山區(qū)復雜條件下橋梁重建項目
——花魚洞大橋設計關鍵技術

吳駿， 楊健， 劉彬

(1.貴州理工學院， 貴州 貴陽 550001； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司, 貴州 貴陽 550001；3.貴州橋梁建設集團有限責任公司, 貴州 貴陽 550001)

1 概述

花魚洞大橋位于貴(陽)黃(果樹)高等級公路清鎮(zhèn)市內(nèi)，跨越紅楓湖，起訖樁號為K2 133+002.165～K2 133+292.165，橋梁全長290 m。橋梁孔跨布置為(5×15+150+4×15) m，主跨為150 m預應力混凝土桁式組合拱橋。主拱計算矢跨比為1/8，橋面凈寬為9.0 m(行車道)+2×1.5 m(人行道)，設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100，人群荷載為3.5 kN/m2?；~洞大橋立面布置如圖1所示。

圖1 花魚洞大橋立面布置圖(單位：cm)

大橋于1991年3月建成通車，2010年至2011年進行過加固維修[1-2]。2014年國家道路及橋梁質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對該橋進行檢測，檢測結果評定為四類危橋。2015年6月國家道路及橋梁質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對該橋進行荷載試驗及特殊檢查，發(fā)現(xiàn)中間箱底縱橫向交錯粘貼碳纖維布又出現(xiàn)了嚴重病害，橋墩混凝土出現(xiàn)大面積脫落等現(xiàn)象，橋梁的整體結構強度和耐久性都明顯下降。檢測報告總體結論：花魚洞大橋主要控制截面的承載能力、結構強度及剛度已不能滿足原設計規(guī)范的要求。報告建議：① 加強車輛管理、限制超載車輛的通行；② 限速，最高車速不超過20 km/h；③ 建議該橋限載單車總重不超過30 t。貴州省公路局〔2016〕188文的批復中同意該橋拆除重建的方案。

2 桁式組合拱橋

花魚洞大橋為主跨150 m預應力混凝土桁式組合拱橋。桁式組合拱橋20世紀80年代起源于貴州，采用了“化整為零”的橋梁結構，橋梁施工可采用簡易的人字桅桿起吊系統(tǒng)，不需要大型機械設備便可以完成大跨徑橋梁的建設。中國共修建有40多座桁式組合拱橋[3]，跨徑為75～330 m，是一種適用性很強的橋梁結構形式。歷經(jīng)20年左右的時間后，橋梁自身體系的缺點、汽車荷載增加等因素的影響使得該類橋梁普遍出現(xiàn)了嚴重的病害，先后有多座橋梁拆除重建[4]。

3 設計方案

3.1 橋位方案

花魚洞大橋位于紅楓湖景區(qū)和二級飲用水源保護區(qū)，新建花魚洞大橋橋位的選擇除了要考慮工程建設的經(jīng)濟性同樣也需要考慮橋梁建設及運營期間對景區(qū)和飲用水源的影響。

貴黃公路花魚洞大橋橋址處跨徑最小，工程經(jīng)濟性最好，并且橋梁施工期間和運營期間對紅楓湖景區(qū)和飲用水源的影響最小。若采用其他橋位方案，除了經(jīng)濟性較差、施工期間和運營期間對紅楓湖景區(qū)和飲用水源的影響較大外，新路線與已有的黃果樹岸的隧道相接十分困難。因此大橋采用原橋址拆除重建。

3.2 橋型方案

花魚洞大橋橋位處地勢平緩，大橋兩岸拱座均位于紅楓湖水域邊緣，新建橋梁跨徑至少要大于舊橋150 m的跨徑才能保證橋梁在施工及運營后對紅楓湖景區(qū)及二級飲用水源保護區(qū)無影響。此外，大橋在貴陽岸有溶洞發(fā)育，終點岸橋梁緊接隧道，這些因素將影響橋型方案的孔跨布置。

新建花魚洞大橋孔跨布置主要考慮因素：① 橋型方案必須滿足景區(qū)、飲用水源的環(huán)保需求，景觀效果要求高；② 拆除方案不能采用爆破和支架方案，橋型方案的布設必須同時考慮拆除方案；③ 地形、地質(zhì)條件較為復雜。

根據(jù)該項目的地形、地貌特點，可選用的橋型方案有斜拉橋、懸索橋、拱橋、梁橋等。項目若布置主跨200 m左右的斜拉橋方案，一方面距離橋位約250 m處聳立著滬昆高速公路紅楓湖大橋，該橋為獨塔斜拉橋，若該項目再采用斜拉橋方案則景觀效果較差；另一方面，斜拉橋方案造價偏高，經(jīng)濟性較低。此外，懸索橋、連續(xù)梁橋方案明顯不適合該橋位。

經(jīng)比較，最終采用主跨180 m中承式提籃鋼管混凝土變截面拱橋，孔跨布置為2×20 m箱梁+180 m中承式提籃鋼管混凝土變截面桁架拱+1×20 m箱梁。橋梁全長269.6 m。其中兩側人行道寬1.75 m，車行道9 m，總寬度12.5 m。圖2、3分別為新建花魚洞大橋立面、平面圖。

圖2 新建花魚洞大橋立面圖(標高、起止樁號、水位單位：m，其余：cm)

圖3 新建花魚洞大橋平面圖(單位：cm)

該方案的優(yōu)點：橋梁造型美觀、跨越感強、和周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，設計施工經(jīng)驗成熟。湖面不設置橋墩，對通航及泄洪有利，對紅楓湖生態(tài)環(huán)境和飲用水源保護區(qū)影響小。

4 橋梁主體結構

4.1 拱肋結構

新建花魚洞大橋主拱圈由4根弦管組成，拱腳弦管高5.5 m，拱頂弦管高3.5 m。主拱肋采用鋼管混凝土，管內(nèi)填充C50自密實微膨脹混凝土。拱圈向內(nèi)傾斜10°。拱肋計算跨徑180 m，拱軸線系數(shù)m=1.8，凈矢高h=45.0 m，凈矢跨比f=1/4。

拱肋上、下弦管規(guī)格：φ850 mm×25 mm、φ850 mm×20 mm，平聯(lián)管規(guī)格:φ550 mm×12 mm，拱鉸處斜腹桿規(guī)格：φ550 mm×28 mm，立柱以下直腹桿規(guī)格：φ500 mm×12 mm，其余腹桿規(guī)格：φ450 mm×12 mm。

4.2 橋面系結構

橋面系采用縱橫梁結構體系，其中縱梁分為主縱梁3道，次縱梁2道。橫梁除在交界墩位置采用混凝土結構外其余均為鋼結構，橫梁共計25道?？v橫梁通過栓焊進行連接。

鋼結構橫梁共計4種類型，其中標準橫梁(吊桿處)長17.5 m，其余位置因拱肋傾斜考慮支撐的需要橫梁適當加長。橫梁最小高度1.8 m，其余位置高度因橫坡而相應變化。

主縱梁共計3種類型，其中標準主縱梁(吊索間)長6.5 m，其余主縱梁長度因橫梁間距的不同而變化。

次縱梁共計3種類型，其中標準次縱梁(吊索間)長6.7 m，其余次縱梁長度因橫梁間距的不同而變化。次縱梁高度均為0.8 m。

全橋共計17對吊索，吊索均采用GJ15-15型。吊索張拉端設置在拱頂，固定端設置在橫梁頂部。

5 拆除方案

新建花魚洞大橋橋型方案為主跨180 m中承式提籃鋼管混凝土變截面桁架拱，邊跨為20 m混凝土箱梁。主跨采用纜索吊裝施工，邊跨采用支架現(xiàn)澆施工，均為常規(guī)施工方案。

花魚洞大橋舊橋為桁式組合拱橋，位于景區(qū)及二級飲用水源保護區(qū)，無法采用爆破拆除；同時舊橋拱座臨近水面，設計水位高于拱座底面，湖水深50 m以上，無法在拱圈下緣搭設支架。因此舊橋的拆除方案是該項目的難點。

在方案設計階段，充分考慮拆除舊橋的各種嚴苛要求后，設計人員改變以往先拆再建的思路[5]，創(chuàng)新性地提出了將新建橋梁主拱設計成提籃拱，“包住”舊橋，如圖4所示，施工時先用纜索吊裝新橋主拱，并灌注管內(nèi)混凝土，利用鋼管混凝土拱所具有的強度和剛度，設置扣索拉住舊橋，再采用倒裝法實現(xiàn)舊橋的拆除。

圖4 新舊花魚洞大橋疊合立面圖(單位：cm)

花魚洞大橋貴陽岸溶洞發(fā)育，新建大橋拱座位于舊橋拱座兩側，勘察成果顯示新建橋梁的拱座避開了溶洞位置，地基承載力滿足設計需求。

6 施工方案

6.1 鋼管拱橋施工

新建鋼管混凝土拱橋采用無支架斜拉扣掛纜索吊裝系統(tǒng)施工[6-7]。纜索吊裝系統(tǒng)由承重索、承重索支撐塔架及索鞍、承重索錨碇、起重跑車運行系統(tǒng)等組成；拱肋懸拼扣掛系統(tǒng)由扣塔、鋼絞線扣索及扣索錨碇等部分組成。纜吊系統(tǒng)及扣掛系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 纜吊系統(tǒng)及扣掛系統(tǒng)布置示意圖(單位：m)

6.2 桁式組合拱橋拆除

拆除舊橋總體思路：利用新建鋼管混凝土拱肋的強度和剛度(即鋼管管內(nèi)混凝土灌注并達到設計強度)，在桁式組合拱下弦各節(jié)點附近設置臨時扣點，并用鋼絞線作為臨時吊索錨固于鋼管拱對應的節(jié)點處(圖6)?；诠敖Y構特點，將臨時吊索大致在鋼管拱拱軸線徑向布置，因此臨時吊索也處于桁式組合拱橋下弦拱軸線的徑向方向。張拉各臨時扣索，將桁式組合拱橋的結構恒載均勻分配到鋼管拱結構上后，解除桁式組合拱橋拱頂連接，即“開拱”，將桁架拱結構體系轉(zhuǎn)化為節(jié)點有支承的懸臂桁架，按照舊橋懸臂架設的逆過程，逐段拆除桁式組合拱橋各構件。為確保施工安全，在對原橋桁式組合拱體系轉(zhuǎn)化前，在不破壞原結構受力的情況下，須盡可能對舊橋進行減載，例如拆除橋面鋪裝、人行道牛腿等。

圖6 臨時吊索布置示意圖(單位：m)

6.3 開拱

桁式組合拱橋體系向多支點懸臂桁架體系轉(zhuǎn)換，即開拱，是該橋拆除的重點環(huán)節(jié)，具體實施步驟為：

(1) 安裝臨時吊索，并按監(jiān)控數(shù)據(jù)進行預張拉。

(2) 開設拱頂人孔，切割實腹段邊箱頂?shù)装迩Ы镯敾劭?，并埋置千斤頂基座?/p>

(3) 安裝千斤頂，并按監(jiān)控數(shù)據(jù)進行預頂；安裝豎向限位支架，實腹段邊箱頂?shù)装逄钊摪濉?/p>

(4) 進行首次切割，切割順序為：先切割箱的頂?shù)装?，再切割腹板?/p>

(5) 觀察無異常情況后，進行第二次切割，切割完成后，千斤頂進行同步回油，逐步釋放拱結構軸力。為確?；赜瓦^程中的結構安全，通過不斷抽換邊箱頂?shù)装逄钊匿摪逡云ヅ淝Ы镯數(shù)幕乜s。

(6) 千斤頂再次頂緊，按上述順序進行第3次切割，同樣地，按上述步驟進行拱結構的第二次軸力釋放。以此類推，直至拱頂軸力完全釋放，形成兩個獨立的多支點懸臂桁架體系。

混凝土構件的切割拆除工具主要采用全液壓繩鋸、專用墻鋸等專業(yè)設備。

7 結語

花魚洞大橋在原橋址處拆除重建，由于受到紅楓湖5A級風景區(qū)、二級飲用水源、地形、地質(zhì)條件和前后接線的限制，考慮到景觀效果，最終采用了主跨180 m的中承式鋼管提籃拱。

該橋施工中的難點是舊橋的拆除，項目設計過程中按先建后拆的思路，采用先吊裝完成新橋的拱肋，巧妙利用拱肋的剛度，架設扣索，倒裝法拆除舊橋。該施工方案可以有效滿足景區(qū)和飲用水源的環(huán)保要求，同時施工安全性顯著提升，并節(jié)約了施工工期。

花魚洞大橋景觀、環(huán)保要求嚴苛，設計施工緊密結合，先建后拆，是山區(qū)橋梁精心設計、精細施工的經(jīng)典案例。