 m，橋面凈距12 m。見圖1。

3.1.1 主梁

全橋主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，即主跨310 m大部分采用鋼梁，全部邊跨以及主跨靠近主塔10 m長度范圍內(nèi)梁段采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)，梁高均為3 m。

圖1 方案一

1）鋼箱梁部分。鋼箱梁段投影總長300 m，縱橋向共分為20個(gè)節(jié)段。標(biāo)準(zhǔn)段長16 m，與索距相同。鋼梁大部分梁段處于5 000 m半徑的豎曲線上，距主塔中心10 m處為鋼梁與混凝土梁的混合接頭。

鋼箱梁采用單箱三室的扁平流線形斷面形式，全寬23.3 m（含風(fēng)嘴），梁高3.0 m，高跨比為1/103，寬高比為1/7.3。

鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚16 mm，底板厚為14 mm，拉索錨箱位置局部加厚至30 mm。橋面板縱向采用U肋加強(qiáng)，U肋厚8 mm，U肋開口寬300 mm、高300 mm、底寬184 mm。

靠近混凝土梁結(jié)合段11 m長度范圍內(nèi)頂板加厚至18 mm，底板加厚至16 mm，腹板加厚至16 mm。

2）混凝土箱梁部分。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用與鋼梁外形一致的單箱五室斷面形式。梁高3.0 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.3 m，支點(diǎn)處腹板厚度0.7 m，跨中腹板厚度0.5 m，在支點(diǎn)附近線性變化?？缰袡M梁間距根據(jù)拉索間距不同而有所不同，其間距在4～5.1 m。

3.1.2 主塔

主塔造型與原橋一致，為“鉆石”型。直接坐落在承臺頂面上，塔座以上全高為164.798 m，橋面以上為126.365 m。主塔由塔靴、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁及上橫梁組成。

1）上、下橫梁部分。下橫梁位于主梁下，在下、中塔柱的轉(zhuǎn)折處，高6.0 m，單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板厚80 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm。橫梁跨間設(shè)置兩道中橫梁板，板厚60 cm。上橫梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，橫梁高5.0 m，頂板厚80 cm，底板厚80 cm。

2）主塔塔柱部分。下塔柱順橋向?qū)?.0 m，壁厚1.2 m；橫橋向?qū)挒?.7～6.8 m，橫橋向壁厚1.2 m。上塔柱和中塔柱順橋向?qū)?.0～8.0 m，從塔頂線性過度到下橫梁頂面位置。上塔柱順橋向壁厚1.5 m，中塔柱順橋向壁厚0.8 m。上塔柱和中塔柱橫橋向?qū)?.0～4.0 m，從塔頂線性過度到下橫梁頂面位置。上塔柱和中塔柱橫橋向?qū)捑鶠?.6 m。

3.1.3 斜拉索

采用空間扇形布置，共37對、74根，設(shè)計(jì)安全系數(shù)2.5。索面豎直方向在主塔上交點(diǎn)間距為1.5～2.5 m，在橫橋方向上斜拉索錨點(diǎn)位于塔壁中心線。

主梁上主跨側(cè)的水平方向索距為16 m，橫橋向斜拉索錨點(diǎn)距道路中心線10.719 m，豎直方向斜拉索錨固點(diǎn)距梁頂（最高點(diǎn)）1 m，斜拉索通過鋼錨箱與梁體連接。

3.2 方案二

新橋采用與原橋結(jié)構(gòu)一致、位置平行的單塔雙索面斜拉橋，跨徑布置與原橋完全相同。主梁梁高3 m，全橋設(shè)斜拉索36對。主橋中心距47.75 m，橋面凈距24.75 m。主梁、主塔尺寸以及斜拉索布置與方案一相同。見圖2。

3.3 方案三

采用大跨徑的單塔雙索面斜拉橋，縱向橋塔和橋墩錯(cuò)墩布置，跨徑布置為47 m+48 m+47 m+72 m+420 m。主梁梁高3 m，設(shè)斜拉索40對，新舊橋主橋中心距35 m，橋面凈距12m。主梁尺寸與方案一相同。見圖3。

圖2 方案二

圖3 方案三

3.3.1 主塔

主塔造型與原橋一致，為“鉆石”型。直接坐落在承臺頂面上，塔座以上全高為207 m，橋面以上為166 m。主塔由塔靴、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁及上橫梁組成。

下橫梁位于主梁下，在下、中塔柱的轉(zhuǎn)折處，高6.0 m，下橫梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板厚80 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm，橫梁跨間設(shè)置兩道中橫梁板，板厚60 cm。上橫梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，橫梁高5.0 m，頂板厚80 cm，底板厚80 cm。

3.3.2 斜拉索

采用空間扇形布置，共40對、80根，斜設(shè)計(jì)安全系數(shù)2.5。索面豎直方向在主塔上交點(diǎn)間距為1.5～2.5 m，在橫橋方向上斜拉索錨點(diǎn)位于塔壁中心線。

主梁上主跨側(cè)的水平方向索距為20 m，橫橋向斜拉索錨點(diǎn)距道路中心線10.719 m，豎直方向斜拉索錨固點(diǎn)距梁頂（最高點(diǎn)）1 m，斜拉索通過鋼錨箱與梁體連接。

3.4 方案四

新橋采用大跨徑的中承式拱橋，縱向拱橋基礎(chǔ)和現(xiàn)狀橋橋墩錯(cuò)墩布置，跨徑布置100 m+450 m+100 m，主橋中心距38 m，橋面凈距15 m。主梁尺寸與方案一相同。見圖4。

1）拱肋。主拱肋跨度450 m，矢高為97.3 m，矢跨比0.216 2。

拱肋采用鋼結(jié)構(gòu)形式，單箱單室矩形斷面，橫橋向?qū)挾?.0～5.0 m，高度3.0～6.3 m；鋼箱頂?shù)装搴透拱搴?6～35 mm，縱向采用I型加勁肋，加勁板高140 mm，厚12～20 mm。

圖4 方案四

主拱設(shè)置11道橫撐，斷面為單箱單室正方形斷面，邊長3.0～4.7 m，四周板厚16 mm，縱向采用I型加勁肋，加勁板高140 mm，厚12 mm。

2）吊桿。順橋向間距10 m，主拱27對吊桿，全橋共計(jì)54根吊桿。索體采用環(huán)氧涂層鋼絲雙層HDPE的防腐索體，鋼絲強(qiáng)度等級1 670 MPa，直徑5.0 mm。吊桿兩端均采用叉耳式冷鑄錨，固定端布置在鋼拱位置，張拉端設(shè)在主梁上。

4 方案比選

綜合考慮跨海河橋的觀景要求、施工難度、工期和造價(jià)等因素對四個(gè)方案進(jìn)行比選研究。

方案一：結(jié)構(gòu)基本統(tǒng)一，新橋與原橋主塔對稱布置、橋墩對齊布置，景觀效果較好；橋塔對稱布置，利于節(jié)約下部基礎(chǔ)用地面積，節(jié)約工程造價(jià)。

方案二：結(jié)構(gòu)完全統(tǒng)一，整體景觀效果好，對橋下交通影響較小；但橋塔布置在同一位置，由于結(jié)構(gòu)布置的要求，橫向間距比方案一增加了12.75 m，需要增加工程用地面積大，工程造價(jià)較高。

方案三：主跨跨徑較大，新橋與原橋橋塔錯(cuò)開布置，工程占地面積較小；但結(jié)構(gòu)形式不完全統(tǒng)一，拉索的位置與傾斜角度均不相同。

方案四：提籃式拱橋主跨跨徑較大，對橋下交通影響較?。坏虏炕A(chǔ)寬度很大，須采用錯(cuò)墩布置，同時(shí)拱橋的基礎(chǔ)較高，對景觀有所損害；天津地區(qū)地質(zhì)條件差，對需要承受一定水平推力的拱橋基礎(chǔ)施工難度較大，同時(shí)施工周期較長。

從橋梁美學(xué)來看，要求橋梁結(jié)構(gòu)物與橋位處的自然景觀和附近的建筑物達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一[3]。方案一與方案二均能較好地與既有橋梁保證結(jié)構(gòu)造型的一致性，從而滿足景觀要求；而方案三與方案四，由于結(jié)構(gòu)形式的差異，與既有橋梁形成視覺上的沖突，景觀效果較為一般。

從施工速度與施工難度來看，方案一與方案二與既有橋的結(jié)構(gòu)形式一致，施工的速度與難度都能得到較好的控制。方案三涉及水中作業(yè)，施工難度稍大。方案四采用大跨拱橋結(jié)構(gòu)，此類橋梁施工難度大周期長。從對工程用地和周邊交通及環(huán)境等影響來看，方案一與方案三涉及到的拆遷面積小。方案二與方案四由于與既有橋的中心距較大，會(huì)造成拆遷面積加大。四個(gè)方案對交通及環(huán)境影響均在可接受范圍內(nèi)。

從橋梁自身建設(shè)成本及周邊拆改費(fèi)用來看，方案一相對造價(jià)最低，其次是方案二，方案三和方案四造價(jià)較高。

5 結(jié)論

本工程位于塘沽城區(qū)，屬于城市橋梁的一部分，因此在橋梁方案設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)應(yīng)著重考慮美學(xué)因素；但是這里需要把握一個(gè)適當(dāng)?shù)某叨取Ｃ赖臉虿⒉皇峭ㄟ^奇特的造型和高昂的造價(jià)實(shí)現(xiàn)的，橋梁的美主要應(yīng)該通過尋找結(jié)構(gòu)的比例、平衡與和諧，趨向合理的受力性能、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)和方便的施工獲得的，這些原則在四個(gè)方案中都有一定的體現(xiàn)，但是這種考慮是基于結(jié)構(gòu)受力合理，建造工藝可行為基礎(chǔ)的，同時(shí)力求經(jīng)濟(jì)合理、拆遷面積小，將對環(huán)境的影響，施工的難易程度，施工速度等因素納入了比較，是比較全面和合理的。經(jīng)過綜合比選研究，將方案一作為推薦方案。