大化大元大橋設(shè)計(jì)方案研究

覃潛

摘要：文章以大化大元大橋?yàn)槔M(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)分析，參照橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁道路的安全等級(jí)，設(shè)計(jì)出預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和鋼管混凝土拱橋兩種橋梁設(shè)計(jì)方案，并分別從橋梁的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力計(jì)算、施工方案設(shè)計(jì)以及引橋預(yù)制小箱梁設(shè)計(jì)等方面對(duì)大元大橋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體研究，整合兩種方案得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明，主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)的性價(jià)比較高。該研究成果可為工程橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì);施工工藝;受力計(jì)算;大化大元大橋

0 引言

目前，我國修建了大量的橋梁工程。在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，為確保橋梁設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性，為橋梁建設(shè)積累寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-3]，需要從特殊工程地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)指標(biāo)、施工工藝、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面進(jìn)行最終方案的確定[4-6]。

大化大元大橋是國道G355線上的一座大橋[7]，大橋建成后可以完善城市路網(wǎng)，起到疏散交通，改善交通狀況，降低運(yùn)輸成本的效果[8-9]。本文對(duì)大化大元大橋的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，包括橋梁的選型、受力情況、施工方案等方面，研究成果可為類似橋梁工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

大化大元大橋項(xiàng)目位于廣西大化瑤族自治縣東南部，其連接大化繞城公路江南段與江北段，是大化繞城公路中重要的跨江橋梁。橋梁全長約為364.08 m，路面設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)公路。橋址距大化二橋約1.6 km、大化一橋約2.1 km、大化樞紐約3.5 km，距百龍灘樞紐約22.7 km。橋梁地理位置如圖1所示。

2 橋位概況

橋址區(qū)屬溶蝕準(zhǔn)平原地貌，高程一般在129～173 m。紅水河從西至東穿過勘察區(qū)，河道寬約90～130 m，兩岸多為沖洪積階地，局部地段缺失，表層覆蓋為第四系沖洪積層，無滑坡風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，適合建設(shè)橋梁。

場地地層主要由第四系沖洪積層（Qal+pl）、第四系殘積層（Qel）及二疊系下統(tǒng)（P1）基巖組成。橋位區(qū)可見溶溝、溶槽，未發(fā)現(xiàn)漏斗、落水洞等。根據(jù)鉆探揭露，實(shí)施鉆孔共5個(gè)，均未遇溶洞，屬巖溶弱發(fā)育區(qū)。

3 橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁道路等級(jí)為公路二級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)路基寬度為12 m，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，橋梁寬度為18 m，為標(biāo)準(zhǔn)橋面寬。設(shè)計(jì)汽車荷載為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率為主橋1/100，通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅳ級(jí)航道，通航孔通航凈寬為121 m，凈高為10 m，側(cè)高為6 m。抗震烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

4 設(shè)計(jì)方案

橋梁跨徑布置主要從沿江道路規(guī)劃、通航凈空、橋墩防撞和設(shè)計(jì)洪水位等方面進(jìn)行綜合考慮。橋位設(shè)計(jì)水位為163.43 m，橋位處水面標(biāo)高為127.34 m，橋梁與河流方向基本正交，橋位處河床穩(wěn)定，河面較寬，橋面距地面的距離在40 m以內(nèi)，河道處于正常水位時(shí)水深較深，橋位處地基較好，石灰?guī)r巖石裸露。從橋型與地形的匹配性方面考慮，橋型宜選擇單跨過江設(shè)計(jì)方案。

4.1 設(shè)計(jì)方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)

4.1.1 總體設(shè)計(jì)

橋梁設(shè)計(jì)圖如圖2所示，橋梁全長364.08 m，主橋上構(gòu)采用80 m+145 m+80 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，引橋上構(gòu)為2×25 m預(yù)制小箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，主橋橋墩采用雙薄壁墩，引橋橋墩采用柱式墩，上述結(jié)構(gòu)均采用鉆孔灌注樁施工。橋面人行道寬度為2×1.75 m，防撞護(hù)欄為2×0.5 m，慢車道為2×3.25 m，機(jī)動(dòng)車道為4×3.5 m。

4.1.2 主橋80 m+145 m+80 m連續(xù)剛構(gòu)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用C55單箱單室變高度箱梁，梁高為8.6 m，跨中梁高為3.4 m，底板厚為1.0 m到0.3 m拋物線變化，腹板厚度為0.7 m到0.55 m拋物線變化。箱梁頂板寬為18 m，底板寬為10 m，兩側(cè)懸臂長為4 m，采用三向預(yù)應(yīng)力體系。

主墩采用C40雙肢型薄壁墩，1 #、2 #墩高分別為28 m、31 m，雙肢間凈距為4.4 m，薄壁墩壁厚為1.8 m，寬為10 m;承臺(tái)采用C35混凝土，平面尺寸為順橋向13.3 m，橫橋向13.3 m，厚4 m;主墩基礎(chǔ)采用C35水下混凝土，基礎(chǔ)為直徑1.8 m鉆孔灌注樁，平面布置為3×3排，樁間距均為5 m。

4.1.3 引橋預(yù)制小箱梁

（1）引橋上部結(jié)構(gòu)

城南岸引橋?yàn)?×25 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋。

引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制吊裝施工，統(tǒng)一選用25 m預(yù)制小箱梁。為改善行車條件，引橋采用結(jié)構(gòu)連續(xù)方案。引橋按整體式路基進(jìn)行設(shè)計(jì)，總寬18 m，橫向共布置6片小箱梁。小箱梁梁高為1.50 m，接縫寬度為0.54 m。橋面采用C50防水混凝土現(xiàn)澆層和瀝青混凝土。

（2）引橋下部結(jié)構(gòu)

引橋下部構(gòu)造采用柱式墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。墩柱直徑為1.5 m，樁徑為1.8 m。

4.1.4 受力計(jì)算

主橋整體計(jì)算采用有限元程序Midas Civil 2017軟件建模計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1的計(jì)算結(jié)果表明，按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.1.5 施工方案

主橋上構(gòu)采用掛籃懸臂現(xiàn)澆，引橋采用預(yù)制拼裝施工。

4.2 設(shè)計(jì)方案二：鋼管混凝土拱橋

4.2.1 總體設(shè)計(jì)

橋梁總體布置如圖3所示，橋梁型式為：主橋上構(gòu)采用凈跨徑為246 m的中承式鋼管混凝土拱橋;北岸引橋上構(gòu)為25 m預(yù)制小箱梁，南岸引橋上構(gòu)為2×25 m預(yù)制小箱梁，橋梁全長351 m。

主橋橋面組成：2×1.75 m（人行道）+2×2.0 m（吊桿區(qū)）+14.5 m（行車道）=22 m。

引橋橋面組成：2×1.75 m（人行道）+14.5 m（行車道）=18 m。

4.2.2 主橋設(shè)計(jì)

（1）拱肋

主橋長246 m，采用鋼管混凝土中承式拱橋，計(jì)算跨徑為253 m，拱軸系數(shù)m=1.2，拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)。拱肋上、下弦桿為四根1 000 mm鋼管形成的桁式截面。主拱肋上、下弦管拱腳段采用1 000×24 mm鋼管，主拱肋上弦管拱頂段采用1 000×24 mm鋼管、下弦管拱頂段采用1 000×16 mm鋼管，均灌注混凝土。

（2）橫向聯(lián)系

采用X撐橫向聯(lián)拱肋，上下弦共設(shè)20道，橫聯(lián)鋼管直徑為700 mm，管壁厚為16 mm。

（3）吊桿

采用鋼絞線整束擠壓吊索，成品索為無粘結(jié)環(huán)氧1860級(jí)鋼絞線。吊桿順橋向布置，間距為12 m，全橋共布置36根吊桿。

（4）拱上立柱

全橋兩側(cè)各設(shè)一處拱上立柱、一處肋間橫梁，拱上立柱為鋼管焊接于主管上，管內(nèi)為C50混凝土。鋼管頂面焊接鋼板放置支座。肋間橫梁采用鋼管桁式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)與拱肋弦管、腹桿焊接。

（5）橋面系

橋面系采用鋼格構(gòu)體系，由鋼主次縱梁、鋼主次橫梁和鋼-混凝土組合橋面組成。主橫梁順橋向設(shè)置與吊桿、拱上立柱及交界墩相對(duì)應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m，工字型截面，端部梁高為1.155 m，跨中梁高為1.6 m，底板厚20～28 mm，頂板厚16 mm;次橫梁順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m，工字形截面，底板厚18 mm，頂板厚16 mm;縱梁共設(shè)5道，工字形截面，主縱梁底板厚20 mm，頂板厚16 mm，其他縱梁底板厚18 mm，頂板厚16 mm;橋面板利用在梁格上焊接10 mm厚鋼板作為底模，現(xiàn)澆15 cm厚鋼纖維混凝土。橋面采用7 cm厚AC-13C改性瀝青混凝土。

（6）過渡墩

過渡墩墩柱直徑為150 cm，主橋每側(cè)共3根，間距為6.5 m。過渡墩設(shè)置于拱座基礎(chǔ)上。

4.2.3 引橋預(yù)制小箱梁

北岸引橋?yàn)?5 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁橋，南岸引橋?yàn)椋?×25）m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋。引橋上、下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式同方案一。

4.2.4 受力計(jì)算

采用Midas Civil 2019軟件對(duì)主橋結(jié)構(gòu)、拱肋和腹桿等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，邊界條件按實(shí)際進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可知，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4.2.5 施工方案

下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安排在枯水期進(jìn)行施工。擴(kuò)大基礎(chǔ)采用明挖方法進(jìn)行施工，樁基可采用鉆孔灌注樁，根據(jù)地層巖性和地下水的具體情況采取適當(dāng)?shù)幕又ёo(hù)措施。拱肋安裝采用無支架纜索吊裝、斜拉扣掛的施工工藝、兩岸懸拼和跨中合龍的施工方法。引橋25 m小箱梁均采用預(yù)制拼裝施工。

5 結(jié)語

本文以大化大元大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，設(shè)計(jì)兩種方案，具體從橋梁的總體結(jié)構(gòu)、受力計(jì)算、施工方案以及引橋預(yù)制小箱梁等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和鋼管混凝土拱橋兩種設(shè)計(jì)方案計(jì)算的受力和變形均能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。

（2）方案一具有施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟，占用施工場地小等優(yōu)勢，方案二具有拱結(jié)構(gòu)承載潛力大的優(yōu)勢，而主橋采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)的性價(jià)比較高，說明方案一的應(yīng)用效果更佳。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

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