跨越南水北調(diào)中線干線橋梁選型

劉立博

（石家莊市交通設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，石家莊050000）

1 引言

南水北調(diào)中線干線工程，是我國的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，是關(guān)系到北京、天津、河北、河南等省市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的百年大計。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通量的日益增長，需跨越南水北調(diào)中線干線的新建或改擴(kuò)建公路工程越來越多。根據(jù)南水北調(diào)要求，以橋梁型式跨越南水北調(diào)中線干線，要求橋梁主跨一跨跨越干渠兩側(cè)隔離網(wǎng)欄，同時須保證施工及運(yùn)營期間南水北調(diào)的供水安全，合理的橋型方案，既可降低項目投資、縮短工期，又能保證運(yùn)營期間南水北調(diào)的供水安全。橋梁方案的選擇顯得尤為重要。

2 背景概述

本文以河北某省道跨越南水北調(diào)中線干線工程專題設(shè)計為背景，從施工方案、對總干渠的影響、環(huán)保、節(jié)約投資等多方面進(jìn)行了分析研究。

該工程采用雙向六車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度80 km/h，路基寬度34 m。路線與南水北調(diào)中線干線交叉角度為98.3°。該段總干渠防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇設(shè)計，300 a 一遇校核。干渠東側(cè)隔離網(wǎng)欄內(nèi)有1 道35 kV 高壓專線。

跨越位置處隔離網(wǎng)欄外側(cè)50 m 范圍內(nèi)為一級水源保護(hù)區(qū)；一級水源保護(hù)區(qū)邊線以外50 m 范圍內(nèi)為二級水源保護(hù)區(qū)；隔離網(wǎng)欄以外100 m 范圍內(nèi)為工程保護(hù)范圍。

3 跨越方案

項目采用橋梁跨越型式上跨南水北調(diào)中線干線。通過收集、對比省內(nèi)外已建成的類似跨徑橋梁資料，提出兩種施工方案：

方案一：上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面組合箱梁，掛籃懸臂澆筑，跨中合龍；

方案二：在隔離網(wǎng)欄外側(cè)澆筑獨塔斜拉結(jié)構(gòu)，待達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后進(jìn)行轉(zhuǎn)體。

3.1 跨越方案一（波形鋼腹板掛籃懸澆→邊跨合龍→中跨合龍）

相比常規(guī)的混凝土箱梁，波形鋼腹板箱梁自重減輕約20%左右，從而使上部造價降低8%～12%；同時，上部結(jié)構(gòu)自重的減輕可使下部結(jié)構(gòu)的樁長縮短；波形鋼腹板結(jié)構(gòu)還可減少現(xiàn)場作業(yè)，加快施工進(jìn)程，同時減少節(jié)段數(shù)量，縮短工期。

經(jīng)地形圖布孔，方案一主橋采用79 m+136 m+79 m 跨徑組合，主墩承臺邊距隔離網(wǎng)欄最近處為6.6 m，為施工預(yù)留了適當(dāng)了安全距離。主橋上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面組合連續(xù)箱梁，主梁采用單箱單室截面，單幅箱梁寬度為16.25 m，其中底板寬度為9.6 m，翼緣板懸臂3.325 m?？缰辛焊?.0 m，斷面尺寸見圖1；根部梁高8.3 m,支點斷面尺寸見圖2。梁高和底板厚度均以1.8 次拋物線的型式由跨中向根部變化。箱梁內(nèi)部設(shè)置橫隔板，在支點橫梁附近的波紋腹板內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)襯混凝土，箱梁采用懸臂澆筑的施工方法。

圖1 方案一跨中斷面（單位：cm）

圖2 方案一支點斷面（單位：cm）

3.2 跨越方案二（隔離網(wǎng)欄外澆筑獨塔斜拉結(jié)構(gòu)→平面轉(zhuǎn)體）

轉(zhuǎn)體施工目前多用于上跨鐵路橋梁，通常梁體較窄，采用T 構(gòu)型式。

本項目路基寬度34 m，上部梁體較寬，且跨徑較大，結(jié)合項目實際情況，選用獨塔斜拉結(jié)構(gòu)型式，在隔離網(wǎng)欄外澆筑完畢，待達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后進(jìn)行平行轉(zhuǎn)體。

經(jīng)地形圖上布孔，方案二主橋采用148 m+72 m+40 m 跨徑組合，上部主梁在5#墩處平行于隔離網(wǎng)欄進(jìn)行澆筑，待達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后繞主塔順時針方向旋轉(zhuǎn)81.7°；邊墩承臺邊距隔離網(wǎng)欄最近處為7.3 m。上部結(jié)構(gòu)主梁采用整體預(yù)應(yīng)力混凝土等截面現(xiàn)澆箱梁，梁高3.4 m，斷面尺寸見圖3。主墩基礎(chǔ)采用33根φ2.0 m 鉆孔灌注樁。

圖3 方案二1/2 主梁典型斷面圖（單位：cm）

3.3 跨越方案對比

方案一與方案二各有優(yōu)缺點，對比如下。

3.3.1 方案一（波形鋼腹板掛籃懸澆→邊跨合龍→中跨合龍）

優(yōu)點：（1）施工方案成熟，風(fēng)險較?。唬?）投資相對較少。

缺點：（1）相比方案二在干渠上方施工時間較長；（2）波形鋼腹板需考慮運(yùn)營期間防腐問題。

Based on Taylor series approximation,we can also reformulate into the GAM model as

3.3.2 方案二（隔離網(wǎng)欄外澆筑獨塔斜拉結(jié)構(gòu)→平面轉(zhuǎn)體）

優(yōu)點：梁體平行轉(zhuǎn)體上跨干渠，無須在干渠上方澆筑施工。

缺點：（1）斜拉橋轉(zhuǎn)體施工前需在西側(cè)隔離網(wǎng)欄外先硬化“預(yù)制”場地，搭設(shè)滿堂支架進(jìn)行現(xiàn)場澆筑，澆筑施工位于一級水源保護(hù)區(qū)內(nèi)；（2）轉(zhuǎn)體施工要求在梁體旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)不能有豎向構(gòu)筑物，對干渠東側(cè)的35 kV 輸電線路有影響；（3）矮塔斜拉轉(zhuǎn)體施工方案，橋型特殊，轉(zhuǎn)體質(zhì)量大，設(shè)計、施工風(fēng)險較大；（4）主墩承臺體積巨大，承臺基坑開挖體量較大，基坑開挖施工位于一級水源保護(hù)區(qū)內(nèi)；（5）主墩鉆孔樁基數(shù)量較多，大體量鉆孔施工均在一級水源保護(hù)區(qū)內(nèi)；（6）非對稱結(jié)構(gòu)，技術(shù)處理較為復(fù)雜，橋面縱坡為單向坡，橋面排水效果相比方案一雙向縱坡較差。（7）斜拉索設(shè)計使用年限為20年，運(yùn)營期間需定期對斜拉索進(jìn)行養(yǎng)護(hù)更換；（8）本方案跨徑大、梁體寬、轉(zhuǎn)體質(zhì)量大，技術(shù)復(fù)雜，主橋建安費(fèi)較方案一高出約16.9%；（9）本橋橋下凈空相對較小，矮塔斜拉不如方案一美觀。

3.3.3 方案對比

經(jīng)對比分析，方案一與方案二各有優(yōu)缺點，從設(shè)計施工技術(shù)難度、主墩承臺基坑開挖及主墩樁基鉆孔施工對總干渠影響、一級水源保護(hù)區(qū)內(nèi)場地硬化、對35 kV 輸電線路影響、橋面排水、節(jié)約投資、美觀性等多方面綜合考慮，推薦方案一（波形鋼腹板掛籃懸澆→邊跨合龍→中跨合龍）。

4 波形鋼腹板PC箱梁簡介

4.1 波形鋼腹板PC箱梁橋的定義

波形鋼腹板PC 箱梁橋就是用波形鋼板取代傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱型梁橋。其顯著特點是用8～30 mm 厚的鋼板取代厚30～80 cm 厚的混凝土腹板。第二個特點是由于頂、底板預(yù)應(yīng)力束放置空間有限而使用體外索。

4.2 波形鋼腹板PC箱梁橋的結(jié)構(gòu)特點

1）波形鋼腹板縱向抗壓強(qiáng)度小，設(shè)計時可以認(rèn)為其不承受軸向力，縱向彎曲時忽略波形鋼腹板的縱向彎曲作用，近似認(rèn)為抗彎慣矩計算僅考慮混凝土頂、底板構(gòu)成的截面；

2）組合梁縱向彎曲時符合平截面假定；

3）剪力由波形鋼腹板承擔(dān)，且剪應(yīng)力沿波形鋼腹板高度方向均勻分布；

4）在混凝土頂、底板中配置縱向預(yù)應(yīng)力筋，用以抵抗施工時的荷載及自重。在箱內(nèi)配置體外預(yù)應(yīng)力束，通過轉(zhuǎn)向塊來轉(zhuǎn)向并最終錨固在橫隔板上，實現(xiàn)曲線或折線配筋，以體外索來承擔(dān)外荷載的作用；

5）波形鋼腹板箱梁橋動力特性介于鋼橋與PC 橋之間；

6）波形鋼腹板PC 箱梁橋縱向抗震性能優(yōu)于一般PC 橋，橫向抗震性能基本相同；

7）波形鋼腹板的預(yù)制節(jié)段之間一般通過高強(qiáng)螺栓或現(xiàn)場焊接的方式連接，結(jié)構(gòu)分析時認(rèn)為波形鋼腹板與混凝土頂、底板共同工作，不會發(fā)生相對滑移或剪切連接破壞。

4.3 波形鋼腹板PC箱梁橋的優(yōu)點

相比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁波形鋼腹板橋型具有如下優(yōu)點[1，2]：（1）其上部結(jié)構(gòu)自重相比常規(guī)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋大為減輕，地震激勵作用效果顯著降低，抗震性能好；（2）減少了混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼材、鋼筋的用量，大幅度減輕了上部結(jié)構(gòu)的自重，并使下部結(jié)構(gòu)的工程量減少，從而降低了工程總造價；（3）混凝土用來抗彎，波形鋼腹板用來抗剪，而且腹板內(nèi)的應(yīng)力分布近似于均布圖形，各種材料各盡所能，有利于材料發(fā)揮作用；（4）上部結(jié)構(gòu)在施工過程中，可以減少大量的模板、支架和混凝土澆筑工程，免除在混凝土腹板內(nèi)預(yù)埋管道的繁雜工藝，而且波形鋼腹板可以工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場拼裝施工，從而簡化施工設(shè)施，加快施工進(jìn)程，減少現(xiàn)場作業(yè)；（5）減少了節(jié)段數(shù)量，縮短了工期；（6）運(yùn)營期間體外預(yù)應(yīng)力索出現(xiàn)磨損或斷裂時，可以在夜間停止車輛通行后對其進(jìn)行更換，便于橋梁的維修和補(bǔ)強(qiáng)；（7）傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋受外力荷載以及混凝土收縮、徐變的影響，常常在腹板出現(xiàn)裂縫，造成了混凝土截面削弱、鋼筋腐蝕等一系列問題，而波形鋼腹板避免了腹板開裂問題，耐久性能較好。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

跨越南水北調(diào)橋梁除滿足結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計外，還必須滿足南水北調(diào)建設(shè)管理部門的要求，橋梁的施工和運(yùn)營期間不能影響南水北調(diào)的供水安全和日常運(yùn)營。合理的橋型選擇不僅可以滿足公路和水利部門的要求，還能縮短工期、節(jié)省投資、更加環(huán)保。

本文從橋梁施工期間對干渠兩側(cè)一級水源保護(hù)區(qū)的影響、基坑開挖規(guī)模、橋梁建設(shè)規(guī)模、對兩側(cè)35 kV 高壓輸電專線的影響及后期運(yùn)營等方面進(jìn)行了分析對比，為類似跨越南水北調(diào)工程提供了參考。

5.2 建議

我國是鋼產(chǎn)量大國和橋梁大國，但在我國已建成的近百萬座橋梁中，鋼橋數(shù)量不足橋梁總量的1%；相比我國在特大橋、大橋建設(shè)中取得的顯著成就，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用相對滯后。而波形鋼腹板PC 梁是組合機(jī)構(gòu)中最為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)，在公路工程中推廣應(yīng)用波形鋼腹板PC 梁橋具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和深遠(yuǎn)的社會意義。