新草灘渭河特大橋的橋型設(shè)計(jì)方案

賴 波，王 技

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

西安草灘渭河大橋原設(shè)計(jì)荷載等級為汽車－20級、掛車－100，功能轉(zhuǎn)換為市政道路后，實(shí)際運(yùn)營荷載遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載，存在安全隱患，且經(jīng)技術(shù)狀況綜合評定，該橋按照單個(gè)部件控制評價(jià)屬于C類橋梁。

橋梁目前寬度為26.5m，南岸市政化改造實(shí)施寬度為60m，橋頭及橋上交通經(jīng)常發(fā)生擁堵，且受原橋跨徑和防洪需求限制，本橋無法兩側(cè)擴(kuò)建。隨著西銅路城市段市政化改造工程的實(shí)施，本橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不能滿足通行需求，已成為西安北出口的交通瓶頸。

因此，新草灘渭河特大橋的建設(shè)對推進(jìn)西銅路城市段市政化改造具有十分重要的意義，同時(shí)也有利于消除通行安全隱患和本河段防洪、河勢變化帶來的不利影響。

1 設(shè)計(jì)原則

新建草灘渭河特大橋基于橋梁所處的城市環(huán)境、地形、地質(zhì)、水文、施工特點(diǎn)和使用要求等因素，總體設(shè)計(jì)遵循以下原則。

（1）設(shè)計(jì)方案應(yīng)符合西銅路城市段市政化改造的要求，以保障功能和安全為前提，控制建設(shè)規(guī)模；嚴(yán)格執(zhí)行“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、耐久適用、美觀協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境保護(hù)”的設(shè)計(jì)原則。

（2）本橋作為西安的北大門標(biāo)志性建筑，應(yīng)充分重視橋梁景觀設(shè)計(jì)，力求造型簡潔、美觀，總體上與周圍建筑、環(huán)境協(xié)調(diào)，以體現(xiàn)區(qū)域人文歷史特色。

（3）設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分吸取國內(nèi)外已建橋梁的新理念、新材料、新工藝和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)成果；橋梁所采用的結(jié)構(gòu)形式和材料需充分考慮橋梁施工的可行性、結(jié)構(gòu)的耐久性和維護(hù)的便利性［1－3］。

（4）應(yīng)充分考慮城市橋梁的保通需求，在橋梁的設(shè)計(jì)施工過程中，考慮采用左右幅同時(shí)施工、車輛借道繞行的方式，達(dá)到既保證兩岸交通，又確保橋梁建設(shè)順利、快速建成的目的，同時(shí)將對人們?nèi)粘３鲂械挠绊懡抵磷畹停?－5］。

2 橋型控制因素

2.1 城市地標(biāo)性建筑和西安發(fā)展定位的需求

本橋所處渭河河段上下游橋梁眾多，但橋型結(jié)構(gòu)較為常規(guī)。本橋作為城市干道連接渭河兩岸，西銅路城市段市政化改造后，對橋梁景觀有更高的要求。

作為城市的標(biāo)志性建筑，要起到為城市增色的效果；橋梁位于渭河生態(tài)帶建設(shè)范圍內(nèi)，自然環(huán)境優(yōu)美，建成后將成為西安城北社會經(jīng)濟(jì)、文化交流的重要紐帶。

2.2 河道管理規(guī)定

按照《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱“審查標(biāo)準(zhǔn)”）要求，渭河橋梁不同河段的容許橋梁間距按規(guī)定（表1）控制。

表1 不同河段的容許橋梁間距

本河段要求容許橋梁間距不小于4km，在上下游4km范圍內(nèi)有多座橋梁形成城市橋群，橋群阻水嚴(yán)重，需考慮增大跨徑，減少橋群效應(yīng)對河道防洪的影響。

2.3 河段防洪需求

新西銅高速草灘渭河特大橋的孔跨布置在黃河水利委員會審批時(shí)，要求對西銅一級公路草灘橋?qū)嵭写罂鐝礁脑?。本橋?×178m的孔跨布置改造，即主橋主跨不小于178m，主橋橋長不小于890 m，引橋采用50m的橋梁孔跨布置，壅水和導(dǎo)流作用明顯減小，能滿足本河段的防洪評價(jià)要求。

2.4 橋位選擇

本橋的拆除重建為西銅路拓寬改造項(xiàng)目的一部分，橋梁應(yīng)與渭河兩岸路線順接，因此，擬建橋梁橋位選擇惟一，即原橋位處。

2.5 橋梁縱斷面

本橋南岸橋頭路段的市政化改造正在進(jìn)行，南岸堤頂路與路線采用箱涵立交，為避免后期對南岸路段的二次改造，最大限度地減少占地，節(jié)省投資，南岸橋頭處縱斷面考慮與橋頭路線順接；北岸橋頭路線上跨西銅高速梁村收費(fèi)站匝道，下穿西安鐵路北環(huán)線鐵路橋，橋下凈空有限，同時(shí)該橋?yàn)殇摴芄皹?，橋梁上部結(jié)構(gòu)建筑高度較高，無上跨該橋的可能，因此北岸橋頭處縱斷面也考慮與橋頭路線順接；為滿足橋梁的泄洪及景觀要求，盡可能抬高渭河河槽內(nèi)的橋梁縱斷面。

2.6 橋位地質(zhì)條件

根據(jù)原橋地質(zhì)鉆孔資料顯示，橋位處于渭河地塹中平原區(qū)域，地質(zhì)屬于新生代第四紀(jì)松散沖積沉積物。渭河北岸上層為黃土質(zhì)亞黏土（夾粉砂）沉積，具有顯著的黃土特性。南岸漫灘相，以中粗砂（夾小礫石）和粉細(xì)砂為主，夾有不規(guī)則亞黏土、輕亞黏土薄層。

河床部分以中、粗砂和細(xì)砂為主，厚度較大，水平層理，偶爾中間夾礫石，砂層間還夾有亞黏土、輕亞黏土，厚度在1.6～6.8m，不整合接觸，斜向?qū)永怼Ｓ捎诔练e環(huán)境不同，所以顏色不同，一般具有次生黃土特性，土質(zhì)較硬，呈硬塑狀態(tài)。

橋跨布置方案應(yīng)充分考慮橋位處地質(zhì)條件，橋位處地面以下50m范圍地質(zhì)基本以粗、中、細(xì)砂為主，夾礫石，粗中砂層最厚，地質(zhì)條件較差，限制了某些橋型方案的采用。

3 橋型方案初步比選

結(jié)合地形、地質(zhì)、水文和周邊環(huán)境綜合比選，首先摒棄了懸索橋、傳統(tǒng)拱橋和一般連續(xù)梁橋，并在以下結(jié)構(gòu)型式中進(jìn)行初步比選。

3.1 斜拉橋

斜拉橋造型美觀，橋面建筑高度較小，橋梁的跨越能力較大，便于懸臂施工，跨徑適應(yīng)性較強(qiáng)，在200～500m范圍內(nèi)具有競爭力。自2000年湖南岳陽洞庭湖大橋建成以來，國內(nèi)已建成多座三塔斜拉橋，積累了一定工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲備，故選擇三塔斜拉橋作為比選方案之一。

3.2 矮塔斜拉橋

矮塔斜拉橋又稱為部分斜拉橋，是介于梁式橋和斜拉橋之間的橋型，兼有梁式橋和斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)。相對于變截面連續(xù)箱梁，其梁高較低，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小，有利于結(jié)構(gòu)抗震，減小下部結(jié)構(gòu)規(guī)模；相對于斜拉橋，其塔高較低，豎向剛度較大，采用后支點(diǎn)掛籃施工，工藝成熟。本方案可作為比選方案之一，但因本橋兩岸市政道路限制，橋面高程無法抬高，矮塔斜拉橋景觀效果較差。

3.3 鋼桁架梁橋

鋼桁架梁橋由桁架桿件組成，用稀疏的腹桿代替整體的腹板，從而節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重，又由于腹桿鋼材用量比實(shí)腹梁的腹板有所減少，鋼桁梁可做成較大高度，從而具有較大的剛度及更大的跨越能力。本方案可作為比選方案之一。

3.4 梁拱組合橋

梁拱組合橋是近年來提出的一種新橋型，以梁式橋?yàn)橥獠織l件，拱的水平推力由水平預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)，避免了傳統(tǒng)混凝土拱橋建造所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)；梁拱組合式橋梁使梁與拱在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，因而是一種具有很大潛力的橋梁結(jié)構(gòu)形式［6］。其橋型合理、用材較少、施工方便，可節(jié)省造價(jià)20%～30%。本方案可作為比選方案之一。

4 橋型設(shè)計(jì)方案

4.1 主跨338m三塔單索面組合梁斜拉橋方案

本方案主橋?yàn)橹骺?38m三塔單索面組合梁斜拉橋，跨徑組成為3×50m＋3×50m（南引橋）、60m＋102m＋2×338m＋102m＋60m（主橋）、2×50m（北引橋）。主橋與南、北引橋間各設(shè)1個(gè)過渡墩，橋梁總長為1 410m。

主橋?yàn)榱缛嗡髅驿摚旖M合梁斜拉橋，半漂浮體系；下部樁基接承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 斜拉橋橋型總體布置

本方案橋塔造型取材于先秦古幣“方足布”的穩(wěn)定、厚重，向上延伸既融合了歷史元素又不乏現(xiàn)代氣息；同時(shí)，整個(gè)橋塔又呈現(xiàn)出“人”字形，寓意三秦大地政通人和。

本方案的景觀構(gòu)型從視覺和造型兩方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）視覺角度。通過“方足布”式索塔的斜拉索錨固縱向主梁，以簡單的直線型式構(gòu)成強(qiáng)勁、挺拔的多向動勢，包括索塔向上伸展的動勢和斜拉索的力動感，對水平延伸的主梁動勢在視覺上起到穩(wěn)定、平衡的作用。

（2）造型角度。拉伸的“方足布”式索塔代表了西安深厚文化底蘊(yùn)在現(xiàn)代創(chuàng)新攀登的時(shí)代特征；主梁和斜拉索輕盈、簡潔、舒展、連續(xù)、流暢，形成極強(qiáng)的跨越感。

4.2 主跨196m波形鋼腹板矮塔斜拉橋方案

本方案主橋?yàn)橹骺?96m波形鋼腹板矮塔斜拉橋，跨徑組成為3×50m＋3×50m（南引橋）、108m＋4×196m＋108m（主橋）、2×50m（北引橋）。主橋與南、北引橋間各設(shè)1個(gè)過渡墩，橋梁總長為1 410m。

主橋上部結(jié)構(gòu)為六跨波形鋼腹板矮塔斜拉橋，塔、梁固結(jié)體系；下部樁基接承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，如圖2所示。

4.3 主跨180m變高鋼桁架連續(xù)梁橋方案

本方案主橋?yàn)橹骺?80m鋼桁架連續(xù)梁橋，跨徑組成為3×50m＋3×50m（南引橋）、5×180m（主橋）、4×50m（北引橋）。主橋與南、北引橋間各設(shè)1個(gè)過渡墩，橋梁總長為1 410m。

主橋上部結(jié)構(gòu)為五跨鋼桁架連續(xù)梁橋；下部采用實(shí)心矩形墩，下接承臺及群樁基礎(chǔ)，如圖3所示。

4.4 主跨180m下承式波形鋼腹板連續(xù)梁拱組合橋方案

本方案主橋?yàn)橹骺?80m下承式波形鋼腹板連續(xù)梁拱組合橋，跨徑組成為3×50m＋3×50m（南引橋）、60m＋120m＋3×180m＋120m＋60m（主橋）、4×50m（北引橋）。主橋與南、北引橋間各設(shè)1個(gè)過渡墩，橋梁總長為1 410m。

圖2 矮塔斜拉橋橋型總體布置

圖3 鋼桁架連續(xù)梁橋橋型總體布置

主橋上部結(jié)構(gòu)為七跨下承式波形鋼腹板連續(xù)梁拱組合橋。下部樁基接承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，如圖4所示。

本方案采用波形鋼腹板連續(xù)梁拱組合橋方案，中間3孔為跨徑180m的連續(xù)梁拱組合橋，3個(gè)波瀾起伏、層次分明的拱圈寓意欣欣向榮的三秦大地。同時(shí)，本橋北岸橋頭路線下穿西安鐵路北環(huán)線鐵路拱橋，南、北兩岸堤防工程均為圓弧造型，方案中鋼管混凝土拱圈、主梁底板及波形鋼腹板也為圓弧形，充分體現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)與周圍建筑、環(huán)境協(xié)調(diào)的原則。

圖4 連續(xù)梁拱組合橋橋型總體布置

5 橋型方案比選

從結(jié)構(gòu)方面看，主梁采用鋼－混組合梁箱形截面，具有良好的抗風(fēng)性能，能夠防止鋼梁局部失穩(wěn)，節(jié)約鋼材，質(zhì)量適中，兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)制橋面板質(zhì)量容易控制，平整度好，具有良好的橋面鋪裝性能，在大跨橋梁中有相當(dāng)?shù)母偁巸?yōu)勢，橋梁造型宏偉、美觀，斜拉索空間透視性好，富有張力，與周圍環(huán)境較協(xié)調(diào)［7－11］?！胺阶悴肌笔剿魉男崩麇^固縱向主梁，以簡單的直線型式構(gòu)成強(qiáng)勁、挺拔的多向動勢，包括索塔向上伸展的動勢和斜拉索的力動感，對水平延伸的主梁動勢在視覺上起到穩(wěn)定、平衡的作用，因此擬將其作為推薦方案［12－15］。

6 結(jié) 語

以上方案研究證明，大跨徑斜拉橋方案在優(yōu)美的造型方面具有絕對的優(yōu)勢，同時(shí)設(shè)計(jì)施工技術(shù)成熟，雖然在經(jīng)濟(jì)性方面，該方案并不占絕對優(yōu)勢，但是考慮將其設(shè)計(jì)為西安市地標(biāo)性建筑，以及考慮施工工期等因素，故在工程可行性研究階段將大跨徑斜拉橋方案作為新草灘渭河特大橋主橋的推薦方案。