山區(qū)大跨雙層鋼桁梁斜拉橋總體方案設(shè)計(jì)

汪 劍，劉小紅

（1.武漢生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430056；2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430056；3.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢430015）

1 工程概況

某山區(qū)大橋位于宜昌市五峰縣漁洋關(guān)附近，跨越柴埠溪，是宜都至來鳳高速公路（宜昌段）控制性工程?？紤]到橋位資源稀缺，為更好地帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，本橋與省道242漁洋關(guān)繞城公路（寬8.5m二級(jí)公路）跨越柴埠溪段橋梁合建。橋位處地形環(huán)境如圖1所示。

圖1 橋位處地形環(huán)境

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）公路等級(jí)：高速公路層，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度80km/h；省道公路層，雙向2車道，設(shè)計(jì)速度40km/h。

（2）荷載等級(jí)：公路I級(jí)。

（3）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：本項(xiàng)目地震基本烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度a=0.05g，抗震設(shè)防措施提高1度。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100a。

（5）耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅰ類。

（6）設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：Us10=23.3m/s。

3 工程特點(diǎn)

根據(jù)大橋建設(shè)條件，結(jié)合大橋功能和建設(shè)期安排，大橋具有以下特點(diǎn)：

（1）地形條件復(fù)雜。橋位跨越典型的深切“V”型溝谷，兩側(cè)地勢均較陡峭，兩側(cè)邊坡上均難以設(shè)置橋墩，溝谷上寬約440m，下寬約50m，溝谷谷底至路線設(shè)計(jì)標(biāo)高達(dá)290m左右。

（2）地質(zhì)條件復(fù)雜。橋位所處區(qū)域內(nèi)巖石主要為奧陶系中-下統(tǒng)灰?guī)r，基巖一般埋藏較淺，下部巖石完整性較好，但區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，存在巖溶、滑坡、危巖等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

（3）環(huán)境保護(hù)及景觀要求突出。橋位所在區(qū)域內(nèi)生態(tài)資源豐富，相關(guān)風(fēng)景區(qū)和自然保護(hù)區(qū)較多。

（4）橋梁涉及2種性質(zhì)的公路工程。大橋涉及高速公路（宜來高速）和省道242漁洋關(guān)繞城段公路橋梁，且2橋合建。

差分隱私保護(hù)技術(shù)能在數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)和可用性之間做很好的權(quán)衡.本文對于差分隱私的相關(guān)概念大多源于文獻(xiàn)[18～22]，結(jié)合論文研究內(nèi)容，略有改動(dòng).

4 總體方案構(gòu)思

根據(jù)大橋上述特點(diǎn)，大橋總體方案應(yīng)充分考慮山區(qū)地形、地質(zhì)等不利因素，通過優(yōu)化橋梁總體方案以及完善細(xì)節(jié)部位設(shè)計(jì)等措施，盡量減小橋梁對風(fēng)景區(qū)及自然保護(hù)區(qū)的影響，同時(shí)兼顧景觀因素，確保主橋在施工、運(yùn)營期間的安全、可靠及美觀。

4.1 橋型方案構(gòu)思

鑒于大橋建設(shè)條件及相關(guān)制約因素，大橋宜1跨跨越柴埠溪，對于主跨440m左右的橋梁，可供選擇的主橋形式主要有斜拉橋、懸索橋和拱橋等橋型方案，考慮到懸索橋錨碇基坑以及拱座基坑施工對周圍環(huán)境的負(fù)面影響較大等因素，經(jīng)綜合比選，斜拉橋作為大橋的橋型方案。

4.2 主橋跨徑選擇

主橋橋跨的選擇關(guān)鍵是塔墩位置的選擇。塔墩位置主要受地形、地質(zhì)條件以及施工等因素控制，同時(shí)大橋基礎(chǔ)施工不可避免地會(huì)對山體有所擾動(dòng)，兩岸岸坡在大橋基礎(chǔ)增載作用下的穩(wěn)定性亦成為方案是否成立的關(guān)鍵。故主塔墩位的設(shè)置應(yīng)滿足以下2個(gè)條件：（1）與山體前緣臨空面保持一定安全距離；（2）主墩基礎(chǔ)的持力層為完整基巖。

根據(jù)橋位處地形、地貌及地質(zhì)條件，宜都側(cè)主墩布置在距離山體前緣臨空面約50m（承臺(tái)外邊緣距離臨空面約25m）的位置，來鳳側(cè)主塔墩布置在距離山體前緣臨空面約70m（承臺(tái)外邊緣距離臨空面約45m）的位置。兩岸岸坡穩(wěn)定性專題研究結(jié)果表明，在各種不利工況組合下，兩岸岸坡穩(wěn)定性均滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013）和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015）要求，故大橋主橋采用主跨480m斜拉橋方案。

4.3 主梁形式的選擇

綜合地形、地質(zhì)、景觀以及國內(nèi)外同等規(guī)模橋梁的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[1-5]，鑒于大橋的主跨跨徑已達(dá)到480m，主跨主梁只宜考慮鋼結(jié)構(gòu)加勁梁。鋼結(jié)構(gòu)加勁梁主要包括鋼箱梁、鋼-混組合梁、鋼桁梁，其對比研究結(jié)果見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)主梁對比研究結(jié)果一覽表

由表1可知，鋼箱梁自重輕、整體性強(qiáng)，但需要大件運(yùn)輸和安裝，施工條件要求高，不適合本橋山區(qū)建設(shè)條件；鋼-混組合梁橋面為混凝土面板，橋面鋪裝性能好，但2橋合建，平層斷面超寬，自重大、施工繁瑣、養(yǎng)護(hù)麻煩，景觀效果欠佳；鋼桁梁整體剛度較大，行車舒適性稍好，構(gòu)件小能夠適應(yīng)山區(qū)建設(shè)條件，亦能較好地適應(yīng)雙層斷面，但用鋼量大、造價(jià)相對偏高。

經(jīng)綜合比選，主要考慮施工、景觀及運(yùn)營期管理等因素，大橋擬采用鋼桁梁的主梁形式。

5 總體方案設(shè)計(jì)

圖2 大橋總體布置（單位：m）

5.1 結(jié)構(gòu)支承體系方案

在借鑒國內(nèi)類似斜拉橋?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對全漂浮體系、半漂浮+縱向約束體系和塔梁固結(jié)體系優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合比較后確定，大橋采用常用的半漂浮+縱向約束體系：索塔下橫梁處和各輔助墩、交界墩處設(shè)置豎向活動(dòng)支座，橫向設(shè)置抗風(fēng)、抗震支座，用于抵抗風(fēng)荷載及地震荷載作用下的主梁橫向效應(yīng)，每個(gè)索塔下橫梁處設(shè)置帶限位的縱向黏滯阻尼器。

5.2 鋼桁梁斷面方案

對于雙層橋面方案，上層宜布置高速公路，下層布置省道公路。目前國內(nèi)雙層橋面斜拉橋已較為普遍，特別是公鐵兩用橋梁，其主梁均為鋼桁梁，主跨超過400m的雙層橋面斜拉橋典型斷面如圖3所示[1-2]。

考慮到高速公路4車道斷面寬26.0m，與省道公路2車道斷面寬10.0m相差較大，三主桁斷面不利于省道斷面布置，且經(jīng)濟(jì)性較差；斜主桁方案上層橋面橫向跨度大，需要在每道橫梁處設(shè)置鋼架加勁，視覺雜亂；此外，斜拉索錨在主桁節(jié)點(diǎn)處，索力均通過主桁節(jié)點(diǎn)傳遞，會(huì)加劇主桁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中程度，同時(shí)斜桁制造安裝難度較大。經(jīng)綜合比選，大橋采用直主桁加斜副桁方案。

圖3 雙層橋面鋼桁梁主梁斷面形式

直主桁加斜副桁方案如圖4所示，上層橋面橫向受力特性近似于跨度布置為6.75m+14.0m+6.75m的彈性支承連續(xù)梁，橋面構(gòu)造簡潔，便于檢查、維護(hù)；斜拉索錨固在副桁上弦桿，斜拉索的水平分力沿橋面邊縱梁傳遞，豎向分力沿副桁傳遞，不會(huì)增加主桁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中程度。

5.3 鋼桁梁主梁布置方案

圖4 主梁橫斷面布置圖（單位：mm）

基于山區(qū)建設(shè)條件下的鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系選型、正交異性鋼橋面板支撐體系和板-桁連接構(gòu)造等鋼桁梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究尤為重要。目前國內(nèi)主要大跨雙層橋面斜拉橋主梁參數(shù)如表2所示[1-5]。

在借鑒國內(nèi)類似斜拉橋?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)綜合比選，大橋鋼桁梁采用N形桁架，節(jié)段長度12m，桁高8.5m；橋面板采用板桁結(jié)合形式，支撐體系采用密橫梁體系，橫梁間距2.4m。

5.4 索塔及其基礎(chǔ)方案

大橋索塔地處V型溝谷兩側(cè)，地勢均較陡峭，宜都側(cè)索塔處地面縱橋向坡度較緩，但橫橋向坡度仍偏大，來鳳側(cè)索塔處地面縱、橫橋向坡度均偏大，因此為盡量減小橫橋向承臺(tái)開挖量，索塔下塔柱及其基礎(chǔ)不宜分離，下塔柱宜向內(nèi)收以減小索塔塔底及承臺(tái)尺寸。

設(shè)計(jì)對A形、鉆石形及H形索塔進(jìn)行了綜合比選，結(jié)果表明H形塔方案具有一定的地形適應(yīng)能力和力學(xué)性能優(yōu)勢，故大橋采用H形塔方案。經(jīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、景觀及經(jīng)濟(jì)性，橋面以上塔高擬定為120.9m。索塔總體布置圖見圖5。

表2 國內(nèi)大跨雙層橋面斜拉橋主梁布置方案

圖5 索塔總體布置圖（單位：mm）

5.5 斜拉索及拉索錨固方案

經(jīng)綜合比選，大橋斜拉索采用扇形雙索面布置方案，斜拉索梁上間距宜與主梁節(jié)段長度保持一致，按12m布置，塔上斜拉索交點(diǎn)豎向間距考慮張拉及錨固空間，按2.3m布置；斜拉索類型采用施工經(jīng)驗(yàn)相對成熟穩(wěn)定的平行鋼絲斜拉索方案；索梁錨固形式采用復(fù)合式雙錨拉板錨箱連接；索塔錨固采用鋼錨梁的方式。

5.6 壓重方案

大跨雙層鋼桁梁斜拉橋由于活載較大，在運(yùn)營狀態(tài)下邊墩及輔助墩通常會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)反力，目前國內(nèi)已建或在建的大跨鋼桁梁斜拉橋通常采用增加主體結(jié)構(gòu)自重的方法來控制斜拉橋邊墩及輔助墩的負(fù)反力，解決方案主要有：（1）混凝土壓重，在邊墩及輔助墩范圍內(nèi)采取集中布置壓重混凝土；（2）組合橋面板結(jié)構(gòu)，將邊跨部分正交異性鋼橋面板換成較厚的混凝土橋面板或采用混凝土結(jié)合板；（3）同時(shí)采用組合橋面板以及混凝土壓重；（4）混合梁結(jié)構(gòu)，邊跨采用混凝土結(jié)構(gòu)。

借鑒國內(nèi)雙層鋼桁梁斜拉橋的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并綜合考慮各方案的經(jīng)濟(jì)性、耐久性，以及后期檢查和維修養(yǎng)護(hù)的方便性，大橋采用混凝土壓重方案。

5.7 基礎(chǔ)方案

根據(jù)目前工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對照各種基礎(chǔ)形式，結(jié)合本橋主塔墩位處的地質(zhì)情況，主塔基礎(chǔ)宜采用大直徑群樁基礎(chǔ)形式。索塔基礎(chǔ)最為關(guān)鍵的參數(shù)為樁基直徑，其對基礎(chǔ)的受力性能、造價(jià)、工期和施工難度等方面有著舉足輕重的影響。設(shè)計(jì)分別對兩岸基礎(chǔ)選取2.5m、2.8m、3.0m群樁基礎(chǔ)進(jìn)行研究比選。經(jīng)綜合考慮施工速度、施工風(fēng)險(xiǎn)、受力特性等因素，大橋采用3.0m樁基方案。

6 結(jié) 語

作為宜來高速的控制線工程以及柴埠溪景區(qū)重要的景觀橋梁，采用雙層鋼桁梁斜拉橋，結(jié)構(gòu)輕盈簡潔、通透柔美，與當(dāng)?shù)鼐坝^相協(xié)調(diào)。該橋設(shè)計(jì)思路可為同類型橋梁的建設(shè)提供參考。