何 琴,顧 昊,張紅艷
(1.江蘇省水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210017;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇 南京 210022)
新孟河延伸拓浚工程因平地開河或河道拓浚破壞原有道路交通,故新建、拆建橋梁恢復(fù)交通。其中新孟河工程運(yùn)河以北段一般跨河橋梁19 座。橋梁方案除受水利、航道等行業(yè)要求外,還與現(xiàn)狀道路規(guī)模、周邊構(gòu)筑物的情況密切相關(guān)。如何合理確定跨河橋的總體方案,對(duì)恢復(fù)改善既有交通、順利推進(jìn)主體工程建設(shè)、減少周邊環(huán)境影響和降低工程造價(jià)等都有著非常重要的作用。通過對(duì)工程實(shí)施過程中考慮到的各種因素進(jìn)行梳理、分析和總結(jié),指導(dǎo)后續(xù)工程運(yùn)營管理,為類似工程提供參考。
(1)橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn):公路-I 級(jí)、城A 級(jí)。
(2)橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率及對(duì)應(yīng)水位:1/100(6.44 m)。
(3)抗震烈度:地震基本烈度7 度,地震動(dòng)加速度峰值為0.10g。
(4)航道要求:VI 級(jí)航道,最高通航水位5.63 m,最低通航水位2.75 m。
橋梁方案的確定與需河道拓浚后的河道設(shè)計(jì)成果、航道要求、周邊場地情況密切相關(guān)。
在現(xiàn)有跨河橋梁中,水中設(shè)置墩柱的情況比較普遍,特別是在水域?qū)掗煹奶烊缓拥郎蟍1]。新孟河為VI 級(jí)航道,其橋跨布置需結(jié)合航道要求,同時(shí)考慮水中墩柱防撞設(shè)計(jì),確保橋梁、船舶安全。
本工程河道底寬80 m,口寬根據(jù)河道所在段用地、周邊構(gòu)筑物情況采用116~126.4 m。設(shè)計(jì)河道典型斷面之一如圖1 所示。
圖1 設(shè)計(jì)河道典型斷面之一
結(jié)合河道設(shè)計(jì)口寬及橋軸線與河道中心交角,周邊地形條件,新建的銀山橋、三茅殿大橋橋位處地形標(biāo)高較低,橋梁總長385 m,小河橋143.16 m,東風(fēng)橋180 m,其余橋梁總長140 m??鐝骄唧w布置需結(jié)合航道要求等進(jìn)一步選定。
通航影響評(píng)價(jià)報(bào)告根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)的相關(guān)規(guī)定,跨河橋梁最小通航凈空綜合考慮航道、現(xiàn)狀、規(guī)劃、功能定位,貨運(yùn)量預(yù)測、項(xiàng)目功能等情況,結(jié)合航道水流條件、設(shè)計(jì)船型及周邊臨、跨河建筑物情況[2],沿線橋梁多采用雙孔單向通航,每孔凈空尺度不小于25×4.5 m,橋軸線法線與設(shè)計(jì)航道中心線交角較大的東風(fēng)橋、三茅殿橋、銀山橋凈寬不小于30 m。單孔雙向通航的小河橋與下游江宜高速公路橋?qū)撞贾?,通航尺度?0 m×4.5 m。
根據(jù)航道要求及橋軸線法線與設(shè)計(jì)航道中心線交角情況,各橋梁通航孔跨徑見表1。
表1 橋梁通航孔跨徑選擇
非通航孔跨徑結(jié)合橋梁總長進(jìn)行配跨。
小河橋考慮橋墩及防船撞設(shè)施尺寸,按通航凈空尺度要求,主跨不小于82 m。適合82 m 本跨徑的常用橋型有變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、下承式鋼管混凝土拱橋、鋼桁架梁橋等。
結(jié)合橋頭西側(cè)現(xiàn)狀道路、東側(cè)現(xiàn)狀政泰路標(biāo)高和沿線構(gòu)筑物分布,本工程需考慮建筑高度較低的橋型,變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)高度在可供選擇的橋型中最高,難以采用;根據(jù)以往類似工程鋼桁架梁橋造價(jià)高,故基于減少橋梁工程規(guī)模和總投資,本工程推薦采用下承式鋼管混凝土拱橋。
(1)拱肋橫向布置方案
小河橋所在道路橫斷面布置為3(人行道)+24(車行道)+3(人行道)=30 m,如考慮直接在機(jī)動(dòng)車外側(cè)設(shè)置兩片拱肋,橫梁高度大,增加了既有橫向道路改造范圍及橋頭現(xiàn)有建筑物的拆遷,設(shè)計(jì)對(duì)拱肋橫向布置進(jìn)行比選,見表2。
表2 拱肋布置方案比選
綜上,綜合拆建、對(duì)周邊居民出行影響、經(jīng)濟(jì)性,采用三片拱肋布置。
(2)拱肋截面形狀的比選
荷載在邊拱和中間拱的分配比例不同,考慮結(jié)構(gòu)受力不同和三片拱變形協(xié)調(diào)需要,邊拱肋和中拱肋截面應(yīng)該不同。目前對(duì)三片拱的截面主要采用啞鈴型或矩形,其特點(diǎn)見表3。
表3 拱肋截面形式的比選
綜上,小河橋采用三片拱鋼管混凝土系桿拱橋,拱肋采用矩形截面。實(shí)施方案采用三片拱肋的鋼管混凝土下承式拱橋,如圖2 所示。
圖2 小河橋成橋圖
其他跨河橋梁跨徑介于20~45 m,結(jié)合經(jīng)濟(jì)比選、地方要求采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)方案,效果圖如圖3 所示。
該航段的航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅵ級(jí),以拖帶船隊(duì)作為設(shè)計(jì)船型[3],參數(shù)見表4。
表4 設(shè)計(jì)船型采用表
船舶撞擊作用設(shè)計(jì)值根據(jù)航評(píng)報(bào)告建議按300 t船舶考慮;荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)[4]取用,見表5。
表5 內(nèi)河船舶撞擊作用設(shè)計(jì)值
防船撞設(shè)施一般分為主動(dòng)防船撞設(shè)施和被動(dòng)防船撞設(shè)施,其中結(jié)構(gòu)型防船撞設(shè)施是近年來發(fā)展較快的一種被動(dòng)防船撞設(shè)施。
以往針對(duì)各座橋梁常僅設(shè)置橋涵標(biāo)、橋柱燈、橋名牌等,本工程根據(jù)航道要求沿線一并設(shè)置了側(cè)面標(biāo)、管線標(biāo)、航道信息提示牌、橋梁警告提示牌等警示標(biāo)志或安全監(jiān)控預(yù)警設(shè)施等主動(dòng)防船撞設(shè)施。
復(fù)合材料防船撞設(shè)施在防船撞消能、使用壽命、施工難易、耐腐蝕性、后期養(yǎng)護(hù)、對(duì)船體影響等方面均具有較強(qiáng)的優(yōu)勢,是近年來結(jié)構(gòu)性防船撞設(shè)施中使用較多的一類,本工程結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素,從消能方式、能量吸收方式、優(yōu)劣等方面對(duì)橡膠護(hù)舷和復(fù)合材料防撞護(hù)舷進(jìn)行了梳理[5],見表6。
表6 防船撞設(shè)施對(duì)比分析表
本工程復(fù)合材料防撞設(shè)施厚0.3 m,兩側(cè)共占用通航凈寬0.6 m,且實(shí)設(shè)凈寬均能滿足航評(píng)要求。防撞設(shè)施構(gòu)造及安裝后的成果如圖4 所示。
圖4 復(fù)合材料防撞護(hù)舷橋梁
本工程利用Patran 軟件建立船橋碰撞有限元模型,定義模型材料屬性、載荷、速度、約束等條件,對(duì)典型橋梁在VI 級(jí)航道100 t 船舶噸級(jí)進(jìn)行有限元分析。
撞擊工況采用滿載下高水位正撞,撞擊速度為1.67 m/s,未安裝復(fù)合材料防撞設(shè)施有限元分析結(jié)果見表7。
安裝復(fù)合材料防撞設(shè)施后船舶撞擊力及設(shè)防效果見表8。
表8 復(fù)合材料防撞設(shè)施設(shè)防效果分析表
根據(jù)以上分析結(jié)果,0.3 m 厚的復(fù)合材料防撞設(shè)施能夠滿足規(guī)劃VI 級(jí)航道通行100 t 級(jí)船舶的防撞性能要求。
跨新孟河航道橋梁較多,橋梁方案的確定涉及交通、市政、航道等行業(yè)主管部門,以及地形、地物、用地、周邊構(gòu)筑物的影響。本工程的順利實(shí)施,其經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似工程具有較高的參考借鑒作用。
在運(yùn)營過程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)過往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實(shí)施有效監(jiān)控,確保在既定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)通行,防止船撞橋事件的發(fā)生。同時(shí),定期對(duì)橋梁進(jìn)行巡視和維護(hù),以增加橋梁的運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)了解,降低船撞事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。