高速公路特大型橋梁與跨大堤橋設(shè)計(jì)方案研究*

王志豪，馬 婧

（鄭州市公路工程公司，河南 鄭州 450001）

濮陽(yáng)至陽(yáng)新高速公路黃河特大型橋梁跨大堤橋的橋址水文特征獨(dú)特，通航環(huán)境及周?chē)鷳B(tài)環(huán)境要求較高。該橋址的選擇既要滿(mǎn)足通航和河道特征要求，還要與工程地質(zhì)、地形地貌條件、水文（水利）條件等相適合，更應(yīng)與周?chē)h(huán)境及景觀要求等相一致。在我國(guó)加強(qiáng)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的大背景下，橋梁建設(shè)既要處理好耐久性和造價(jià)費(fèi)用、后期養(yǎng)護(hù)等問(wèn)題，又要考慮施工技術(shù)難易程度、結(jié)構(gòu)造型與堤外引橋的搭配，以及同周?chē)h(huán)境的協(xié)調(diào)性。為此，通過(guò)比對(duì)波形鋼腹板式組合梁橋與預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的技術(shù)方案，從中選擇適用連續(xù)梁橋的最佳設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

濮陽(yáng)至陽(yáng)新黃河特大橋全長(zhǎng)8 127 m，橋?qū)?×16.56 m，工程造價(jià)高，工程規(guī)模大，橋梁形式選擇是該項(xiàng)目的關(guān)鍵。起點(diǎn)樁號(hào)自北向南，分別為：北堤的外引橋、跨大堤橋、堤內(nèi)引橋，主橋，以及南堤的內(nèi)引橋、跨大堤橋、堤外引橋等組成。全橋共36 聯(lián)，伸縮縫37 道。表1 為陽(yáng)新高速公路黃河特大橋跨徑布置方案。

表1 陽(yáng)新高速公路黃河特大橋跨徑布置方案

濮陽(yáng)至陽(yáng)新黃河特大橋水文地質(zhì)條件符合黃河水文水利特征，地質(zhì)復(fù)雜，抗震設(shè)防烈度高，沖刷大，屬典型游蕩性河段。主河槽擺動(dòng)大，應(yīng)充分考慮黃河綜合治理、開(kāi)發(fā)利用及防洪規(guī)劃等問(wèn)題，橋梁選擇位于黃河主河槽順直且窄的部位跨越[1]，應(yīng)盡量減小黃河橋軸線與主河槽中泓線、治導(dǎo)線法線與橋軸線的夾角。

2 濮陽(yáng)至陽(yáng)新黃河特大橋橋位方案

2.1 濮陽(yáng)至陽(yáng)新黃河大橋橋位比選位置

上下游黃河大橋合理分布根據(jù)水利部黃河水利委員會(huì)相關(guān)要求[2]，高村至陶城鋪河段的容許橋梁間距應(yīng)在5 km 以上。其中，方案K 線橋位與上游G106 東明黃河大橋相距14.8 km，與下游S304（規(guī)劃中） 黃河大橋相距12 km。方案AK 線橋位與上游G106 東明黃河大橋相距13 km，與下游S304（規(guī)劃中） 黃河大橋相距13.8 km。K 線橋位和AK線橋位，這兩個(gè)方案均滿(mǎn)足橋位設(shè)計(jì)要求。

2.2 保證橋址所處河道的穩(wěn)定性

橋位處一般要求河勢(shì)較穩(wěn)定，主流在不同時(shí)期、不同流量下擺幅較小，深泓點(diǎn)位置變化不大，主槽窄深，變化小。根據(jù)黃河水利委員會(huì)相關(guān)要求，黃河大橋橋墩設(shè)置以不影響河道主流變化為原則，橋梁軸線與洪水主流方向垂直，若有交角偏差，不宜超過(guò)10°。K 線橋位和AK 線橋位都位于張閻樓工程和連山寺工程之間，河勢(shì)穩(wěn)定，主槽擺幅較小。另外，治導(dǎo)線與K 線橋位間呈4°夾角，與AK 線橋位間呈2°夾角，均滿(mǎn)足橋梁穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2.3 銜接優(yōu)化高速路網(wǎng)

濮陽(yáng)至陽(yáng)新黃河特大橋工程，起點(diǎn)始于濮范高速，向南線路，濮陽(yáng)小辛莊南，上跨黃河北大堤為K 線方案，偏東南方，于菏澤牡丹區(qū)李莊集東高寨村的東北向跨黃河南大堤，南與荷東高速相接。AK 線跨黃河北大堤，在濮陽(yáng)市晁莊的北向，路線偏東南方，在高寨村的西南向跨黃河南大堤，南與菏寶高速相接。

路線布線時(shí)，考慮到前后互通的間距，經(jīng)過(guò)兩省綜合城市路網(wǎng)對(duì)接，經(jīng)多次論證確定路線的具體位置，并通過(guò)預(yù)測(cè)交通量、車(chē)道數(shù)計(jì)算，最終進(jìn)行服務(wù)水平評(píng)價(jià)。主橋與跨大堤橋考慮的主要影響因素有以下3 點(diǎn)。

1） 黃河大橋的合理分布符合高速公路網(wǎng)的整體走向。

2） 橋址處河道的穩(wěn)定性注意軟土及地震液化對(duì)路區(qū)及路基結(jié)構(gòu)的影響。橋址處屬黃河中下游，而黃河下游地表土層承載力不佳，工程性質(zhì)一般或較差，粉土段易形成地震液化，影響河道及橋梁穩(wěn)定性。

3） 壅水的影響。橋墩壅水會(huì)不斷地沖刷堤壩和河道，這在一定程度上降低了河道及堤防工程的防洪等功能。

根據(jù)以上的控制因素，參照J(rèn)TG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，本項(xiàng)目初擬定黃河橋位為：K 線橋位方案，即北側(cè)跨黃河北大堤，沿東南向跨過(guò)黃河，在高寨村東北向跨南大堤。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋方案比選

連續(xù)梁橋跨中梁高比較小，結(jié)構(gòu)輕盈，此高度梁能較好地符合梁的內(nèi)力分布規(guī)律，初步設(shè)計(jì)提出兩個(gè)梁式橋設(shè)計(jì)方案，并從材料方面對(duì)此方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

綜合考慮施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、混凝土耐久性，以及通航要求，制定了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計(jì)方案。此方案中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁技術(shù)較為成熟，且應(yīng)用最為廣泛，因此，將大堤橋跨布置為（75+130+75）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長(zhǎng)280 m，橋?qū)?×16.56 m，采用上下行分離式橋梁。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁，大堤橋邊跨與中跨比為0.577。主梁屬單箱室斷面，箱梁底、頂寬度分別為8.5 m 和16.56 m，4.03 m 長(zhǎng)的懸臂。主橋箱梁選取豎向、橫向、縱向預(yù)應(yīng)力混凝土，其中縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為全預(yù)應(yīng)力，由于鋼絞線具有低松弛高強(qiáng)度的特征，縱向結(jié)構(gòu)采用鋼絞線。豎向預(yù)應(yīng)力為螺紋鋼筋。在具體施工中，常用的懸臂澆筑、懸臂拼裝、頂推施工、滿(mǎn)堂支架等施工方法的應(yīng)用無(wú)須設(shè)置大量臨時(shí)設(shè)備和施工支架，不會(huì)給橋下通車(chē)及通航造成影響，施工期也不受水位及季節(jié)影響，具有非常強(qiáng)的施工優(yōu)勢(shì)。

3.2 方案二：波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋

橋跨布置為（75+130+75）m 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋，全長(zhǎng)280 m，橋?qū)?×16.56 m，采用上下行分離式橋梁。參照（DB37/T 3549-2019）《大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋技術(shù)規(guī)范》[4]和黃河特大橋?qū)嶋H要求，上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋，邊跨與中跨的比例為0.577。主梁為單箱單室型。梁高與底板依據(jù)2 次拋物線變化，波形鋼腹板采用Q345qD 鋼材。以波形鋼腹板取代混凝土腹板，箱梁為波形鋼腹板與鋼筋混凝土相結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)，利用10 ～30 mm 厚度鋼板代替30 ～80 mm 厚度的混凝土腹板，能夠有效減輕橋梁重量，也提高了橋梁的美觀性。但斜拉橋施工工藝復(fù)雜且養(yǎng)護(hù)工作量大，成本造價(jià)高[5]。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋，縱向預(yù)應(yīng)力筋為體內(nèi)束、體外束。預(yù)應(yīng)力為鋼絞線，體內(nèi)束內(nèi)設(shè)連續(xù)梁，承受恒載；體外束用于承受活載，于全橋合龍后穿索張拉。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋大量使用體外預(yù)應(yīng)力鋼束，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，進(jìn)而降低其跨中下?lián)巷L(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)抗震性能。

3.3 方案比較分析

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有施工工藝成熟、工期短、造價(jià)低及后期養(yǎng)護(hù)工程量小等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于60 只150 m 跨徑范圍內(nèi)。而波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋是一種高效、經(jīng)濟(jì)且施工簡(jiǎn)單便捷的新型橋梁形式，可恰當(dāng)?shù)貙⒒炷梁弯搩煞N材料有機(jī)結(jié)合，降低了大跨徑混凝土梁式橋腹板開(kāi)裂及跨中下?lián)系娘L(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用體外索方便了后期橋梁維修[6]。同時(shí)，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的懸空施工工藝復(fù)雜，對(duì)施工控制及施工質(zhì)量要求非常高，后期維護(hù)難度大，維護(hù)成本高。這兩種橋型方案的跨徑組合相同，差別主要在結(jié)構(gòu)的合理性、工程造價(jià)、工期、后期維護(hù)及施工難度等方面，經(jīng)分析比較，方案一、方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)。表2 為跨大堤橋設(shè)計(jì)方案比較情況表。

表2 跨大堤橋設(shè)計(jì)方案比較情況表

通過(guò)表2 對(duì)比分析得出：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)方案有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，后期維護(hù)少，造價(jià)及維護(hù)成本比較低[7]?？紤]造型與堤外引橋的搭配，以及同周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)性等因素[8]，最終，濮陽(yáng)至陽(yáng)新高速公路特大型橋梁工程跨大堤橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

濮陽(yáng)至陽(yáng)新黃河特大型橋梁跨越河南省與湖北省高速公路，在具體擬定本項(xiàng)目的橋位方案時(shí)，要考慮兩省、兩市的橋位對(duì)接，高速公路網(wǎng)的路線整體走向，橋址處河道的穩(wěn)定性以及黃河防洪等多種因素。同時(shí)，還要處理好航道、交通、生態(tài)環(huán)境間的關(guān)系，確保橋梁耐久性及安全性是橋梁工程的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋方案，盡可能地降低了通航風(fēng)險(xiǎn)及施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省造價(jià)，此跨大堤橋材料選型可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)及材料選用等提供參考。