柴埠溪特大橋主橋單雙層主梁方案比選

付 強，遲東彪

(中南勘察設計院集團有限公司，武漢 430070)

1 工程概況

本項目路段為宜來高速公路宜昌段，該路段是陽新至咸豐高速公路通道的重要組成部分。規(guī)劃的陽新至咸豐高速公路通道主要由杭瑞高速公路、岳宜高速公路、宜來高速公路等公路項目構成，該通道是西連恩施及重慶，東接咸寧及九江的橫向大通道。目前杭瑞高速公路及岳宜高速公路均已建成并通車，宜來高速鶴峰西段控制性工程于2015年12月正式開工。柴埠溪特大橋工程是宜來高速公路(宜昌段)的重要工程之一。

2 橋梁方案

本項目按4車道高速公路標準修建，設計速度為80 km/h，路基寬度為25.5 m。柴埠溪特大橋橋位跨越典型的深切V形溝谷，溝谷上寬約為440 m，下寬約為50 m，溝谷谷底至路線設計標高達290 m。采用雙塔雙索面斜拉橋的橋型，主橋跨徑布置為(68+144+480+144+68)m。鑒于該橋建設工程涉及宜來高速公路和省道242漁洋關繞城段公路的橋梁合建，地方道路按兩車道、設計速度40 km/h、二級公路標準進行設計，預留橋寬為10 m。為同時滿足高速公路及地方道路的使用需求，在調研國內外大跨徑多功能斜拉橋橋面布置方案的基礎上，提出雙層橋面或單層橋面的布置形式。

雙層橋面方案在公鐵兩用橋梁工程中被廣泛采用，其主梁形式以鋼桁梁為主，比較有代表性的橋梁有常泰長江大橋[1]、滬通長江大橋[2]、白居寺長江大橋等。大跨徑雙層公路斜拉橋在國內建成并通車的案例較少，以上海閔浦大橋[3]為典型代表，國外如日本的橫濱港灣橋、東神戶大橋等。單層橋面滿足多種交通功能的大跨徑斜拉橋的建成案例較少，單層橋面的主梁形式一般采用鋼箱梁或鋼-混組合梁[4]。由于本項目位于山區(qū)，運輸條件苛刻，不利于鋼箱梁運輸及吊裝，故單層橋面方案只考慮鋼-混組合梁[5]方案。

2.1 雙層鋼桁梁方案

雙層鋼桁梁方案中，上層橋面道路為高速公路，下層橋面道路為地方道路?？紤]到高速公路斷面為4車道斷面，寬度僅為26.0 m，與省道斷面的10.0 m寬相差較大，設計時采用兩片直主桁外設副桁斷面方案。斷面為倒梯形，主桁上弦中心間距為27.5 m，下弦中心間距為14.0 m，主桁高為12.0 m，拉索錨固于主桁上弦。雙層鋼桁梁方案主梁斷面如圖1所示。

圖1 雙層鋼桁梁方案主梁斷面(單位：m)

2.2 單層鋼-混組合梁方案

單層鋼-混組合梁方案將地方道路布置在高速公路右側，主橋的主梁采用組合梁，組合梁全寬為38.9 m，中心斷面全高為3.56 m，雙工字鋼縱梁梁肋間距為38.0 m，梁高為3.0 m，組合梁主體結構采用Q420qE鋼板。橋面板設2%和1.13%雙向橫坡。單層鋼-混組合梁方案主梁斷面如圖2所示。

圖2 單層鋼-混組合梁方案主梁斷面(單位：cm)

3 單雙層方案總體計算分析

通過建立有限元模型，以合理的成橋狀態(tài)為前提，對比分析兩種布置方案中主梁及橋塔的受力狀態(tài)[6]。

3.1 雙層鋼桁梁方案分析

3.1.1 恒載

一期恒載包含主梁、索塔、斜拉索及防腐材料的重量，主梁及索塔按照實際斷面尺寸計量；二期恒載的上層橋面集度按照85.1 kN/m考慮，下層橋面集度按照43.1 kN/m考慮，其中包含護欄和橋面鋪裝的重量。

3.1.2 活載

汽車荷載考慮系數(shù)：多車道橫向折減系數(shù)為0.55(橫向按6個車道加載)；縱向折減系數(shù)為0.94；偏載系數(shù)為1.15。下層橋面按雙車道加載。

3.1.3 邊界條件

輔助墩、過渡墩和塔梁交界處為豎向約束與橫向約束；塔下橫向抗風支座采用只受壓彈性約束模擬；塔墩底采用固結模擬。雙層鋼桁梁方案全橋靜力分析結構離散圖如圖3所示。

圖3 雙層鋼桁梁方案全橋靜力分析結構離散圖

3.1.4 計算結果

汽車荷載作用下主梁最大豎向撓度和為0.527 m，主梁整體剛度較大，撓跨比為1/911。百年橫風作用下主梁最大橫向撓度僅為0.42 m，塔頂水平位移僅為0.191 m。

成橋狀態(tài)弦桿恒載彎矩圖如圖4所示；運營狀態(tài)弦桿彎矩圖如圖5所示；邊弦桿應力對比如圖6所示；中弦桿應力對比如圖7所示；下弦桿應力對比如圖8所示；豎腹桿應力對比如圖9所示；斜腹桿應力對比如圖10所示；斜撐應力對比如 圖11 所示。

圖4 成橋狀態(tài)弦桿恒載彎矩圖(單位：kN·m)

圖5 運營狀態(tài)弦桿彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 邊弦桿應力對比

圖7 中弦桿應力對比

圖8 下弦桿應力對比

圖9 豎腹桿應力對比

圖10 斜腹桿應力對比

圖11 斜撐應力對比

3.2 單層鋼-混組合梁方案分析

3.2.1 恒載

一期恒載包含主梁、索塔、斜拉索及防腐材料的重量，主梁及索塔按照實際斷面尺寸計量；二期恒載的橋面集度按照126.2 kN/m考慮，其中包含護欄和橋面鋪裝[7]的重量。

3.2.2 活載

汽車荷載考慮系數(shù)：多車道橫向折減系數(shù)為0.5(橫向按8個車道加載)。本方案恒載及活載為非對稱布置。

3.2.3 邊界條件

輔助墩、過渡墩和塔梁交界處為豎向約束與橫向約束；塔下橫向抗風支座采用只受壓彈性約束模擬；塔墩底采用固結模擬。單層鋼-混組合梁方案全橋靜力分析結構離散圖如圖12所示。

圖12 單層鋼-混組合梁方案全橋靜力分析結構離散圖

3.2.4 計算結果

汽車荷載作用下主梁最大豎向撓度和為0.397 m，主梁整體剛度較大，撓跨比為1/1 209。百年橫風作用下主梁最大橫向撓度僅為0.075 m，塔頂水平位移僅為0.135 m。

成橋狀態(tài)主梁恒載彎矩圖如圖13所示；運營狀態(tài)主梁彎矩圖如圖14所示；鋼主梁應力對比如圖15所示。

圖13 成橋狀態(tài)主梁恒載彎矩圖(單位：kN·m)

圖14 運營狀態(tài)主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖15 鋼主梁應力對比

4 單雙層方案綜合比選

結合本項目中“橋梁合建”的項目特點，橋面布置形式的選擇應結合結構受力性能、施工難度、橋面運營安全及舒適性、后期養(yǎng)護、景觀效果、對引橋的影響、用地范圍以及工程造價等方面綜合比選后確定[8]。主梁形式的選擇主要由運輸及安裝條件、橋梁使用的功能需求及工程造價等方面決定。

4.1 結構受力性能

主梁應力對比如圖16所示；活載位移對比如圖17所示；頻遇組合橋塔應力對比如圖18所示。兩種主梁形式均有較好的整體剛度，單層方案主梁活載最大豎向撓度優(yōu)于雙層方案，兩種方案中橋塔的水平位移較接近。單層方案的鋼主梁應力狀態(tài)略優(yōu)于雙層方案。由結構受力性能對比可知，單層方案優(yōu)于雙層方案。

圖16 主梁應力對比

圖17 活載位移對比

圖18 頻遇組合橋塔應力對比

4.2 施工難度

鋼桁梁桿件接頭較多，對現(xiàn)場拼裝精度要求較高。由于山區(qū)交通運輸條件有限，主梁架設采用“化整為零，分段拼裝”的方式，現(xiàn)場由人工拼裝鋼桁梁節(jié)段，再采用懸臂拼裝的施工方案，這對施工工期影響較大。

鋼-混組合梁采用雙邊工字梁，其加工、制造工藝成熟。由于該橋較寬，橫梁須分段制作拼裝，鋼梁拼裝完成后再安裝混凝土橋面板，工序相對復雜。鋼-混組合梁可采用整節(jié)段運輸，拼裝橫梁后按懸臂法施工。鋼-混組合梁施工方案對工期影響較小，較鋼桁梁方案可節(jié)省約6個月工期，該方案較成熟，更有利于山區(qū)大跨徑橋梁的架設。

兩種形式的主梁在制造、架設等方面難度相當且施工風險在可控范圍內，均可滿足工期要求。

4.3 橋面運營安全及舒適性

鋼桁梁方案的下層省道行車受上層橋面限制，行車稍感壓抑，駕駛員視野受限且行車時明暗變化明顯，舒適性略差；由于日照條件較差，下層車道易積冰和積雪，影響行車安全。

鋼-混組合梁方案的主梁為敞口斷面，駕駛員視野開闊，但同一平面車道較多，橋面行車時駕駛員視覺上會有不適感。

4.4 后期養(yǎng)護

鋼桁梁結構外露面積大，外觀檢查更易達到，但養(yǎng)護工作量大且費用較高。在鋼-混組合梁方案中，常規(guī)的養(yǎng)護設備即可滿足橋梁日常養(yǎng)護要求，鋼結構養(yǎng)護工作量小。

4.5 景觀效果

鋼桁梁結構高度較高，桿件雖多但整齊劃一，景觀效果整體性較好，視覺沖擊感更強。鋼-混組合梁外觀簡潔、造型流暢。

4.6 對引橋結構的影響

雙層橋面引橋橋墩采用門式框架墩，結構和施工相對復雜，但影響范圍較小。下層橋面引橋由于曲線半徑較小，主梁采用現(xiàn)澆結構，部分墩高超過30 m，施工風險較大。

單層橋面引橋分幅建設，主梁可采用預制結構，施工相對簡單。

4.7 用地范圍

在主橋用地比選方面，鋼桁梁方案較鋼-混組合梁方案可減少用地約9 500 m2。

在引橋方面，鋼桁梁下層橋面由引橋開始分離主橋向地方道路展線，展線難度較大，線形較差，且路線長度較長；鋼-混組合梁方案的地方道路可與引橋并行一段距離后，在更合適的位置向地方道路展線，線形條件較優(yōu)，且展線距離較短，可節(jié)省占地約 11 000 m2。綜合比較，在本項目中鋼桁梁方案用地較優(yōu)；地方道路建設項目中，鋼-混組合梁方案用地更為節(jié)省。

4.8 工程造價

單層方案主梁采用鋼-混組合梁，鋼主梁截面為雙工字鋼形式并采用混凝土橋面板。雙層方案主梁采用鋼桁梁，橋面為正交異性鋼橋面板與主桁結合。在主梁鋼材用量上，單層方案較雙層方案減少約27%。在斜拉索材料用量上，單層方案較雙層方案增加3%。兩方案的索塔材料用量基本相同。在橋墩及基礎的材料用量上，單層方案較雙層方案增加約14%。對比表明，雙層方案主梁用鋼量大，主跨480 m鋼桁梁斜拉橋的經濟性一般，單層方案則表現(xiàn)出良好的經濟性。

4.9 綜合比較

兩種方案在結構受力、施工難度、技術可行性方面相差不大。單層方案為減小對高速公路的影響及避免兩側接線的交織，可將地方道路布置在高速公路的一側，實現(xiàn)地方道路車輛通行的快進快出。雙層橋面方案可利用地形高差，將地方道路順接至主橋下層，高速公路與地方道路分層布置，功能明確，地方道路對上層高速公路影響較小。雙層方案在空間利用率、功能分區(qū)、景觀效果上更具優(yōu)勢，但其經濟性較差；單層方案在后期養(yǎng)護、鋼材用量、工程造價等方面優(yōu)勢明顯。在本項目中，推薦將單層方案作為最終實施方案。

5 結語

斜拉橋主梁設計是斜拉橋設計的關鍵，且本項目涉及宜來高速公路和省道242漁洋關繞城段公路的橋梁合建，主橋橫斷面布置應綜合考慮主橋、引橋、接線的設置以及后期營運安全，工程牽涉面廣、制約因素多。本研究通過有限元分析軟件對兩種橋面布置形式進行計算分析，研究單層布置與雙層布置主梁結構的受力特點。在綜合比選后，給出更適合本項目的單層橋面布置方案。