來賓正龍紅水河特大橋工程初步設(shè)計

聶尚杰 劉潛

摘 要：來賓正龍紅水河特大橋上跨紅水河II（3）級航道，大橋推薦方案為主跨200 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，為解決運營期主梁下?lián)线^大問題，主橋設(shè)置了體外預(yù)應(yīng)力備用鋼束，提高結(jié)構(gòu)安全儲備。為解決大橋主墩墩高超矮問題，通過計算優(yōu)化了雙肢薄壁墩尺寸。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋;超矮墩;方案比選;結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A

1 工程概況

本項目地貌總體類型為溶蝕低丘、壟崗地貌，橋梁跨河兩側(cè)主墩附近為巖溶峰林、石芽殘丘地貌。紅水河自西向東流，河岸附近地勢較陡。歷年平均氣溫20.7℃，極端最低和最高氣溫分別為-3.3℃和39.6℃。橋梁規(guī)模受紅水河通航凈空尺度、設(shè)計洪水位、主橋結(jié)構(gòu)形式、路線縱面設(shè)計等因素控制。

2 技術(shù)標準采用情況

（1）公路等級：雙向4車道一級公路;（2）設(shè)計速度：80 km/h;（3）橋梁設(shè)計基準期：100年;（4）耐久性設(shè)計環(huán)境類別：Ⅱ類;（5）地震烈度：抗震設(shè)防烈度Ⅵ度，加速度為0.05 g;（6）設(shè)計洪水頻率：特大橋1/300;（7）航道等級：規(guī)劃II（3）級航道;（8）單幅橋梁寬：12 m。

3 紅水河特大橋橋型方案研究

3.1 橋型及跨徑方案研究

初步設(shè)計階段開展了項目通航條件影響評價，根據(jù)研究結(jié)果，橋區(qū)河段規(guī)劃航道內(nèi)，水流流速主要分布為1.9～2.6 m/s，橫向速度不超過0.29 m/s，橋中心線與水流方向角度約為98°。綜合考慮通航凈寬、橋軸線與水流夾角、兩側(cè)紊流寬度后，橋址區(qū)單孔雙向通航凈寬要求為153 m，考慮兩側(cè)紊流總寬度30 m后，要求最小通航孔寬度（左、右柱墩或承臺內(nèi)壁距離）不小于183 m。根據(jù)評價結(jié)論，經(jīng)測算主跨至少需200 m。就本橋而言，鋼管混凝土拱橋、斜拉橋等橋型造價相對較高，施工難度大，初步設(shè)計不再對其進行深入研究。

200 m跨徑左右，連續(xù)剛構(gòu)橋具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能和良好的經(jīng)濟指標，其工程造價不高、施工工藝成熟、營運期維護費用低，是具有競爭力的橋型方案。200 m跨徑同樣是矮塔斜拉橋的經(jīng)濟跨徑，而塔高為常規(guī)斜拉橋的1/2～1/3，造型景觀效果較好。

在滿足通航、防洪要求前提下，基于經(jīng)濟性和營運期維護考慮，初步設(shè)計最終確定：方案一為110+200+110 m預(yù)應(yīng)力混凝連續(xù)剛構(gòu)橋方案;方案二為110+200+110 m預(yù)應(yīng)力砼矮塔斜拉橋方案。

3.2 橋型方案介紹

3.2.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)

全橋橋跨布置為：110+200+110 m，全橋長640.7 m。

主梁材料為C55混凝土，分為懸臂和支架現(xiàn)澆兩部分。箱梁分幅設(shè)計，主梁箱室底寬6.5 m，頂寬12 m。頂板懸臂翼緣長2.75 m。箱梁梁高由跨中4 m向根部12.5 m按1.8次拋物線變化。箱梁頂板厚28 cm，根部局部80 cm。根據(jù)抗剪截面驗算需要采用變厚度腹板。

設(shè)計中根據(jù)計算結(jié)果適當增加連續(xù)剛構(gòu)梁高，優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)成橋狀態(tài)。為善主梁應(yīng)力情況，提高其承載能力，增加梁高非常有效，箱梁根部梁高與主跨跨徑的比例關(guān)系一般在1/16～1/18之間，本項目主橋根部梁高12.5 m，較傳統(tǒng)設(shè)計中相同跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋提高0.5 m，較大優(yōu)化主梁受力。

箱梁0號節(jié)段長13 m，懸澆節(jié)段從根部至跨中分別為8×3.5 m+6×4.0 m+9×4.5 m，懸澆節(jié)段總長92.5 m。箱梁墩頂橫隔、跨中橫隔、梁端橫隔厚分別為1.8 m、0.5 m和2.5 m。箱室內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊，預(yù)留后期增加體外預(yù)應(yīng)力的布置通道。

為降低橋梁縱坡，減少橋長，控制工程規(guī)模，主橋下部結(jié)構(gòu)主墩采用“雙薄壁超矮墩”設(shè)計，墩身采用C50混凝土，單幅橋墩寬8.5 m，壁厚1.8 m，墩間凈距5.4 m。北岸墩高21 m，南岸墩高橋25 m，最小墩高約為跨徑1/10，已達到連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計的極限，設(shè)計難度大。

本橋位于巖溶發(fā)育地區(qū)，為避免地勘工作量不足導(dǎo)致后期出現(xiàn)較大變更，地勘工作深度、質(zhì)量和進度要嚴格控制，鉆孔采用逐樁鉆，保證設(shè)計質(zhì)量和工程投資可控，在地勘鉆孔基礎(chǔ)上，樁基采用12根直徑3.0 m的端承樁穿越巖溶發(fā)育區(qū)。承臺、樁基采用C40和C30水下混凝土。

紅水河大橋主橋跨越紅水河，通航標準為II（3）級的航道，設(shè)計應(yīng)考慮航道兩側(cè)主墩的防撞問題，本橋浮動鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，以減少水位升降對于防撞效果的影響。

3.2.2 方案二：預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋

方案二橋跨布置于方案一相同，主梁為帶大挑臂的單箱三室變截面箱梁，跨中梁高3.5 m，支點梁高7.0 m，支點值跨中按2.0次拋物線變化。箱梁總寬26 m，底板寬度14.31～12 m，懸臂板長5 m。箱梁腹板斜率1∶3，中室采用直腹板。斜拉索為中央索面布置，主梁橫隔板設(shè)置與斜拉索錨固點相對應(yīng)。

主塔主體高度為29 m，塔柱采用尺寸5×3 m的矩形實心截面?？蓳Q索式鞍座布置于塔身上部。斜拉索與鞍座橫向雙排布置。斜拉索扇形布置在中央分隔帶范圍內(nèi)，單塔上布置有14對總計28根索，全橋合計56根。斜拉索間距梁上按4.0 m布置，塔上按1.0 m布置。斜拉索采用環(huán)氧全噴涂無粘結(jié)鋼絞線體外索，應(yīng)用雙重防腐措施，外包一層PE和一層HDPE套管。

由于矮塔斜拉橋主梁墩頂高度7.0 m，小于連續(xù)剛構(gòu)橋的12.5 m，因此在相同縱坡的情況下主墩高度提高了5.5 m，較好的增加了橋墩高度，最小墩高為26.5 m，橋墩受力較剛構(gòu)方案好。

3.3 紅水河特大橋橋型方案比選

根據(jù)目前國內(nèi)外橋梁建設(shè)的技術(shù)和經(jīng)驗，從兩方案在投資規(guī)模、施工難度、結(jié)構(gòu)的合理性、工期、維修養(yǎng)護等方面綜合考慮，兩個橋型方案優(yōu)缺點詳細比較見下表：

根據(jù)上表對橋型方案采用綜合比較法進行比選，方案一在工程經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)耐久和可維護性上占優(yōu)勢，對于存在的主墩超矮的情況，經(jīng)過結(jié)構(gòu)對橋墩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，受力性能可以滿足設(shè)計和規(guī)范需求，因此，推薦（110+200+110）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋方案。

4 推薦方案結(jié)構(gòu)分析

4.1 計算模型及主要荷載與組合

采用空間有限元軟件Midas Civil進行考慮施工過程的計算分析。施工階段分析即是按施工過程逐階段計算內(nèi)力、應(yīng)力和位移，并隨著施工工況的進展逐步累計，直至成橋階段。在運營階段，按成橋狀態(tài)下的自重恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變、支座強迫位移、溫度升降、制動力對結(jié)構(gòu)進行了分析計算，并據(jù)此進行各構(gòu)件或截面的設(shè)計。

計算過程中考慮了多種組合，最不利組合為：恒荷載+汽車+汽車制動力+墩不均勻沉降+體系溫度作用+梯度溫差作用。上述荷載組合中恒載均包括了自重、預(yù)應(yīng)力和混凝土的收縮、徐變的效應(yīng)。

通過有限元模型分析，重點對主梁高度和橋墩結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化。

4.2 上部結(jié)構(gòu)驗算

根據(jù)施工過程將模型劃分為88個階段。通過施工階段計算，主梁最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別為15.40 MPa和1.07 MPa，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

運營階段對主梁承載能力、抗裂和各項應(yīng)力指標進行驗算，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件考慮。經(jīng)驗算，上構(gòu)箱梁正截面抗彎和斜截面抗剪承載力均符合規(guī)范要求。運營階段主梁各單元上、下緣在短期效應(yīng)組合下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，符合抗裂驗算要求;短期效應(yīng)組合下最大主拉應(yīng)力1.08 MPa出現(xiàn)在墩頂，滿足規(guī)范要求;標準值組合下主梁截面上、下緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力分別為17.35 MPa、13.87 MPa，小于規(guī)范限值。

4.3 下部結(jié)構(gòu)驗算

由于北岸主墩墩高僅21 m，約為跨徑1/10，且兩岸墩高存在一定高差，已達到連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計的極限，設(shè)計難度大，是一種大跨度不規(guī)則結(jié)構(gòu)，溫度、制動力等荷載作用較多集中于矮墩，矮墩受力不利，通過有限元計算優(yōu)化雙肢薄壁墩肢距和單肢壁厚，最大程度改善主墩受力。

對優(yōu)化后的矮墩截面進行偏心受壓構(gòu)件驗算，單肢主墩截面為1.8×8.5 m矩形截面，配有336根HRB400主筋，直徑32 mm，間距12 cm，計算結(jié)果顯示，基本組合下橋墩處于彈性受力階段，最不利安全系數(shù)為2.06，橋墩強度滿足規(guī)范要求;橋墩裂縫寬度最大0.087 mm，小于規(guī)范限制;橋墩抗剪承載力足夠，所受到的剪力較小，故忽略橋墩抗剪驗算。

5 總結(jié)

來賓正龍紅水河特大橋上跨紅水河II（3）級航道本文從經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)耐久和可維護性等方面對橋梁設(shè)計進行了研究，推薦主跨200 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋方案。對于存在的主墩超矮的情況，經(jīng)過結(jié)構(gòu)對橋墩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，受力性能可以滿足設(shè)計和規(guī)范需求;考慮可能存在的運營期主梁下?lián)线^大問題，主橋設(shè)置了體外預(yù)應(yīng)力備用鋼束，提高結(jié)構(gòu)安全儲備;較傳統(tǒng)設(shè)計中相同跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋提高0.5 m，較大優(yōu)化主梁受力狀態(tài)。

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