巴溪洲湘江桥结构设计特点

饶海庚　华　波　朱安静

(中国市政工程西北设计研究院有限公司　武汉　430056)

巴溪洲湘江桥结构设计特点

饶海庚华波朱安静

(中国市政工程西北设计研究院有限公司武汉430056)

摘要飞燕式拱桥的结构受力十分复杂。以巴溪洲湘江桥为背景，对系杆拱和推力拱结构体系进行了研究比选，并设计了一系列的构造措施。实践证明，推力拱结构体系在该桥的应用取得良好的效果，设计采取的构造措施有效可靠，为飞燕式拱桥的结构设计提供了新的思路。

关键词飞燕式拱桥推力拱

1工程概况

巴溪洲湘江桥跨越湘江副河汊，河道宽约300 m，是长沙市巴溪洲水上公园与市区联系的唯一通道。

1.1　主要技术标准

(1) 道路等级：城市支路。

(2) 荷载等级：城-B级。

(3) 设计使用年限：100年。

(4) 结构安全等级：一级。

(5) 桥面宽度：桥宽9.5 m，双向2车道。

1.2　桥位地质情况

从桩顶往下土层依次为：强风化泥质粉砂岩，层厚2～2.5 m；中风化泥质粉砂岩，饱和单轴抗压强度2.5 MPa，层厚30～35 m；微风化泥质粉砂岩，饱和单轴抗压强度4.0 MPa，属极软岩。

经过对多种桥型方案的比选论证后，选用飞燕式钢箱提篮拱桥型，孔跨布置为50 m+180 m+50 m，见图 1，外观效果见图 2。

图1　桥型立面布置图(单位：m)

图2　桥梁外观效果

2结构体系方案及比选

飞燕式拱桥是拱桥中富有特色的一种桥型。此类桥型的结构设计关键在于采取有效可靠的构造措施，平衡主拱推力。结构体系分为系杆拱与推力拱2种方案。

我国已建飞燕式拱桥一般采用系杆拱体系, 见表 1。

表1　我国已建成的飞燕式拱桥实例

根据该桥地质条件，桩侧土换算地基比例系数m值可达30 000～50 000 kN/m4，水平抗力系数较高，推力拱结构体系可能是更合理的选择，因此设计对系杆拱与推力拱系进行了研究比较。

2.1　系杆拱结构体系方案

系杆拱体系主要由主跨、边跨、主拱墩、纵向系杆4大部分组成(见图 3,图 4)，四位一体，相互影响，相互依存[1]，通过张拉锚固于边跨端部的系杆索来平衡主跨拱肋水平推力，可有效地降低下部结构及基础的工程量和造价。

图3　系杆拱体系结构总体布置(单位：m)

图4　系杆拱体系横断面图(单位：m)

主跨上拱肋采用钢箱拱，下拱肋和边跨拱肋采用混凝土拱。全桥共设6根可换索式系杆，规格为43股Φs15.2无粘结高强低松弛钢绞线拉索，单个主拱墩基础采用6根直径1.8 m灌注桩。

2.2　推力拱结构体系方案

推力拱体系是通过加强主拱墩基础的抗推能力，来抵抗主跨拱肋的推力效应，相对系杆拱来说需增加基础工程量，但省去了纵向系杆索。该桥推力拱体系结构总体布置见图 5。

图5　推力拱体系结构总体布置(单位：m)

与系杆拱相比，主拱墩基础采用6根φ3.0 m的大直径灌注桩，其余构造基本相同。

2.3　结构体系比选

2种结构体系方案，桥型外观相同，但在结构受力性能、安全性风险、主体工程量、建安费、桥梁全寿命周期成本等方面存在一定的差异。

(1) 结构受力性能及安全性风险比较。推力拱体系由桩基承受拱脚推力，结构受力相对简单可靠。

系杆拱体系由系杆与桩基共同承受拱肋推力，系杆承担了绝大部分水平推力，是全桥的生命线。系杆索在施工期间张拉时序的控制和后期更换过程的控制，都要求每一步将拉力控制得恰到好处，过大、过小都会给结构带来一定损伤，严重时还会危机桥梁安全。运营期间，若系杆因锈蚀而断裂，也将影响桥梁安全。因此系杆拱结构受力更复杂，且增加了较大的安全性风险。

(2) 主体工程量及建安费比较。2种体系工程数量差异主要表现在主墩基础、系杆索方面。系杆拱方案工程建安费4 530万元(其中系杆索建安费约250万元)，推力拱方案工程建安费为4 650万元，仅比系杆拱方案增加120万元。工程量比较见表 2。

表2　工程量比较表

(3) 桥梁全寿命周期成本。桥梁全寿命周期成本包括从规划、设计、施工、运营和最后拆除整个生命周期内各个环节所需的一切费用，与新建成本相比，它还需考虑运营期的养护费用和拆除回收期的费用[2]。目前，基于全寿命观点的规划与设计理念，开始逐步引起各行业的重视。

运营期间，2种方案的钢箱拱和吊杆均需定期维护，而系杆拱方案另外增加了系杆的维护、更换费用。系杆必须定期和不定期检查养护，且使用一定年限后，根据损伤、腐蚀及断丝状况，需考虑更换，如广东佛陈大桥运营5年多，就发现系杆锈蚀严重，承载力下降10%，加固时更换了部分系杆索[3]。经估算，系杆索后期更换及养护的预期费用约2 000万元，显然，系杆拱体系方案的全寿命周期成本高于推力拱体系方案。

经过上述综合比较，最终采用推力拱结构体系方案。

3关键性构造措施及施工方案

全桥结构总体布置见图 5，主跨上拱肋采用钢箱提篮拱，下拱肋及边跨拱肋采用钢筋混凝土拱，主跨主梁采用预制空心板结构、边跨主梁采用预应力混凝土梁，吊索采用HDPE护套平行钢丝成品索，基础采用灌注桩基础。

3.1　混凝土刚架构造

推力拱体系除了加强基础的抗推能力外，还应采取有效可靠的构造措施，以改善混凝土拱肋等构件的受力状态。设计将主跨下拱肋、边跨拱肋、主拱墩、边跨桥面主梁连接成为整体混凝土刚架。混凝土刚架是本桥的关键性构造措施，主要起到了2方面的重要作用。

(1) 改善了混凝土拱肋的受力状态。在没有系杆索的拉力时，边跨拱肋的拱脚负弯矩和拱顶附近的正弯矩将急剧增大，主跨拱脚处的负弯矩也有较明显的增大。

设置混凝土刚架后，主梁与拱肋相互作用，形成三角撑拉杆受力体系，拱肋为撑杆，桥面主梁为拉杆，在拉杆内配置纵向预应力钢束，以满足受拉需求。撑拉杆体系的形成，有效地减少了混凝土拱肋的弯矩效应，从而改善了拱肋受力状态。此时，混凝土刚架结构的弯矩效应见图 6。

图6　刚架弯矩包络图 (单位：MPa)

(2) 提高了结构的整体受力性能。刚架内部各构件相互作用，相互依存,形成有机的整体，共同承受主跨上拱肋的推力效应，对结构的整体性能产生了积极的效果。

3.2　大直径桩基

采用推力拱结构体系，主墩基础承受的水平推力较大，单个主墩约22 000 kN。桩基直径的选用，对基础抗推能力、工程造价及施工影响较大。一般而言，采用大直径桩抗推，可取得更好的经济效应，但是最大直径的选择需结合施工工艺水平，根据国内大直径桩实际应用情况，最大桩径不宜大于3.0 m。

为了更加经济、合理地确定桩径方案，设计对直径3.0，2.5，2.0 m 3种桩径方案进行了经济性比较，见表 3。

表3　桩径方案比较表(单个主墩)

经比较，直径3.0 m桩径方案具有较好的经济效应，抗推效果好。根据调查，在国内，类似地质条件，桩径达3.0 m的大直径桩成功案例较多(如荆岳长江公路大桥[4]、宁波大榭岛大桥、湖北鄂黄长江大桥、安庆长江公路大桥[5]等。 成孔方式可选用卷扬机吊十字冲锤冲击成孔，或KTY3000A型回旋钻机成孔等，因此设计最终选择直径3.0 m大直径桩基方案。

3.3　拱肋钢混结合段

主跨上、下拱肋分别采用钢箱拱、混凝土拱，合理的钢混结合段构造可有效解决上、下拱肋的传力问题，连接方案一般有预应力锚杆加剪力钉形式，PBL剪力键形式等。

该桥拱肋钢、混交接截面内力状态为：最大轴力11 956 kN,最小轴力11 070 kN,最大弯矩9 800 kN·m，最大剪力1 008 kN。根据受力特点，

采用预应力锚杆加PBL剪力键连接形式，见图 7。以预应力锚杆为主，有效提供抗弯能力；以PBL剪力键为辅，起传递剪力作用，并作为抗弯的安全储备，同时有助于钢拱肋起拱段的施工定位。

图7　钢混结合段构造图 (单位：MPa)

3.4　施工方案

边跨混凝土刚架位于河道的滩涂地，采用支架现浇施工。

主跨桥面距离河床面高度达20 m，拱顶距离桥面高度约30 m，支架施工难度太大，且难以保证安全，同时考虑到施工期间环保、通航等要求，最终主跨钢拱肋及桥面系选择缆索吊装施工方案，见图 8。

图8　施工现场照片

4结语

巴溪洲湘江桥已经建成通车，目前运营状态良好，该桥采用的结构体系及构造措施已成功地应用于实体工程，为今后类似桥梁的结构设计提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1]郑怀颖，陈宝春.飞鸟式钢管混凝土拱桥设计计算分析[J].公路交通科技,2007(1)：90-94.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社,2007.

[3]郑强，孙国安.佛陈大桥缺陷原因分析及加固[J].中国铁道科学,2000(4)：21-29.

[4]丁望星，姜友生.荆岳长江公路大桥设计[J].桥梁建设,2011(4)：57-61.

[5]王仕豪.KTY3000A型动力头钻机在大直径桩孔施工中的应用[J].桥梁建设,2003(S1)：79-82.

The Structure Design Features of Baxizhou Xiangjiang River Bridge

RaoHaigeng,HuaBo,ZhuAnjing

(Wuhan Branch，Northwest Design and Research Institute Co.，Ltd.，of China Municipal Engineering，Wuhan 430056， China)

Abstract：The mechanical property of flying swallow type arch bridge is complex. Taking Baxizhou Xiangjiang River Bridge as the research object, the tied arch and thrust arch structure system are researched and compared in the article. A series of structural measures are designed. The practices show that, thrust arch structure system in the application of the bridge is efficient and the structural measures are effective and reliable. The paper provides new method for the design of flying swallow type arch bridge.

Key words:flying swallow type; arch bridge; thrust arch structure

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.012