延河大桥改造工程总体设计

高明大，郭河，周立臣

（1.中国建筑设计院有限公司，北京市100044；2.中交路桥技术有限公司，北京市100011）

延河大桥改造工程总体设计

高明大1，郭河2，周立臣1

（1.中国建筑设计院有限公司，北京市100044；2.中交路桥技术有限公司，北京市100011）

延河大桥改造工程包括旧桥改造和扩建新桥两部分。改造设计的主旨是“两桥如一桥”、“修新如旧”。新桥采用了整体式预制桥面板，格构式的拱上建筑，以及新型井筒式地下连续墙桥台；改造了旧桥的桥面系为整体式桥面板结构，将拱上填料更换为新型轻质陶粒混凝土材料，重新布设了拱上防水及排水系统，对旧桥结构石材表面风化，以及裂缝均进行了处理处治；针对设计难点开展了井筒式地下连续墙桥台和混凝土结构表面涂装体系专题研究。

延河大桥；总体设计；格构式；地下连续墙；防护涂装

1 工程概况

延河大桥旧桥位于延安市宝塔区，为东关大街跨越延河的节点工程，呈东北－西南走向。旧的延河大桥于1959年竣工通车，桥梁上部结构为3×30 m的空腹式石拱桥，下部结构为重力式墩台，桥长120.3 m，设计桥宽10 m。1977年洪水过后对桥面系进行整修，桥面宽度拓宽为1.8 m（人行道）+9 m（机动车道）+1.8 m（人行道），总宽12.6 m，主拱圈宽10 m，两侧悬臂各1.3 m。图1、图2所示分别为旧桥立面图和横断面图。

图1 旧桥立面图（单位：cm）

图2 旧桥横断面图（单位：cm）

随着延安市经济日新月异的发展和城市规模的不断扩大，城市道路车流量呈迅猛增长趋势，导致市内交通压力不断增加。作为延安城市名片“宝塔山，延河桥”之一的延河大桥，因地处延安城市核心区域，其所承受的交通压力自然首当其冲，解决这一交通瓶颈的需求迫在眉睫。且旧桥服役至今已有五十多年，由于采用延安当地红砂岩石材砌筑，拱圈石材风化严重，还有拱上填料多处渗水、主拱圈开裂等诸多病害，总之存在严重的安全隐患，亟需加固改造。经检测，该桥评定为四类桥，单车通过限载15 t。旧桥现状如图3所示。

图3 延河大桥旧桥实景

由于延河大桥自身历史文化特点，拆除旧桥重建新桥的“一刀切”方案被排除，秉承以最大程度保留和延续延河大桥历史风貌的设计理念，采取“保留旧桥，扩建新桥”的主旨思路。即不改变旧桥主体结构，只重修桥面系并对已有病害进行加固。同时为了拓宽旧桥，缓解交通压力，决定在紧邻旧桥下游修建一座与旧桥外观完全一致的新桥。

2 改造设计的基本原则

经深入研究论证，并综合各方意见，确定了原桥拓宽改造的四个原则：（1）保持延安大桥原有风貌；（2）拓宽改造后道路通行能力为：双向4车道，两侧人行道宽度加宽到3 m；（3）充分利用旧桥主体结构；（4）不侵占桥下游（即西侧）人防工程空间。

遵循上述原则，保持延河桥原有风貌，以达到“修旧如新，建新如旧，两桥如一桥”的效果，在紧邻旧桥下游新建一座桥跨布置相一致的3跨净30 m钢筋混凝土连续空腹式拱桥，新旧桥间净距2 m，桥间设置混凝土搭板做中央绿化带，新旧桥共同组成一座新的双幅桥。新旧桥横断面采用对称布置为：3 m（人行道）+1.6 m（非机动车道）+2×3.5 m（机动车道）+0.25 m（路缘带）+0.75 m（防撞护栏）+ 2 m（中央分隔带）+0.75 m（防撞护栏）+0.25 m（路缘带）+2×3.5 m（机动车道）+1.6 m（非机动车道）+ 3m（人行道）=27.2m，如图4所示。单幅桥宽12.6m，双向4车道。图5所示建成后的效果图。

3 新桥设计

为达到“两桥如一桥”之效果，新桥拱圈的线形要与旧桥保持一致。旧桥为石拱桥，主圈截面宽度10m，截面高度从拱顶0.6m渐变到拱脚0.9 m。新建桥梁为钢筋混凝土结构，结构构造尺寸与旧桥完全一致，采用3×30 m空腹式变截面钢筋混凝土板拱。主拱圈净跨径L0=30 m，f0=6.6 m，净矢跨比约为1/4.55。拱轴线为悬链线，拱轴系数3.5。拱圈厚度在0.6～0.9 m范围内渐变。

新桥按拱轴系数3.5进行结构计算，在承载能力极限状态下，主拱圈满足规范有关钢筋混凝土构件的要求；在正常使用极限状态下，主拱圈最大裂缝宽度为0.142 mm，活载下长期挠度绝对值之和为5.5 mm，均满足规范要求。基本组合下主拱圈的轴力和弯矩包络图如图6、图7所示。可以认为拱轴线基本接近理想拱轴线，拱轴系数合理。

图4 改造后的桥梁横断面布置图（单位：cm）

图5 延河大桥新桥建成后效果图

图6 基本组合下主拱圈轴力包络图（单位：kN）

图7 基本组合下主拱圈弯矩包络图（单位：kN·m）

一般拱桥（包括本案旧桥）拱上建筑多采用侧墙加填料的方式传递桥面荷载。因旧桥两侧人行道采用了预制挑梁悬挑1.3 m的结构，为保持与旧桥同样的悬挑风格，新桥采用了横桥向整体式预制桥面板，取消了拱上填料，同时配合钢筋混凝土板主拱圈共同承载桥面荷载，这与旧桥的圬工结构相比，在承载能力上具有很大优势。这种取消拱上填料，代之以整体式桥面板格构式拱上建筑的做法，既减轻自重且节约材料成本，又使得拱上结构传力更明确，也提高了拱顶截面的安全储备。

拱上格构体系主要布置为：在桥面板下横桥向设置4道纵向支承垫梁，分别为2道外侧侧墙和2道内垫梁，4道垫梁均沿主拱圈纵向座落于拱顶及跨端横墙之上。故桥面板为5跨连续板，其中两外侧边跨为悬臂结构，跨径1.3 m，桥面板采用顺桥向分块预制，分为A板、B板，顺桥向A板长2 m，B板长2.64 m，横桥向板宽12.6 m。除靠墩台处两块板为B板，余均为A板。为减轻自重在桥面每跨跨中设8个并排的φ15 c m圆孔。桥面板通过连接锚栓限位，与纵向支承之间设2 c m厚橡胶板。拱上桥面板支承体系如图8所示。

图8 桥面板支承体系图（单位：cm）

由于桥台基坑开挖最深达23 m，且新旧桥台最小净距仅1.1 m，为确保新桥桥台施工时，不影响相邻旧桥，以及西岸桥台台后6 m处人防工程的结构安全，创新性地采用地下连续墙组合式桥台结构，连续墙既是基坑开挖的支护结构，又是支承桥梁上部的桥台。地下连续墙顺桥向及横桥向长度均为10 m，墙厚1 m，桥台在主拱拱脚处设2 m厚横梁，横梁下设3 m厚C20素混凝土垫层。

4 旧桥设计

旧桥加固改造的原则：（1）保持原桥风貌不变；（2）不提高其桥梁结构自身承载能力。鉴于旧桥为圬工结构，已服役五十多年，且在20世纪70年代经历了洪水的侵袭，目前存在风化、渗水、拱圈裂缝、桥面系严重损伤等诸多病害，若提高承载力，就需要调整原有结构，存在不可估量的风险，故加固方案以不提高承载力为前提，以增加旧桥的耐久性、适用性为目标，分别对各种病害进行了有效的处理处治。

对于旧桥存在的风化、灰缝松散脱落、渗水并伴有晶体析出等进行表层清楚，修整表观残缺，恢复石材原有色泽，并对结构所有外露面进行三层涂装混凝土保护剂，以阻止石材继续风化。对于主拱圈、腹拱圈裂缝等病害，进行射水清缝、干燥，以及灌注环氧树脂，进行封闭处理，以防止裂缝继续发育。重新设置拱上防水构造，包括主拱圈防水层及排水系统、桥面板上设10 c m厚C40 P6防水混凝土及其上的防水层，共计3道防水体系和1道排水体系，以最大限度地保护旧桥结构不受水的侵蚀和破坏，提高结构耐久性。

旧桥的改造重点是重建拱上建筑和桥面系。旧桥在1977年洪水过后进行过一次加宽改造，采用悬臂梁结构，悬挑1.3 m做人行道。石拱桥注重荷载的均匀分布，而悬挑梁产生的集中荷载对主拱圈的受力极为不利，这是引起主拱圈纵向裂缝的主要因素。在目前石拱桥拓宽改造中，常用的方法是设置横桥向贯通的横梁，梁端悬挑，再在其上铺设搭板，以实现桥面加宽。而该桥桥面系改造后，桥面横行布置为双幅对称，在旧桥单幅内侧布置为机动车道，桥面活载较大，意味着不仅要加宽横梁截面，搭板厚度亦要增加，这势必会显著提高拱上建筑恒载，同时由桥面车道活载传递下来的横梁集中力对主拱圈的影响也有很大风险，故此法在该工程中行不通。

改造拱上建筑借鉴了新桥思路，采用格构式传力体系，以及整体式桥面板。同时也有与新桥的区别之处，主要体现在清除原拱上填料，采取措施封闭主拱圈上缘的裂缝，在主拱圈上浇筑10 c m厚C30钢筋混凝土整体化层，浇筑1 700级的L C25陶粒混凝土作为轻质拱上填料，然后在陶粒混凝土上（腹拱范围内为搭设在横梁上）设置2道纵梁，与2道侧墙一起，形成预制桥面板的4点支承；腹拱范围内，考虑腹拱风化严重，仅为维持旧桥原貌之需而保留其形，不再将其作为上部荷载传力构件，而是采用纵梁搭设在拱上及墩顶横墙上，形成格构式，以支承预制桥面板。此举既减轻了自重，增加了主拱圈的整体性，又使传力更加明确。

旧桥拱上的建筑传力机理为：桥面荷载由整体式桥面板通过纵梁传递到陶粒混凝土中扩散，然后再以均布面荷载形式施加在主拱圈上，传力途径清晰，通过陶粒混凝土的有效扩散和缓冲，主拱圈受力将得到很大改善。腹拱圈部分则将桥面活载由纵梁分配给各拱上横墙，以及墩顶横墙，然后再以条形均布面荷载施加在主拱圈或墩顶，此部分最终施加在拱圈及墩顶的荷载与原桥一致，只是将传递路径由原腹拱圈替换为现在的纵梁。

5 改造设计中的难点

整个改造设计过程中的难点，主要是新桥的桥台设计，以及新、旧桥梁的表面防护涂装体系设计。

新桥桥台面临的首要问题是选型。对于拱桥桥台基础，需承受较大水平推力，经计算，若新桥采用与旧桥相同的重力式U型桥台基础，则桥台处基坑开挖深度将达23 m，这对旧桥桥台及西岸台后的人防工程构成巨大安全风险；由于新旧桥台过小间距，桩基础方案也不可行。经深入研究及论证考察，创新性地采用井筒式地下连续墙桥台基础。国内尚无类似工程案例可供参考，结构设计成为一大挑战。为此专门开展井筒式地下连续墙桥台专题研究，克服诸多困难，完成了新桥桥台的设计任务。

改造设计中的另一个技术难点在于如何做到“两桥如一桥”。新桥是钢筋混凝土结构，而旧桥采用延安当地红砂岩石材砌筑而成的圬工结构，两者在表面材质、文理以及色泽上，均存在较大差异。如不进行技术处理，很难实现新旧桥梁合二为一。为此，开展了混凝土结构防护涂装体系专题研究。研究主要从两方面入手：（1）从新桥模板上着手，进行混凝土表面仿石砌效果试验研究；（2）从结构表面涂装保护剂着手，进行混凝土仿石色泽及纹理，以及对已风化石材表面进行完整性修整和阻止其继续风化的试验研究。通过大量、反复的调配、试制等试验，最终达到了较为理想的效果。

6 结语

（1）新桥为保持与旧桥一致，桥面系采用预制整体式悬挑桥面板，并根据桥址处于繁忙城区，桥位处空间地质关系复杂等特点，因地制宜地采用井筒式地下连续墙组合式桥台，一物两用，具有创新性。这为今后类似市政桥梁建设提供了一个宝贵的工程经验和案例，可供同行参考借鉴。

（2）旧桥桥面系改造为整体式桥面板，以及格构式的拱上建筑，使拱上建筑传力更明确；将原拱上填料更换为轻质陶粒混凝土，减轻了拱上建筑自重，并对推广新材料具有积极意义；重建拱上3道防水系统，以及1道排水系统；对旧桥结构风化、裂缝、漏水等病害进行的卓有成效的处理处治，极大地提高了旧桥的耐久性、适用性和美观性。

（3）针对设计过程中遇到的难点，开展了井筒式地下连续墙桥台和结构调配涂装体系两个课题的专题研究，并将研究成果直接应用于工程实践，在设计工作进行了积极大胆的技术创新，较好地贯彻了“产研结合”的科学思想。

到2030年宁夏公路通车里程为4万km

近日，《宁夏综合交通运输体系战略规划（2016-2030年）》（简称《规划》）经自治区政府审议通过。根据《规划》，宁夏将对外建设“横贯东西、沟通南北”的快速运输通道，对内形成全区快速城际交通网络体系，全面提升银川综合交通枢纽作用。

《规划》提出对外开放融合，对内协调联动。对外，宁夏将构建陆上丝绸之路，打通“七经八脉”，建设“横贯东西、沟通南北”的快速运输通道。搭建空中丝绸之路，打造区域性航空枢纽，建设银川国际机场综合交通枢纽，开辟更多国内国际航线，组建宁夏航空公司，把宁夏建成具有广泛国际影响力、客货运中转节点和西进西出航空货运的重要集散中心。对内，宁夏将推进同城化和区域一体化，建设区内快速城际交通网络体系，引导和支撑全区新型城镇化建设。

根据《规划》，到2030年，宁夏铁路通车里程将达3 000km，公路通车里程为4万km，其中高速公路通车里程2 800km，所有普通国道和80%的普通省道达到二级以上标准,民航客运年吞吐量突破2 000万人次。

《规划》重点强化沿黄发展主轴城际综合运输通道功能，提升银川综合交通枢纽作用，在铁路、公路、航空方面全线发力，实施“大银川都市圈引领，中卫、固原带动,多点支撑，覆盖全区，辐射内蒙古、山西、陕西、甘肃、新疆五省（区），通达全国,连通阿拉伯国家、穆斯林地区和中东、中亚、欧洲各国乃至世界的综合大枢纽”发展战略。

U442.5

B

1009-7716（2017）06-0114-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.033

2017-03-02

高明大（1981-），男，山东冠县人，工程师，从事桥梁工程设计研究工作。