柳南高速公路改擴建新舊六景郁江特大橋設計研究

聶尚杰，劉 潛

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，各區(qū)域之間的交通量與日俱增，原有高速公路交通量日益飽和，難以滿足通行需求。因此，對早期建設的四車道高速公路進行改擴建，可以起到提升道路服務質(zhì)量和品質(zhì)的作用，但改擴建方案的選擇是一個重難點。相較于新建高速公路，改擴建常用的方案有原位拆除重建、利用原道路進行兩側或單側擴寬、分幅新建且提升原道路技術等級等。無論采用何種方式，考慮最大程度利用原有道路進行改擴建的方案是相對經(jīng)濟性好、占地少的辦法。而涉及橋梁的改擴建更是此類項目的關鍵，本文對泉州至南寧高速公路柳州至南寧段六景郁江特大橋改擴建工程進行介紹，總結出可供參考的特大橋改擴建和工程質(zhì)量提升綜合技術經(jīng)驗。

1 工程概況

泉州至南寧高速公路柳州至南寧段是廣西高速公路網(wǎng)的重要主骨架。該工程于1997年建成通車，經(jīng)過二十幾年的運營，原設計雙向四車道的通行能力已無法滿足交通量迅速增長的需求。為提高服務水平，廣西壯族自治區(qū)啟動了柳南高速公路改擴建工程，將其原來的雙向四車道高速公路擴充為雙向八車道高速公路，以適應經(jīng)濟與社會發(fā)展需求。六景郁江特大橋位于南寧市橫州市六景鎮(zhèn)郁江下游約1 km處，橋位處河段順直，河床斷面右岸較陡，左岸相對平緩。橋址常水位河寬約200 m。兩岸屬沖洪積河谷地貌，覆蓋為粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土，下伏基巖為中厚狀白云質(zhì)灰?guī)r。橋位處屬亞熱帶氣候，年平均氣溫為20 ℃～23 ℃，年平均降雨量為1 432.1 mm，平均相對濕度為80%，降水主要集中在4～8月。

六景郁江特大橋作為全線跨越郁江的控制性橋梁，其改擴建方案是項目的重點。

2 技術標準

(1)公路等級：高速公路。

(2)設計速度：120 km/h。

(3)汽車荷載：公路Ⅰ級。

(4)通航標準：現(xiàn)狀 Ⅱ 級航道，通航凈空220 m×10 m，遠期按通航凈空230 m×13 m的Ⅰ級航道規(guī)劃。

3 六景郁江特大橋改擴建總體方案比選

六景郁江特大橋舊橋主橋為主跨220 m中承式鋼管混凝土拱橋，橋面全寬25.1 m，凈矢高44 m。綜合橋位處工程地質(zhì)、水文、通航及橋頭引道布置條件等因素，設計階段考慮兩個改擴建方案開展綜合比選。

方案一：保留舊橋，在其下游擴建單向四車道新橋，舊橋經(jīng)改造后，與新橋共同組成八車道高速公路。

方案二：棄用舊橋，另選橋位新建八車道特大橋。

經(jīng)比較，方案一可充分利用舊六景郁江特大橋的通行能力，經(jīng)濟性較方案二優(yōu)勢明顯，其方案成立的前提條件是舊橋工作性能能夠滿足設計要求。舊橋的檢測報告顯示，拱肋工作性能整體良好，其主要病害集中在橋面系，而對橋面系進行維修加固[1-2]后，可利用其作為半幅橋使用。綜合考慮，選用方案一作為實施方案。

4 新橋結構設計

4.1 橋型總體布置

結合橋位處地形條件及通航要求(通航凈空尺度>230 m×13 m)，六景郁江特大橋新橋主跨跨徑需≥265 m。綜合造價、景觀協(xié)調(diào)性因素，新橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋方案，與舊橋結構形式基本統(tǒng)一，整體景觀效果較好。

六景郁江特大橋新橋主橋為計算跨徑265 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計算矢高為58.89 m，見圖1。

主橋拱肋與橋墩固結，通過在拱腳間張拉系桿平衡水平力，橋面系采用半漂浮體系，端部設置豎向支座，橋面系與主墩間設置縱向鎖定器(LUD)以抵抗地震效應及汽車縱向制動荷載。

4.2 主橋上部結構

4.2.1 拱肋

懸鏈線拱軸，矢跨比為1/4.5，拱軸系數(shù)為1.352。拱肋采用四肢格構結構，截面尺寸為6.0 m×2.8 m，兩拱肋橫向中心距為25.65 m。拱肋上、下弦桿均采用外徑1 000 mm鋼管，壁厚根據(jù)受力情況分為28 mm、24 mm、22 mm、20 mm四種。弦桿間上、下平聯(lián)為610 mm×12 mm鋼管，豎腹桿、斜腹桿為450 mm×12 mm鋼管。弦桿及吊點處平聯(lián)鋼管內(nèi)灌C55微膨脹混凝土。拱肋節(jié)段采用基于懸臂拼裝的整體式桁架單元，相鄰兩節(jié)段間僅需對接弦桿，可有效減小現(xiàn)場高空作業(yè)量。弦桿節(jié)段間焊接。全橋拱肋有10個節(jié)段，最大吊重約為97 t。詳見圖2(a)。

全橋拱肋設8道K型橫撐，1道拱頂米字型橫撐。橫撐中心距為22.85 m。橫撐水平弦桿為610 mm×12 mm鋼管，斜向弦桿為550 mm×12 mm鋼管。其余桿件均為350 mm×10 mm鋼管。拱圈、橫撐采用Q345C鋼材。詳見圖2(b)。

圖1 六景郁江特大橋新橋橋型布置圖(cm)

(a)1/2拱肋立面布置

(b)拱肋橫撐布置

4.2.2 吊桿

吊桿作為拱橋的重要構件，應在設計時從構造和計算上考慮其強健性。由于拱橋吊桿強健性分析計算目前沒有相應的規(guī)范或經(jīng)驗可以參考，本項目根據(jù)已有的研究成果，考慮吊桿破斷時的結構動力效應[3]，并參照《公路懸索橋設計規(guī)范》(JTG-TD65-05-2015)第10.4.2條第2款規(guī)定進行斷索情況下相鄰吊桿的偶然狀況承載能力計算，以此保證吊桿的強健性。

吊桿采用GJ15-27整束擠壓成型鋼絞線吊桿，縱向間距為10 m，全橋共24對。吊桿上端采用張拉端錨具，上錨頭采用球型支座和墊板錨固于拱肋上平聯(lián)，通過調(diào)節(jié)螺母位置對吊桿長度進行調(diào)整。吊桿下端采用固定端錨具，下錨頭采用銷接式，叉形耳板與橫梁處耳板通過銷軸連接。詳見圖3。

4.2.3 系桿

系桿可以平衡拱腳水平力，作用至關重要。六景郁江特大橋采用柔性系桿，相比剛性系桿其易損性較高，一旦損壞，主拱的水平推力將直接傳遞至下部結構和基礎，同時拱腳會產(chǎn)生較大的水平位移，進而引起主拱產(chǎn)生較大的附加彎矩，其強健性相對較差[4]。系桿破斷對全橋結構的安全影響較大，在無規(guī)范直接規(guī)定的情況下，本橋設計時參照《公路斜拉橋設計細則》(JTG/TD65-01-2007)第6.2.1條第8款的規(guī)定對結構進行要求，即一根系桿破斷后，結構不利增量應小于設計應力的10%，以此保證結構的強健性。

系桿為體外預應力束，采用全防腐型高強度低松弛鋼絞線成品拉索，可重復張拉、更換。系桿從拱座中穿過后錨固于端部，每片拱肋單側布置16根系桿，全橋共32根。每道橫梁上設置輪軸式支撐架，保證系桿縱向自由滑動。詳見圖4。

4.2.4 橋面系

早期建成的鋼管混凝土拱橋橋面系縱向聯(lián)系弱，一旦出現(xiàn)吊桿斷裂，極易引發(fā)橋面系落梁，形成嚴重事故。六景郁江特大橋新橋橋面系設計見下頁圖5，其對邊縱梁進行加強設計，適當增加中縱梁數(shù)量，與以往的懸吊結構[5]相比，整體性好，強健性較好。

鋼橫梁分為吊桿橫梁、次橫梁、端橫梁三類。吊桿橫梁對應于吊桿位置，橫向長35.05 m，縱向間距為10 m，吊桿橫梁采用工字型斷面，高2.0 m，寬0.7 m，吊點范圍局部加寬至1.5 m。吊桿橫梁頂板厚28 mm，底板寬1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm。全橋共設24道吊桿橫梁。次橫梁設置在相鄰兩道吊桿橫梁間，長度與吊桿橫梁相同，斷面也為工字型，高1.0 m，寬0.6 m，其頂、底板厚16 mm，腹板厚14 mm，全橋共設25道次橫梁。此外，還設置了2道端橫梁。

鋼縱梁分為邊縱梁與中縱梁兩類。邊縱梁置于兩端，橫向間距為20.15 m，采用高2.0 m，寬0.6 m，頂板厚18 mm，底板厚24 mm，腹板厚16 mm的工字型結構。在邊縱梁間設置3排中縱梁，橫向間距為5 m，采用高1.0 m，寬0.6 m，頂、底板厚16 mm，腹板厚14 mm的工字型結構。

橋面系縱、橫梁連接采用頂板焊接，腹板、底板栓接的栓焊結合形式。

橋面板為分塊預制的C50鋼筋混凝土結構。橋面板厚25 cm，吊裝就位后與鋼梁通過剪力釘和現(xiàn)澆鋼纖維混凝土形成組合梁，單塊最大吊重約16 t。

圖3 吊桿構造圖(mm)

圖4 系桿及錨固構造圖(mm)

(a)橋面系平面布置(mm)

(b)主橋標準橫斷面(cm)

4.3 下部結構

拱座與承臺間橋墩為縱向凱旋門式矩形空心墩，單片橋墩縱、橫向尺寸為4.5 m×9.4 m，壁厚為1.0 m。每個拱肋對應一片橋墩，兩片橋墩橫向通過拱座橫梁連接為一體。拱座橫梁采用單箱雙室截面，高4.0 m，寬14.38 m，頂、底板厚0.6 m，腹板厚1.0 m。詳見圖6。

5 舊橋加固設計

舊六景郁江特大橋為主跨220 m中承式鋼管混凝土拱橋，拱肋為四肢格構式，橋面系采用混凝土橫梁上安裝小縱梁的懸吊體系。詳見圖7～8。

(a)側面

(b)立面

圖7 六景郁江特大橋舊橋橋型布置圖(cm)

圖8 六景郁江特大橋舊橋橫斷面布置圖(cm)

舊橋于1997年建成，運營20多年，受外部因素影響所致，橋梁病害較為嚴重。本次改擴建設計方案為將舊橋作為單幅橋梁參與運營，須對其進行維修加固。根據(jù)該橋近年的橋檢情況來看，拱肋整體工作性能較好，主要存在的問題是吊桿錨頭銹蝕、橋面系開裂病害嚴重，直接投入運營風險較大，根據(jù)已有的檢測成果，需對其進行整體更換以滿足工作性能要求[6-11]。舊橋橋面系更換加固方案充分結合了新橋設計特點，具體方案如下：

(1)全橋更換橋面系。

舊橋面系結構形式與新橋一致，舊橋吊桿間距為5.1 m，更新橋面系橫梁間距與新橋保持一致。具體構造見圖9。

(a)橋面系橫梁布置

(b)橋面系橫斷面

(2)全橋更換吊桿體系。

更換后吊桿結構形式與新橋總體一致。吊桿采用拱上張拉，下端為固定端。由于橋面系減輕，吊桿規(guī)格由原61φ7 mm更換為55φ7 mm鍍鋅平行鋼絲。

經(jīng)分析，更換橋面系后，結構強健性明顯提高，舊橋各構件均能較好滿足運營期結構安全性要求。

6 結語

六景郁江特大橋改擴建設計過程中充分考慮了新、舊橋梁的各自特點：主拱拱肋采用大節(jié)段預制吊裝，主橋拱肋劃分節(jié)段少，大幅度減小現(xiàn)場接頭數(shù)量，確保了拱肋施工質(zhì)量，節(jié)省建設工期，對于項目的快速實施具有重要意義；采用鋼縱、橫梁格組合橋面結構，整體性、強健性好；通過對吊桿、系桿的強健性設計，提高了全橋在突發(fā)狀況下的安全性，保證了吊桿、系桿的可調(diào)可換性；系桿采用全防腐型整束可調(diào)可換高強度低松弛鋼絞線成品拉索，提高了可維護性。通過優(yōu)化拱肋和橋面系設計，使得主橋大部分構件均能進行標準化工廠預制，使六景郁江特大橋的施工周期得到大幅縮減，經(jīng)濟、社會效益好。對舊橋進行更換吊桿、將混凝土橋面系優(yōu)化為鋼-混組合梁結構，顯著提高了橋面系工作性能，同時有效降低橋面荷載，提高了拱肋安全度。

六景郁江特大橋改擴建工程于2015年開工建設，已于2018年建成通車，目前運營情況良好。本項目的成功實施，對柳南高速公路的服務品質(zhì)提升具有重大意義。