大安嫩江大桥主桥设计

杨 忠

（吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

1 工程概况

省道大通公路为吉林省省级公路网拟调整方案中的一条纵线，是大安市、通榆县、通辽市相互连接、贯通吉林省西部的运输通道。本项目的建设将吉林省西北部地区与黑龙江省西部地区和内蒙古自治区东部地区有效地连接，构建了一条贯通黑、吉、蒙的快捷通道，对振兴东北老工业基地及吉、黑两省西部及内蒙古东部地区经济发展具有重要意义。

大安嫩江大桥为本项目的重要节点工程，位于吉林省大安市，地处松嫩平原腹地，属于嫩江下游河段，距离松花江入河口48 km，桥位处汇水面积22.171 5 万 km2。

桥址下游282 m处为大安港，大安港位于大安市境内的嫩江右岸，是吉林省最大的内河港口，也是国家一类口岸。

桥位位于通辽—让胡路铁路桥与大安港之间，距离铁路桥230 m，平行铁路桥布置。

结合铁路及大安港净距要求、通航及防洪要求，最终主桥采用（70+2×120+700）m预应力混凝土半刚构连续箱梁。

2 设计技术标准

a）道路等级 设计速度80 km/h一级公路标准。

b）设计荷载 公路-Ⅰ级。

c）设计洪水频率 特大桥1/300。

d）桥面横坡 单向横坡，同路面横坡。

e）桥梁宽度 主线桥梁采用上下行分离断面，半幅桥宽为11.75 m（0.50 m+净-10.75 m+0.50 m）。

f）通航标准 Ⅳ级航道，通航船型尺度为：138 m（长）×11 m（宽）×2.3 m（型深）×1.4 m（设计吃水）。航道尺度为水深1.6 m，单向通航净空50 m×8 m。设计最低通航水位131.99 m，设计最高通航水位124.36 m。

g）抗震设防标准 地震基本烈度值为Ⅶ度，地震动峰值加速度0.1g。

h）环境类别 Ⅱ类。

3 自然条件

3.1 桥位区域工程地质

桥址区位于松嫩冲积平原中部，呈典型的平原河谷地貌。上部地层主要为上更新统及全新统河流冲洪积物，下伏为第三系上新统砂岩、泥岩，层序较连续、稳定，地质条件较简单。

地下水对混凝土具有弱腐蚀性，对混凝土中的钢筋具有微腐蚀性；地表水对混凝土具有中腐蚀性，对混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性。

桥址区河槽至河漫滩范围内饱和砂土存在地震液化现象，液化深度3.0～13.0 m。

3.2 水文条件

嫩江水量的补给以降雨、融雪为主,径流量年内分配过程明显地反映出随季节变化的特征。

桥位位于通辽—让胡路铁路下游230 m，距离上游河湾弯顶2.3 km，距离下游河湾弯顶1.78 km。桥址处主槽流向和河流的总趋势一致，河道较窄、主槽流量较大，河道顺直、稳定。南岸（起点岸）河滩地势较高，形成陡砍；北岸（终点岸）为宽滩，断面开阔，桥位处两岸堤距离8 100 m，属平原区宽滩性河段。洪水期主河槽水深约17 m，河滩水深l～5 m，枯水期河滩干枯留下月形水泡、沼洼、蓄洪沟渠。设计流量：22 100 m3/s；设计水位：134.89 m。

3.3 气象条件

大安市地属中温带季风气候，四季分明。春季干燥多大风；夏季炎热、降水集中；秋季凉爽温差大；冬季少雪、漫长寒冷。气象资料见表1。

表1 气象资料

3.4 地震

依据国家地震局和建设部发布的《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，吉林省地震局与吉林省建设厅编制的《吉林省地震动参数区划工作图》，桥位处地震烈度为Ⅶ度。

《大安嫩江大桥工程场地地震安全性评价报告》确定了桥址场地的地震动特性，并确定了不同超越概率下对应不同阻尼比的地震动参数和设计反应谱。

4 总体设计原则

a）本项目为国家扶贫资金资助项目，桥型选择在满足“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理”的前提下，尽量选择经济指标较优的设计方案。

b）主桥在满足通航、防洪等功能要求的前提下，不仅要考虑施工技术成熟、结构受力合理，而且要考虑结构可修复性、可施工性、可管养性和可持续性。

c）重视全寿命周期成本，根据本桥跨径不大的特点，主梁以预应力混凝土材料为主，不采用后期养护成本较高的钢梁方案。

d）重视环保，尽量减少对桥下及桥两侧植被的破坏，使桥梁与周围景观相融合；重视对沿线水环境的保护，桥梁范围内的排水通过设置完善的桥面径流收集系统，将桥面径流收集后沿纵向排放至两岸桥头设置的蒸发池，处理达标后排放，并将蒸发池作为危险品事故泄露的应急蓄毒池；重视抗震设计，选择抗震性能较好的桥型结构，确保桥梁安全；重视桥梁景观设计，并考虑施工方便和有利于后期养护。

上述条件是选择适当的桥梁结构形式及构件类型的基本依据。

5 结构设计

5.1 上部设计

主桥上部结构形式为预应力混凝土半刚构连续箱形梁，其桥孔布置为（70＋2×120＋70）m。横断面为两幅分离的单箱单室断面，单幅箱梁全宽11.75 m，桥面横坡由箱梁顶板自倾形成。主桥纵向设在凸形竖曲线内，箱梁纵向为变截面；主墩墩顶箱梁梁高7.00 m，跨中及边跨支点箱梁梁高3.00 m，1～11号及0号块部分箱梁梁高按1.8次抛物线变化，其余箱梁梁高为等高度；顶板、腹板厚为分段线性变截面；1～11号块底板厚按1.8次抛物线变化，0号块底板厚为分段线性变截面，12号块底板为等厚。箱梁0号块长度12.00 m，悬浇段长度52.50 m，共分12块，每块长度3.75 m或4.50 m，中孔合拢段长度3.00 m，边孔合拢段长度1.50 m，边孔支架现浇段长度9.92 m。箱梁除墩顶设置横隔板外，边孔、中孔合拢段各设一块横隔板。

主梁按全预应力构件设计，采用纵、横、竖三向预应力体系。横向、竖向预应力钢束顺桥向间距为75 cm。顶板横桥向预应力钢束采用单端张拉，张拉端、锚固端交错布置，左右幅张拉端及锚固端对应设置。

5.2 上部分析

a）主桥设计采用“桥梁博士”计算程序进行纵向结构内力及强度计算分析，并通过施工阶段计算，验算各阶段及各工况的内力、应力及变形。采用“Midas”计算程序对结构计算进行复算。主要计算参数如下：混凝土容重γ=26 kN/m3，预应力钢绞线孔道摩阻系数μ=0.20，孔道偏差系数k=0.001 5，锚具变形及钢筋回缩6 mm。

b）纵向受力分析中在施工阶段考虑以下荷载：恒载、预应力效应、混凝土的收缩及徐变、施工荷载；在成桥运营阶段考虑以下荷载：汽车荷载、温度荷载、支座沉降。其中温度荷载中计入体系升温30℃，体系降温55℃，主梁顶板竖向梯度温度T1=14.0℃，T2=5.5℃。

c）计算时空气相对湿度按70%考虑，考虑基础变位2.5 cm。

d）施工阶段考虑以下工况：两侧梁段混凝土重量相差1/2标准梁段重，主梁不均匀性（单T一侧按理论重力的1.025，另一侧按理论重力的0.975），主梁最大悬臂状态两侧的竖向风荷载。

e）主桥横向分析以平面杆系理论，采用桥梁博士计算。在纵桥向桥跨跨中取1 m单位长度平面框架，活载采用横向加载进行横向结构分析。

f）本桥航道等级为四级，横桥向船舶撞击力为550 kN，顺桥向船舶撞击力为450 kN，船舶撞击力远小于地震力，不控制设计。

5.3 下部设计

主引桥过渡墩设4根（1.8×1.8）m的矩形柱式墩，基础为双排直径2.0 m钻孔灌注桩，桩顶设2.5 m厚承台，桥墩及承台设置破冰体。

主桥主墩为厚度2.0 m双薄壁式墩，两薄壁中心距7.0 m。基础为3排直径2.0 m钻孔桩，桩顶设3.0 m厚承台，2、3号桥墩及承台设置破冰体。

中间桥墩与主梁固接，桥台、其他桥墩梁墩（台）之间设置支座。为使桥墩在横向地震作用下多个桥墩共同承担上部结构的地震力，桥台、非固结桥墩设置横桥向混凝土挡块。

5.4 附属设施设计

a）主引桥过渡墩、桥台支座采用JQZ（Ⅰ）3.5 MN球型支座，非固结桥墩支座采用JQZ（Ⅰ）20 MN球型支座。

b）0号台处设置KF320型单元式多向变位梳形板伸缩装置，4号桥墩墩处设置KF400型单元式多向变位梳形板。

c）两侧均采用SA级四横梁金属梁柱式护栏。

6 抗震设计

桥位地区地震基本烈度为Ⅶ度区，该段宏观上具备砂土液化趋势，大安市区有关工程地质勘察资料表明本区可液化深度3～13 m，液化程度属轻微—中等。

主桥为B类非规则桥梁，E1地震作用下，采用多振型反应谱法进行抗震分析，结构阻尼比5%；E2地震作用下采用非线性时程分析方法进行抗震分析，采用瑞利阻尼，地震输入根据地震安评结果采用一般冲刷线处反应谱和时程。

主桥动力特性分析采用有限元通用程序Midas Civil进行分析。

a）主梁、桥墩均离散为空间的梁单元。

b）二期恒载采用分布质量模拟。

c）承台采用集中质量进行模拟。

d）采用承台底6个自由度弹簧刚度模拟桩土相互作用。

e）E1反应谱分析时固结桥墩模拟为与主梁固结，其余主墩和边墩横桥向与主梁铰接，纵桥向自由滑动。

f）E2非线性时程分析模型纵桥向固结桥墩与主梁固结，其余主墩和边墩与主梁之间采用滑动支座单元考虑滑动支座的动摩擦作用，固结墩按延性构件考虑，采用纤维单元模拟，滑动墩按弹性构件考虑。

g）E2非线性时程分析模型横桥向固结桥墩与主梁固结，其余主墩和边墩与主梁之间以铰接模拟挡块作用，各桥墩均按弹性构件设计，不考虑延性，但考虑构件开裂后刚度折减效应。

7 桥梁耐久性设计及措施

结构耐久性设计是确保在设计基准期内结构能够正常运营的重要保护屏障。基于结构耐久性设计的新设计理念认为桥梁耐久性的保证是需要桥梁设计、施工、运营和维护各个阶段共同努力的结果。结构设计应做到可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性，保证结构在设计寿命期内的服务功能。

7.1 环境类别及作用等级

根据桥梁所处的地理位置、气候条件等因素，确定混凝土结构所处环境类别主要为Ⅰ（碳化环境）、Ⅱ（冻融破坏环境）、Ⅳ（氯盐环境）、Ⅴ1（化学腐蚀环境）。各桥梁部位采用环境类别见表2。

表2 环境类别表

7.2 混凝土耐久性指标

混凝土的耐久性指标指混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱-骨料反应性等。根据结构的设计使用年限、所处的环境类别及作用等级，确定耐久性指标，见表3。

表3 耐久性指标表

7.3 耐久性构造措施

a）提高混凝土质量。

b）控制氯离子含量。

c）提高桥梁防水、防冻功能。

d）桥梁伸缩装置预留槽、护栏底座采用C50防腐蚀混凝土。

e）桥梁护栏底座、伸缩装置预留槽混凝土表面采用异丁基三乙氧基硅烷浸渍处理。

f）上部结构采用高性能混凝土。

g）地表水及地下水化学腐蚀作用等级为Ⅴ1-D级，采取对抗的措施。

（a）承台、墩身主筋保护层厚度采用净5 cm。

（b）承台、墩身采用C45混凝土。

（c）位于主河道中的2～4号桥墩在标高131 m以下的墩身表面及承台顶面和侧面采用异丁基三乙氧基硅烷浸渍处理。

（d）主桥2～4号桥墩桩基钢护筒作为永久钢护筒，不予拔出。

8 结语

本文所介绍的大安嫩江大桥，其地形、通航、地质条件相对复杂，在结构设计、抗震以及耐久性方面的工作，具有一定的工程参考价值。大安嫩江大桥建成后将成为吉林省西北部一道美丽的风景。