鄖陽漢江四橋設(shè)計(jì)方案研究

李凡雄 褚瑩瑩 任 亞

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430051)

1 設(shè)計(jì)原則

1) 橋梁跨越漢江應(yīng)該在滿足使用要求的前提下，結(jié)構(gòu)造型力求適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀，體現(xiàn)時(shí)代風(fēng)貌，反映出我國在工程建設(shè)上的新技術(shù)、新水平，同時(shí)要立足國內(nèi)，選用技術(shù)先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)合理適度、施工方便可行、養(yǎng)護(hù)維修方便、使用安全耐久的方案。

2)漢江是我國內(nèi)河的較大河流之一，又是航運(yùn)水利的重要水道，該項(xiàng)目靠近鄖陽城區(qū)，在橋型方案選擇時(shí)，除了要滿足橋梁的行車安全外，還應(yīng)保證滿足航運(yùn)、水利、防洪等諸多方面的要求。擬選橋型方案應(yīng)盡量避免或減少對航運(yùn)的影響，當(dāng)考慮的橋型方案不能一跨過江時(shí)，在進(jìn)行橋孔布置時(shí)要考慮中、枯水期及洪水期通航的要求，以及在施工期間應(yīng)具有足夠的航道水域以確保正常航運(yùn)，同時(shí)要盡量減小船舶撞擊橋墩的概率。

3)由于十堰市具有獨(dú)特的地區(qū)優(yōu)勢和豐富的旅游資源，目前漢江上已建成和在建的跨江大橋各具特色，它們既溝通了兩岸交通，又成為提升城市整體形象的靚麗風(fēng)景。本項(xiàng)目在橋型布置和結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)，既要考慮與古老的風(fēng)景名勝相襯托，又要與漢江上的數(shù)座大橋交相輝映，為十堰市增添一道新的人文景觀，同時(shí)還要考慮到大橋橋位作為一種無法再生的天然資源格外珍貴，在橋型布置和結(jié)構(gòu)選用時(shí)，在滿足使用要求、經(jīng)濟(jì)合理適度的原則下，還要重視對橋位資源的有效利用。

2 橋梁主要技術(shù)指標(biāo)

1) 道路等級：一級公路。

2) 設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

3) 設(shè)計(jì)荷載：公路-I級。

4) 車道規(guī)模：雙向4車道,橋面總寬度為26.0 m。斷面布置為中央分隔帶1.0 m+左側(cè)路緣帶0.5 m×2+行車道3.5 m×4+右側(cè)路緣帶0.5 m×2+人行道與非機(jī)動車道混合車道4.5 m×2 =26.0 m。

5) 通航標(biāo)準(zhǔn)：通航等級為III級，設(shè)計(jì)最高通航水位168.20 m(黃海高程)。

6) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

7) 環(huán)境類別：I級。

8) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級：一級。

9) 設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：百年一遇v=24.1 m/s。

3 橋型方案介紹

橋型方案除滿足各方面使用功能外，主橋橋型結(jié)構(gòu)力求技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)新穎、施工方便、使用耐久、外型美觀。結(jié)合鄖陽區(qū)域漢江橋梁建設(shè)狀況，構(gòu)思了能以大跨徑跨越江面的上承式拱橋、中承式拱橋、懸索橋?yàn)橹鳂虻?種橋梁方案進(jìn)行比選。

1) 方案一。主跨430 m上承式鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土拱橋具有塑性好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐沖擊、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，隨著高強(qiáng)復(fù)合材料加入，薄壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，轉(zhuǎn)體施工、纜索吊裝系統(tǒng)等技術(shù)成功應(yīng)用，鋼管混凝土拱橋逐漸成為大跨度橋梁理想橋型之一。

本方案采用的橋梁跨徑組合為4×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁+456 m鋼管拱混凝土拱橋+10×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，主橋計(jì)算跨徑為430 m鋼管拱混凝土拱橋，全橋長1 023.0 m，橋型布置立面見圖1。

圖1 上承式鋼管混凝土拱橋立面布置圖(單位：cm)

主橋上部為上承式鋼管混凝土桁構(gòu)式肋拱，計(jì)算跨徑430 m，計(jì)算矢跨比1/5.5，矢高78.18 m。拱肋采用鋼管混凝土主弦管和鋼管桁片組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，上下游2道拱肋平行布置，截面高度從拱頂截面中心高7.0 m變化到拱腳截面中心高14.0 m，拱肋寬度為4 m，2肋間距13 m，2條主拱肋設(shè)橫撐以加強(qiáng)其共同受力。弦管采用直徑1 200 mm×壁厚35(26)mm鋼管內(nèi)灌C60自密實(shí)無收縮混凝土，拱上立柱采用閉口鋼箱，斷面為140 cm×100 cm(內(nèi)壁加勁)、高度為2.2～65.5 m，拱上蓋梁采用整體鋼箱結(jié)構(gòu)。

拱上建筑采用跨徑24 m鋼-混組合梁，梁高2.0 m、標(biāo)準(zhǔn)寬度2.25 m，引橋采用40 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，北岸引橋?yàn)?×40 m，南岸引橋?yàn)?0×40 m。

2) 方案二。主跨450 m懸索橋。懸索橋是通過索塔懸掛并錨固于兩岸的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。懸索橋主梁結(jié)構(gòu)輕盈，主塔外形變化較多，在各種體系橋梁中的跨越能力最大。

本方案采用的橋梁跨徑組合為30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁+450 m懸索橋+7×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，全橋長為702.0 m，橋型布置立面見圖2。

圖2 鋼-混組合梁懸索橋立面布置圖(單位：cm)

主橋?yàn)榭缍?50 m的單跨雙鉸懸索橋，主梁采用鋼-混組合梁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長8.5 m，梁全寬為27.4 m，高2.2 m。兩岸錨碇均采用重力式，主體部分采用C25鋼筋混凝土，預(yù)應(yīng)力操作室待預(yù)應(yīng)力張拉完畢并灌漿后用片石混凝土封填。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS), 吊索為擠包護(hù)層扭絞型拉索，縱向間距8.5 m，每處吊點(diǎn)設(shè)置1根吊索。

主塔為門式框架結(jié)構(gòu),材料為C50鋼筋混凝土。主塔中部和上部分別設(shè)矩形下橫梁和上橫梁,主塔上部設(shè)有弧形裝飾罩。塔柱由底部到頂部為直立等截面,縱向6.0 m、橫向4.0 m,塔柱高度85.2 m。

塔柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),橫梁按預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。主塔采用分離式基礎(chǔ)，每個(gè)塔柱下設(shè)9根直徑2.2 m的樁基礎(chǔ)。

3) 方案三。主跨430 m中承式鋼管混凝土拱橋。本方案采用的橋梁跨徑組合為：30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁+450 m鋼管拱混凝土拱橋+7×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，主橋計(jì)算跨徑為430 m鋼管拱混凝土拱橋，全橋長為702 m，橋型布置立面見圖3。

圖3 中承式鋼管混凝土拱橋(單位：cm)

主橋上部為中承式鋼管混凝土桁構(gòu)式肋拱，計(jì)算跨徑430 m，凈矢跨比1/4，凈矢高107.5 m。拱肋采用鋼管混凝土主弦管和鋼管桁片組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，上下游2道拱肋平行布置，截面高度從拱頂7.0 m變化到拱腳14.0 m，拱肋寬度為2.92 m，兩肋間距26.7 m，2條主拱肋設(shè)橫撐以加強(qiáng)其共同受力，弦管采用直徑1 220 mm×壁厚35 mm鋼管內(nèi)灌C50自密實(shí)無收縮混凝土。

拱上立柱采用直徑920 mm×壁厚12 mm的雙柱鋼管混凝土排架，拱上吊桿采用平行鋼絲冷鑄錨，橫梁為組合截面梁，橋面為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土π形連續(xù)梁，全橋吊桿和立柱間距均為12 m。

4 橋型方案比選

總體原則[1-2]。城市橋梁除了滿足交通功能外，設(shè)計(jì)方案還應(yīng)綜合考慮十堰市及武當(dāng)山的地域特色、自然景觀和人文環(huán)境，讓橋梁成為裝扮城市的建筑藝術(shù)品，甚至成為一座城市的文化標(biāo)志和象征。

1) 橋位環(huán)境。橋位處江面開闊，大橋橋型將成為江中景觀的主體，因此橋型體量不宜太低矮和單薄，同時(shí)隨著濱江新區(qū)的逐步開發(fā)，要考慮到大橋的造型與南北岸臨江區(qū)域的遠(yuǎn)期現(xiàn)代建筑相協(xié)調(diào)。對比上述3種橋型，上承式拱橋整體雄偉壯觀，略微裝飾后，將具有更好的夜色景觀效果，與周邊的環(huán)境最為協(xié)調(diào)一致。

2) 地域人文特色。十堰是鄂西生態(tài)文化旅游圈的核心城市，“武當(dāng)山”“丹江水”“汽車城”3張世界級名片閃耀全球。十堰的特色是青山綠水，武當(dāng)文化厚重道遠(yuǎn)，上承式拱橋猶如一道飛虹跨越漢江，遠(yuǎn)觀如旭日在江面冉冉升起，代表著十堰人民的勃勃生氣，使之融景觀性、象征性、文化性和統(tǒng)一性于一體，創(chuàng)造出屬于十堰地域特色的橋梁景觀。

3) 橋梁文化。隨著十堰城市建設(shè)的發(fā)展，目前市區(qū)已建成的橋梁共有5座，具體概況見表1。

表1 十堰市區(qū)橋梁一覽表

從表1可以看出，市區(qū)漢江上橋型較為豐富，本項(xiàng)目如果采用上承式鋼管混凝土拱橋，不僅能完善十堰市區(qū)的過江橋庫，同時(shí)橋型古典與現(xiàn)代的結(jié)合更能體現(xiàn)城市銳意進(jìn)取，開拓創(chuàng)新的精神。

以下將從結(jié)構(gòu)形式、施工難度、造價(jià)等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對3種橋型進(jìn)行綜合比較，具體內(nèi)容見表2。

表2 主橋橋型方案綜合比較表

以上通過對3種橋型的各種比選因素進(jìn)行詳細(xì)介紹和定性分析，隨后基于模糊數(shù)學(xué)理論[3-4]對3種橋型進(jìn)行定量的分析評價(jià)。

4.1 方案評價(jià)過程及結(jié)論

1) 確定評價(jià)指標(biāo)項(xiàng)。

①橋位環(huán)境、人文、景觀；②施工技術(shù)難度；③工程造價(jià)；④后期養(yǎng)護(hù)管理。建立綜合因素集合U={u1,u2,u3,u4}。

2) 確定評價(jià)等級。橋型方案比選模型的等級集合為V={v1,v2,v3,v4}。分別對應(yīng):好,較好,一般,差。

3) 建立隸屬度矩陣。由5位專家和15位普通市民組成的評審團(tuán)對橋型方案各自作出評價(jià)后,進(jìn)行歸一化處理,從而得到隸屬度矩陣R。

4) 確定U中各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。由5位專家確定的原始權(quán)重矩陣為

從原始權(quán)重矩陣可以看出，專家對橋位環(huán)境、人文、景觀和工程造價(jià)2個(gè)方面比較重視。

5) 計(jì)算U的綜合模糊評價(jià)矩陣。利用K=AR公式計(jì)算并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后得出結(jié)果如下。

方案一。K1={0.423,0.395,0.169,0.023}。

方案二。K2={0.342,0.378,0.164,0.126}。

方案三。K3={0.425,0.345,0.141,0.109}。

6) 分析評價(jià)結(jié)果。分值向量集合賦值為S=[s1,s2,…,sn]=[100,85,60,30]，即分別對應(yīng):好100分,較好85分,一般60分,差30分。

則3個(gè)橋型方案得分結(jié)果如下：E1=86.7 ，E2=79.9 ，E3=83.6。

可以看出方案一的上承式鋼管混凝土拱橋方案最優(yōu)。

5 結(jié)語

從橋位環(huán)境、橋梁文化、人文等方面及結(jié)構(gòu)形式、施工難度、工程造價(jià)等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，認(rèn)為上承式拱橋是鄖陽漢江四橋的最理想橋型。通過聘請5位橋梁專家和隨機(jī)抽取15位市民組成評審團(tuán)對3種橋型打分推薦，并采用模糊數(shù)學(xué)理論對3種橋型進(jìn)行定量分析評價(jià)，其結(jié)果與推薦的橋型方案一致。最終確定本項(xiàng)目采用主跨430 m上承式拱橋方案。

鄖陽漢江四橋采用主跨430 m上承式拱橋方案得到了相關(guān)方案評審專家的認(rèn)可，下階段將在更詳實(shí)的水文、地質(zhì)、地形等資料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化此橋梁方案。