贵阳环城高速公路花溪大桥设计

金 令

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

贵阳环城高速公路花溪大桥设计

金 令

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

花溪大桥为贵阳环城高速公路南环线跨越花溪水库的一座特大型桥梁，主桥为192 m的中承式钢管混凝土拱桥，大桥全宽29.3 m(双向四车道+人行道)，设计速度100 km/h，是全线重点桥梁和控制性工程。介绍该桥的总体设计情况，包括桥式选择、设计参数、构造细节、施工方法。根据桥址处的条件大桥在贵州地区首次采用了三角形空间桁架拱、挖井基础、自密实钢管混凝土等技术，对多山岩溶地区同类型桥梁建设具有参考意义。

公路桥;拱桥;三角形空间桁架;挖井基础;自密实钢管混凝土;结合梁;设计

1 概述

花溪大桥为贵阳环城高速公路南环线跨越花溪水库的一座特大型桥梁，是全线重点桥梁和控制性工程。花溪水库位于南明河上游花溪河段，地处贵阳市花溪区，下游距花溪仅3 km，距贵阳市市区仅20 km，线路在此以斜交角度68°跨越花溪水库，最大洪水位时水面宽约88 m，路面距离水面高约50 m，两侧地势陡峭，地质主要为石灰岩，岩溶发育。由于花溪水库为贵阳市饮用水水源地，为减少污染决定采用跨越能力大、施工污染少的钢结构桥梁。

2 桥式的选择

结合桥址处的地形条件，200 m左右的峡谷桥梁，拱桥是经济的跨度，两岸岩体虽然有岩溶发育，但地质条件尚可，适于修建推力拱。并且拱桥线条柔美，与自然环境匹配性好。因此提出钢管混凝土和钢箱2种拱桥方案。

考虑到桥址处交通条件不适宜较大型箱式构件的运输，最后选用了钢桁拱方案。其优点是可以以较小的杆件单元组织运输，到工地后再组装。图1为竣工后的花溪大桥，桁架拱轻盈通透的外观与周围的环境协调一致。

图1 竣工后的花溪大桥

3 设计

3.1 概述

桥梁总体结构见图2，其设计条件和结构参数如下。

(1)桥梁基本情况

结构类型:中承式拱桥

拱肋形式:三管桁架式钢管混凝土拱肋

跨度:192 m

拱肋计算跨径:175 m

矢高:40 m

拱肋间距:拱顶处高度为4.0 m，拱脚处高度为6.0 m，拱肋沿拱轴线等宽度

桥梁宽度:0.35 m防撞护栏+1.5 m人行道+0.3 m防撞护栏+11.75 m行车道+1.5 m中央分隔带+11.75 m车行道+0.3 m防撞护栏+1.5 m人行道+0.35 m防撞护栏，全宽29.3 m

道路线形:平面 直线

立面 纵坡0.6%，双向横坡2%

道路:8 cm厚中粒式改性沥青

桥面系:格子梁结合桥面

桥面板:14 cm厚的C50钢筋混凝土预制板+10 cm厚C50后浇混凝土层

吊杆类型:平行钢丝束

图2 花溪大桥全桥布置(单位:m)

(2)主要技术标准

道路等级:高速公路

设计速度:100 km/h

设计基准期:主体结构100年，支座及吊杆15～20年

最大洪水位高程:1 146.0 m(1/1 000)

环境类别:Ⅰ类

环境作用等级:B

抗震基本烈度:6度

(3)设计荷载

设计荷载:公路Ⅰ级，人群荷载

温度荷载:体系温差 钢结构考虑全年最高和最低气温取ΔT=±30℃，混凝土与预应力混凝土结构考虑全年最高和最低月气温取ΔT=±20℃，钢-混凝土温差 ΔT=±15℃，钢梁日照不均匀温差 ΔT=±30℃，混凝土梁上、下缘温差 道碴桥面采用±5℃，框架墩身左右侧温差 ΔT=±5℃

设计风速:25.1 m/s

3.2 基础

贵阳地区为喀斯特地貌，地质情况复杂，溶洞和岩溶裂隙较发育，钻孔揭示的溶洞顶底板厚度0.20～4 m，溶洞为无充填、半充填或全充填，充填物为黏土和灰岩岩屑。工点范围内不良地质现象主要为灰岩区岩溶。根据钻探和物探结果，牛郎关岸的主拱位置为岩溶最发育区，溶洞和溶蚀裂隙较发育，金竹镇岸主要为岩溶影响区，溶洞分布在地表浅部，其下主要为岩溶影响的强风化层，以溶蚀裂隙为主要特征。溶洞对基础设置和工程稳定有较大影响。

岩溶地区的工程建设，基础一直是设计难点之一，本桥设计时除了需要考虑桥址处高度发育的溶洞、溶隙外，还需考虑工期的因素，最终开创性的将挖井基础用于本桥。挖井基础尺寸较大，利于机械施工，对于溶洞、溶隙的探明、处理也提供了良好的条件。施工过程也比人工挖孔桩更为安全。

相比初步设计的群桩基础，挖井基础虽然尺寸较大，但是桩数上却比群桩基础大有优势，结果是就承台的体型来说，挖井基础比群桩基础远为小。承台体型的缩小，使得基础布置有更大的灵活性，跨度因此得以缩小。并且基础范围比群桩基础小，遇到不良地质的可能性也大大降低了，见图3。

挖井基础尺寸为10 m×5 m，根据地质情况的不同，设计长度为24 m及21 m，承台尺寸为15 m×7 m。施工时，发现金竹镇岸的地质条件比钻探结果要好，又将桩长缩短到15 m;牛郎关岸下游拱座基础开挖时发现一未探明的较大的溶洞，由于作业面够大，也得到了快速的处理。

3.3 拱肋

桁架拱肋的采用虽然有效地解决了交通运输的问题，却给桥梁的美学设计带来很大挑战。传统的钢管混凝土拱桥多采用矩形的四管桁架，各自组成哑铃形的截面在上下弦，但这种桁架杆件相互遮挡，视觉上较为凌乱，难以得到通透、变化的效果。花溪大桥采用了目前国内较为少见的三角形空间桁架，桁架由上弦1根较大的钢管和2根较小的钢管组成品字形截面。桁架在透视上富于变化、视觉上也通透很多。通过计算，证明三角形桁架在横向稳定性方面也无任何问题。设计中详细研究了腹杆、下弦平联杆、吊杆锚管与主桁弦杆的相贯线干涉问题，使之皆能得到合适的布置而不影响焊缝的受力，拱肋结构详见图4。

最终大桥采用中承式钢管混凝土平行拱，计算跨度为175 m，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=2.2，拱肋轴线理论矢高40 m，矢跨比为1/4.375;拱肋横向中心距为29.5 m，拱肋采用钢管混凝土截面，每肋由1个φ1 000 mm的钢管和2个φ700 mm的钢管组成，外宽3 m，下弦管中心距2.3 m。拱肋高度沿拱轴变高，拱顶处高度为4.0 m，拱脚处高度为6.0 m，拱肋沿拱轴线等宽度。

拱脚、拱顶段上弦管壁厚为34 mm，二者之间区段壁厚为30 mm;拱脚、拱顶段下弦管壁厚为24 mm，二者之间区段壁厚为20 mm。上下拱肋之间的腹杆除吊杆处采用φ299 mm×16 mm外，其余采用φ400 mm×12 mm钢管。两个下弦钢管之间由截面为φ203 mm×12 mm钢管组成。

在拱肋的上下弦管内泵送混凝土采用流动性好、缓凝、水化热低的C50自密实混凝土，其余腹杆和横撑钢管内除拱脚特别指明者外不灌注混凝土。

3.4 自密实钢管混凝土

本桥拱肋内混凝土采用目前世界上先进的施工工艺:倒灌顶升泵送施工法。过去的钢管拱混凝土浇筑施工中，由于缺乏超长时间保持流动性混凝土配制技术，若采用倒灌顶升泵送施工工艺，往往无法一次性连续泵送，不仅施工效率低，甚至还易出现泵压过大、泵管爆裂、钢管内混凝土密实度低等工程质量事故。自密实钢管混凝土通过掺入适量的外加剂、合适的胶凝材料用量，以及粗细集料的选择经过精心设计，在拌和后具有高流动度而不离析、不泌水和高均匀性，在免振捣的成型条件下，能够在拱桥的钢管中充分填充空隙，形成了密实、均匀的组合结构材料。

采用自密实钢管混凝土具有以下优点。

(1)保证混凝土良好的密实性。

(2)提高生产效率，缩短施工期限，工人劳动强度大幅度降低。

(3)改善工作环境和安全性。没有振捣噪声，避免工人长时间手持振动器导致的“手臂振动综合症”、消除高噪声振动引起的工人健康的风险等。

(4)避免了振捣对拱肋钢管、施工支架产生的振动、磨损，增加安全性，延长施工机具其使用时间。

(5)可降低工程整体造价。从提高施工速度、环境对噪声限制、减少人工和保证质量等诸多方面降低成本。

根据计算，灌注顺序按照先上弦管，后下弦管;先外弦管，后内弦管的原则。

钢管拱自密实混凝土的应用可降低工程风险，节约工程投资，提高工程施工及运行质量，并使我国、尤其贵州地区混凝土工程的施工技术达到新的水平，对贵阳市环城高速南环线建设的可持续发展起到示范与推动作用。

3.5 桥面系

图3 挖井基础(左)与群桩基础(右)的承台尺寸比较(单位:m)

图4 拱肋截面及拱肋节点构造(单位:mm)

桥面系为钢纵横梁和钢筋混凝土桥面板的组合结构，在钢纵、横梁顶面上布置φ22 mm圆柱头焊钉与钢筋混凝土桥面板形成结合梁结构。共设置9道纵梁，其中2道为主纵梁，高度2 m;其余钢纵梁为次纵梁，高为0.8 m。钢横梁间距12 m，在行车道范围设2%横坡而变高，梁高从端部的1.9 m变为跨中的2.165 m。桥面布置和桥面系构造分别见图5、图6。

在拱上立柱和桥面第1根吊杆之间采用4道主纵梁+5道次纵梁，该处横梁不与主拱连接，横梁截面为箱形截面，见图7。

图5 桥面布置(单位:mm)

图6 桥面系构造(单位:mm)

图7 桥面系纵横梁布置(仅示下游半幅)(单位:mm)

桥面板由厚14 cm的C50钢筋混凝土预制板+10 cm厚后浇混凝土层+8 cm厚中粒式改性沥青混凝土组成(在桥面混凝土与沥青混凝土间喷涂1.2 mm厚BCW-G高性能桥面防水涂料)，预制混凝土板间的横向接缝宽为0.5 m，纵向接缝宽0.3 m，接缝混凝土采用C50补偿收缩钢纤维混凝土。

组合桥面相比钢桥面的优势在于减少噪声和易于养护，桥面采用钢纤维混凝土后浇层能更好地控制裂缝。

花溪水库为二级水源保护区，为保护水源不受桥面雨水污染在主桥桥面处设泄水管、通过设在人行道板下的顺桥向排水管排至桥墩处集水管，利用两岸集水设施收集桥面雨水，雨水集中处理后以供绿化使用。为防止交通事故对水源造成重大污染，在车行道外侧设置高等级防撞金属护栏，金属护栏外设置人行道栏杆，栏杆比护栏高出约0.5 m并经过强度检算足以承受设计车辆重力，以阻止发生交通事故后车辆侧倾落入水库中。

为方便检修，在桥面系下方设置检查车2台，分左右幅检查桥面系钢结构部分，如图8所示。

图8 桥面系及检查车

3.6 横撑

初步设计时横撑为“米”字形横撑，由于是风景区，凌乱的“米”字撑破坏了大桥的整体形象，在施工设计时桥面以上改用“一”字撑，横撑的腹杆布置采用与主桁相近的三角桁架，以取得与全桥协调的效果。由于“一”字撑刚度较弱，共设置了7道。第1道“一”字撑做成了平面桁架，减轻其作为桥门架时对过往车辆造成的压抑感;其余“一”字撑为“∧”形，去掉底部的平联杆也是为了达到更整齐的视觉效果。

4 施工

此桥桥面距离常水位水面超过60 m，拱顶距离水面更是接近100 m，且花溪水库为饮用水源地，除水库管理船只外，不必考虑通航条件制约，因此选择了缆索吊安装拱肋、同步扣索的施工方案。

缆索吊机跨度283 m，塔架使用万能杆件拼成，高度58～70 m，主索由8根6×37+FC型抗拉强度1 770 MPa的φ56 mm钢丝绳组成，垂度19 m，设计起重能力1 000 kN，实际最大吊重691 kN。

每侧主拱分成9个吊装节段，包含2个拱脚段、6个主要节段和1个合龙段，每岸各设3道扣索，每节段安装后先以临时连接固定，调整扣索索力后完成焊接。同步安装横撑。全桥主要施工步骤见图9。对每个施工步骤，均进行了有限元分析以控制变形和索力，见表1。

图9 全桥主要施工步骤

表1 索力计算结果对比 kN

拱肋合龙后，分阶段拆除扣索，封铰，上下弦管对称灌注C50自密实混凝土。先灌上弦，待混凝土强度达到设计强度后再灌下弦。

安装吊杆、拱上立柱，安装横梁，安装纵梁，铺设预制桥面板，施工桥面板后浇层。

5 结语

花溪大桥作为南环线工程的重中之重，不但成为环城高速路的标志性建筑，也创造了贵阳市政桥梁跨度的纪录。大桥在贵州地区首次采用了三角形空间桁架拱、挖井基础、自密实钢管混凝土等技术，对多山岩溶地区同类型桥梁建设具有参考意义。

目前花溪大桥已建成2年，运营情况良好。全面完工后的花溪大桥犹如一道靓丽的彩虹镶嵌在花溪水库上，是贵阳人民智慧的象征，更为自然景色密布的高原明珠——花溪再添人文一景。

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Design for Huaxi Bridge in Highway around Guiyang City

JIN Ling
(China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China)

Huaxi Bridge is a super large bridge across above Huaxi reservoir in the south line of Guiyang City Highway.The main bridge，which is a 192 m half-through concrete-filled steel tube arch bridge with 29.3 m in full width(bi-direction four lanes plus sidewalks)and 100 km/h design speed，is the key bridge and controlling project of the whole line.The author illustrates the general design situation of the bridge，including bridge-type selection，design parameters，structure details and construction methods.According to the situations at the bridge site，Huaxi Bridge is the first bridge using the technologies such as triangular space truss arch，cutting caisson foundation，self-compacting concrete-filled steel tube in Guizhou region，which can give some references for the same type of bridge constructions in mountainous karst area.

highway bridge;arch bridge;triangular space truss;cutting caisson foundation;selfcompacting concrete-filled steel tube;composite beam;design

U442.5

A

1004-2954(2012)07-0082-05

2011-10-31

金 令(1979—)，男，工程师，2002年毕业于大连理工大学，工学学士。