长白山国际旅游度假区北区1#桥梁选型研究

刘永福

（中国建筑土木建设有限公司，北京市　100070）

长白山国际旅游度假区北区1#桥梁选型研究

刘永福

（中国建筑土木建设有限公司，北京市100070）

东北高寒山区的桥梁建设同时面临地形、地貌、地质复杂多变，环保、水保要求高的难题，选择合理的桥型越来越难。结合长白山国际旅游度假区桥梁工程，根据地质条件和城市规划选择桥梁类型，通过结构受力分析，进行结构优化，最终确定了的桥梁的整体设计方案。为同类桥梁选型提供较好的借鉴作用。

旅游度假区；桥梁工程；选型；研究

0　引言

近年来，随着东北老工业基地振兴的战略推行，工程建设向偏远、高寒、山区等区域发展［1］。高寒山区地形、地貌条件十分复杂，地质情况多变，环保、水保要求高，桥梁建设面临新的问题。课题组以承接的长白山国际旅游度假区北区桥梁工程1#桥工程为依托，对如何根据典型地质条件、城市建设选择桥梁类型进行研究，在确定桥梁选型后，又对桥梁进行了结构受力分析，优化桥梁的受力条件，将跨径选择、墩梁布置和温度应力进行了分析，确定了桥梁的整体设计方案。

1　桥位选择

1.1整体规划简介

长白山国际旅游度假区总占地21 km2，项目总投资230亿元人民币，是中国目前投资额最大的单体旅游地产项目。该际旅游度假区规划为旅游新城，县行政中心所在地，设置有行政中心、教育中心、文化中心、医院和万达广场。整体规划分为三个地块，沿小山水库布置。该桥跨跃小山水库库区，连接高档居住区和行政中心、教育中心，属于规划的主要交通干道，其交通性能和景观要求均应满足整体规划需要。该国际旅游度假区交通规划如图1所示。

1.2拟跨河流情况

桥梁拟跨小山水库位于松江河上游段，是一座以发电为主要任务的水利枢纽，水库正常储水位683 m，死水位664 m，有效库容0.56亿m3，为一个不完全年调节水库。桥址处小山水库坐落于一峡狭窄河谷，谷坡36°～45°，河流流向近南北向，谷底高程600 m左右，两岸山顶高程710～720 m。

图1　长白山国际旅游度假区北区交通规划图

1.3桥位选择

由于规划限制，桥位选择以规划线两侧各300m范围内调整。最终选择在图1所示位置，该桥位相比具有以下优点：（1）桥梁长度约450 m，水面宽180 m，桥长最短；（2）桥位距主库区350 m，受水库行洪、储水等影响较小；（3）桥位处坡面较缓，处于水库回湾，施工较为便利。

2　水文与地质情况

2.1地质情况

桥梁位于长白山西坡，属鸡爪形山前熔岩台地。地势呈南高北低，逐渐向西北倾斜。桥位处河谷下部为中侏罗系安山岩，上部为第三纪末第四纪初玄武岩，玄武岩构成了两岸台地。河床覆盖层厚度为0～1.5 m，两岸覆盖层厚度为1～2 m。

2.2区域气候条件

该区属北温带大陆性季风气候，年平均温度4.9～7.3℃。全年降水量600～1 340 mm，多集中于生长季节。冬季山下积雪一般7个月，平均雪厚30～50 cm，最大积雪厚度1 m左右；结冻期7～8个月，从9月中旬到次年5月，最大冻土深度达180 cm。

2.3场地地形地貌条件

拟建场地属于某低山丘陵地貌单元，场地线路上起伏较大，地形总体上西北高，西南及沿河西端低，现场地主要为林地、参地及耕地。

2.4地层岩性及分布特征

桥位处地质为5个层位，自上而下分别为：第①层种植土，层厚为0.0～0.20 m；第②层 粉质粘土，层厚0.00～2.10 m；第③层 粉质粘土混碎石，粒径一般为10～30 cm，最大粒径达2 m，层厚0.00～1.80 m；第④层 强风化玄武岩，局部地段气孔发育，层厚4.20～4.90 m。第⑤层中风化玄武岩，较破碎，层状或块状结构，最大揭露厚度为11.80 m。此层岩石单轴饱和极限抗压强度76.23～121.23 MPa之间。

2.5场地水文地质条件

根据勘察结果，地下水类型为第四纪孔隙潜水，主要赋存在第四纪沉积粉质粘土混碎石层及卵砾石层中，粘土层渗透系数较小，k=1.0 m/d，属于弱透水层，卵砾石层渗透系数K=80 m/d，属强透水层，主要受大气降水及侧向径流补给，水位年变幅一般在1.00～1.50 m。

3　设计技术标准

（1）设计安全等级：一级；

（2）结构重要性系数：1.1；

（3）道路等级：城市主干路—Ш级，设计车速40 km/h；

（4）结构设计基准年限：100年；

（5）地震基本烈度：设计基本烈度6度，构造按7度设防，桥梁抗震设防类别为A类；

（6）环境类别：Ⅰ类；

（7）通航情况：不通航。

4　桥型选择

4.1桥梁选型分析

4.1.1桥梁选型的原则

（1）根据其地质情况及周围环境选择可以发挥承载能力的桥型和桥孔布置，要满足设计技术标准的强度、刚度、稳定性和耐久性的需求，符合安全性和适用性要求。（2）应与某国际旅游度假区北区规划和谐、协调。应结合地区的条件，合理选择桥梁的造型，让桥梁的结构与周围环境和谐统一，符合美学要求［2］。（3）桥梁建设的经济性也是必须考虑的因素，既要满足美观实用也要满足预算要求，尽量做到施工方便经济。（4）要满足建设单位的要求前提下，在经济、实用、美观间取得最适合的权衡，同时不能偏废任何一方面［3］。

4.1.2桥梁造型要点

根据拟定的桥位和桥址处的地质、水文等情况，桥型选择主要考虑以下要点：

（1）该桥位于小山水库库区，水深及水面宽度是由于水库蓄水形成的，与一般天然河流的情况不同。桥位处两侧岸坡陡峭，水深28～42 m，根据桥位处地形及水深条件，桥梁基础宜布置在水深较浅（6 m左右）的岸边。桥面设计标高与水面标高差近30 m。（2）桥址处水面宽度180 m，桥梁主跨以160～200 m左右为宜。（3）地处东北高寒地区，年度温差极大。（4）该旅游度假区规划为旅游小镇，桥梁必须与景观相适应。

4.2桥型分析

根据上述桥梁选型分析，针对其主要功能以及桥梁的实用性，选定三种备选桥型：方案一，斜拉桥；方案二，混凝土拱桥；方案三，预应力混凝土连续梁桥。

4.3方案比选

4.3.1指标分析

根据上述分析，初步对三种桥型的结构设计、施工难度、景观效果、工期进行比选，斜拉桥因桥型布置时主塔太高（约150 m），设计、施工难度大，工期太长（某地区年可施工时间只有7个月），可行性低，调整成矮塔斜拉桥方案。

表1　桥梁选型方案比选表

4.3.2效果图

根据上表，选定矮塔斜拉桥、拱桥和混凝土连续梁桥进行效果设计。如图2中各图所示。

图2　各类型梁桥效果图

4.3.3桥型选定

经过上述比选，选择预应力混凝土连续梁桥。主要有以下几点原因：

（1）从适用性和安全性上来看，预应力混凝土连续梁桥使用普遍，特别是该工程属于山区，交通不便，该桥型施工方便。

（2）从工期、投资等指标比较，预应力混凝土连续梁桥具有极大的优势。长白山区年无霜期只有5个月，年施工时间只有6～7个月，工期指标要求较高。

（3）高寒地区具有连续梁桥的经验，2010年，吉林市九站松花江特大桥采用（75+120+75）m的连续梁桥成功通车，证明在本桥所在地质条件及其它环境条件都能够满足其建设要求，其桥面变形小、动力性能好［4］。

（4）从美观性上来看，预应力混凝土连续梁桥相对较低，但其与环境协调、适应，也可以通过后期的亮化工程进行装饰，达到预期的效果［5］。

5　桥梁的结构确定

5.1目的

尽管选择了预应力混凝土连续梁桥作为设计的桥型，但采用的结构形式应进一步论证。连续梁结构体系通常可以分为连续梁桥、连续刚构桥和刚构—连续组合梁桥等，这些桥型在施工阶段的受力状态相似，可以采用相同的悬臂施工方法，但是他们在结构上各有特色。

5.2结构选择

构梁基础采用桩基础、承台结构。由于小山水水库河底覆盖层较浅，承台如果采用低承台方案则必须进行较深的水下爆破，因此选择采用高桩承台。主墩墩柱采用抗弯刚度、抗扭刚度均较高的双肢薄壁墩。

5.3桥型布置

为节省工程造价，主墩设置在两岸的浅水中，主跨跨径为160 m。全桥分成两联，第一联引桥为等截面预应力混凝土连续箱梁桥，第一联主桥为变截面预应力混凝土连续梁桥，跨径布置为3×23 m+（90 m+160 m+90 m）。

5.4结构体系受力分析

在维持主跨规模不变的前提下，对连续-刚构组合梁桥、连续刚构桥和连续梁桥进行力学对比分析，以进一步确定桥梁结构。参照刚构-连续组合梁桥、连续刚构体系和连续梁结构体系的结构体系和构造尺寸，分别计算在恒载、活载和温度变化等荷载作用下，该桥梁控制截面的内力、挠度和墩顶位移。在不同结构体系的内力分析中，采用两种内力组合，其中组合一为自重、二期恒载、人群荷载与汽车超-20级荷载的组合：组合二为自重、二期恒载、汽车超-20级荷载及温度变化的内力组合。在结构位移计算中，主要计算了两种位移，一种是主梁最大的竖向挠度，一种是桥墩的水平位移。

计算结果表明，三种桥型结构体系分析中，无论弯矩、剪力和轴力，总体上说，刚构-连续组合梁桥比连续刚构桥及连续梁桥要略小一些。在同等荷载组合作用下，刚构-连续组合梁桥的结构位移要比连续刚构桥和连续梁桥略小一些。总的来说，在结构受力、使用性能等方面刚构-连续组合梁桥都具有一定的优越性。

5.5桥梁选型结论

在该桥位于高寒地区（季节温差达到60℃）和主墩高度在20～30 m的条件下，采用连续梁设有大型支座、无法适应山谷横风，而刚构桥则因为温度应力导致墩顶位移和主墩根部弯矩过大，只有刚构—连续梁组合体系，它保持了连续梁的各种优点，同时由于墩梁固结，可以节省大型支座的昂贵费用，减少墩及基础的工程量，并改善了结构在水平荷载作用下的受力性能，是在此条件下的最佳选择。

6　结语

通过该次桥型选择，尽管刚构-连续组合梁桥这一新型桥梁在东北高寒地区应用较少，但其设计理论上讲已日趋成熟，施工经验也较丰富，预应力混凝土刚构-连续组合体系集连续梁、连续刚构的优点于一身，具有施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势，是适合山谷施工场地的合理桥型之一。另外，与连续刚构相比，刚构-连续组合梁桥能显著减小因温差和收缩徐变等因素引起的应力，具有更大的跨越能力，在东北高寒地区，具有明显的结构受力优势。

［1］黎立新，何智勇.高速公路山区桥梁选型及安全风险评估［J］.公路，2011（7）:120-124.

［2］郑伏龙.浅谈贵州山区桥梁选型［J］.黑龙江交通科技，2014（2）: 97-97.

［3］封伟伟，王志亮.北京山区高等级公路桥梁选型设计［J］.市政技术，2010（S）:112-115.

［4］王刚.新时期城市桥梁选型设计注意要点浅析［J］.城市建设理论研究，2014（12）:256-258.

［5］车宇琳，车英俊.桥梁选型雏论［C］.全国公路科技创新高层论坛.2002.

U442.5+4

B

1009-7716（2016）01-0056-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.017

2015-09-11

刘永福（1972-），男，江西瑞金人，总工程师，高级工程师，主要从事。