深水库区大跨长联桥桥跨及主梁设计方案分析研究

李 健

(苏交科集团有限公司 南京市 210017)

1 工程简述

渑垣高速公路南起河南渑池，接连霍高速公路洛阳至三门峡段，北至山西垣曲，接济源至闻喜东镇高速公路蒲掌至东镇段，路线全长约63km。其中黄河特大桥跨越黄河的位置位于小浪底库区，线位桥址基本处在三门峡大坝与小浪底大坝的中间，距小浪底坝址60.75km，在既有南村黄河大桥下游约40m处跨越黄河，桥梁全长约1700m，其中主桥长约1300m,双幅分离式布置，每幅桥宽16.25m。该桥是本项目控制性节点工程，项目建成后将对加强豫晋两省交通联系、促进豫西北和晋东南地区经济社会发展产生深远影响。

2 主要建设条件

(1)水文条件

桥址区为横穿黄河，地表水为常年性流水，特点为旱季流量小，汛期流量增加，水库正常运用期至冲淤平衡状态时，桥位主槽平均河底高程为240.97m，滩面高程为264.31m，库区死水位在+230m左右，丰水期最高蓄水位标高可达+275m，低水位与高水位落差可以达到40m以上[1]。桥址历年水位变化如图1所示。

图1 小浪底水库历年水位变化图

(2)工程地质

桥址区具有较典型河流地貌特征，地形起伏较大，黄河河床内上部地基土以第四系全新统冲洪积层淤泥质黏土、粉质黏土、粉土和粉砂为主，下部地层以第四系中更新统冲洪积层卵石和古近系砂质泥岩为主。下部地层中第⑨层卵石及其以下地层，承载力较好，工程性质较好，力学性质差异小，但其厚度变化大，分布不均匀[2-3]。

(3)桥位附近已建桥梁

现桥位上游有小浪底库区南村黄河大桥，与本工程净距约16m，大桥全长1456.36m，全桥共29孔预应力混凝土简支T梁，跨径为50m。

3 主桥跨径比选研究

3.1 桥跨选择主要影响因素

(1)根据《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准(试行)》，要求黄河潼关至桃花峪河段桥梁主跨不小于80m，滩地过水孔跨不小于40m。

(2)依据GM 50139-2004《内河通航标准》规范规定两桥靠近布置时通航孔必须相互对应。

(3)根据《垣曲至渑池高速公路黄河特大桥防洪评价报告》相关结论原则上主桥主跨跨径应≥100m，主桥跨连续长度≥1300m。

(4)因桥位处水位高、变化幅度大、下部施工难度大、且投资巨大，故主桥桥墩通过比选采用双排双柱、桩柱一体的变截面桩基础+柱式墩+外包钢护筒结构形式。

3.2 主要桥跨方案的提出

基于以上影响因素，拟建桥位孔跨须为50m的整倍数，且桥孔与原库区黄河大桥桥孔对应，可能的孔跨布置为100m、150m、200m、250m等。

对于200m以上的跨径桥梁可供选择的结构形式为多跨拱桥、多跨斜拉桥、悬索桥等带上构的结构形式，虽较大的跨径减少了下部桥墩的数量，但下部基础更为庞大，下部施工投入甚至还会增加，同时这些桥型上部投入巨大、构造复杂、施工难度较大，施工工期较长。为进一步说明，选取了(160+4×250+160)m塔梁固结单面塔双索面部分斜拉桥进行比较，通过对该方案的建安费估算(篇幅限制，该方案估算过程略去)约135591.5万元。通过结果，可以看出250m布跨，既没有解决下部施工费用昂贵的问题，同时下部施工难度、上部费用、工期也有大幅提高，故在具体方案比选过程中着重对100m、150m和200m的跨径进行对比。

3.3 桥跨方案论证过程及结论

初步提出可选桥跨方案后，为便于桥跨对比，上部结构均考虑为预应力混凝土箱梁方案，而各方案的跨径组合为：200m跨采用的跨径组合是110m+6×200m+110m=1420m；150m跨采用的跨径组合是90m+8×150m+90m=1380m；100m跨采用的跨径组合为60m+13×100m+60m=1420m，三方案均采用连续—刚构结构。主要从主要材料投入及上部结构施工工期两个方面进行对比。

(1)主要材料对比

从表1中数据可以看出由于跨径的增加，上部结构材料用量也在增加，200m跨明显高于150m和100m跨方案，在不考虑下部结构施工措施费用的情况下，200m跨造价明显高于150m和100m跨方案。

表1 主要材料对比表

100m跨比150m跨增加了6195m3上部混凝土用量，但是100m跨比150m跨预应力减少了943.6t以及减少了28902m3下部混凝土用量，故从主要材料用量分析，100m跨比150m跨造价也有所降低，另外由于在高墩结构各阶段的稳定性控制方面100m方案也更具优势，100m跨方案整体上有较大优势。

(2)上部结构施工周期

200m跨共7个T构，每个T构共有25对悬浇节段；150m跨布置共有9个T构(单幅)，每个T构共有18对悬浇节段；100m跨布置全桥共有14个T构(单幅)，每个T构共13对悬浇节段。若按所有主墩均设置1套挂篮考虑，虽然100m跨方案的主梁施工挂篮数量多于其他两个方案，但由于100m跨主梁施工单个挂篮相对其他两个规模也相应减少，故综合考虑在临时措施费用增加不多的情况下，100m跨方案的施工周期更短。

(3)结论

根据以上对比，三个方案中100m跨主梁材料用量最少，上部结构施工工期最短，较200m和100m跨方案能够节省施工工期。另一方面，在高墩结构各阶段的稳定性控制方面100m方案也更具优势。综上，主桥主跨跨径采用100m布置更为合理，推荐主跨采用100m跨方案。

4 主梁方案比选研究

4.1 主桥总体结构形式选择

根据桥跨比选结果，则黄河大桥主桥连续长度约在1420m，桥墩除连接墩及一个岸边主墩，其余主墩高均约50m，经初步计算主墩构造满足温度力的情况下可固结中间三个主墩，故黄河大桥主桥结构体系选择为经济性较好的连续-刚构梁式结构体系。

4.2 主梁结构形式提出

由于上部主桥连续长度达1420m；下部受库区水文条件限制，选择的大直径桩柱式一体桥墩有减少下部负担的要求，同时又有桥位处E2地震作用重现期1000年，对应100年超越概率10%水平加速度峰值0.1859g抗震设计要求较高的条件，无疑上部结构应采用更为轻质的结构形式，连续-刚构梁桥主梁可以采用的结构形式有混凝土箱梁、钢箱梁、钢混组合梁，其中钢混组合梁有钢箱叠合梁、波形钢腹板梁等形式。

(1)混凝土箱梁为常用梁型，施工工艺成熟，施工质量能保证。

(2)钢箱梁首先造价高，后期养护工作量大。且本桥主跨径100m，单幅桥宽16.25m，施工时无论采用大节段施工方案还是小节段现场焊接的施工方案，对梁段加工的组拼、存放场地要求高，梁段上船及运输难度大，与本工程的适应性较差。

(3)钢箱叠合梁与钢箱梁相比，用钢量较少，混凝土桥面板可有效改善桥面行车条件，主梁自重适中。但后期养护工作量大。主梁墩顶附近承受较大的负弯矩作用，钢底板承压能力较差，由于要确保稳定性，需对墩顶截面底板进行较为复杂的加劲处理，用钢量增加较多，制造和施工均复杂，故不推荐采用此方案。

(4)波形钢腹板梁，自重较轻，对结构抗震有利；波形钢板具有较高的抗剪屈曲能力，且无须纵横向加劲，结构构造处理简单，便于制造和施工。

综上，主桥主梁选择混凝土箱梁与波形钢腹板PC箱梁两种形式进行比选研究论证。

4.3 主梁结构形式论证过程及结论

根据提出的主梁结构形式，对60m+13×100m+60m预应力混凝土箱梁及60m+13×100m+60m波形钢腹板PC箱梁两个方案进行结构稳定计算、工程数量及工程概算等进行对比。

(1)结构稳定计算结论

首先根据提出的主梁结构形式，对结构的单柱结构稳定、最大悬臂状态稳定及运营阶段稳定通过Midas建模进行计算验证。计算结果详见表2。

(2)方案主要控制条件对比

根据提出的两种方案对其主要工程数量、施工措施费用、施工周期及工程建安费进行了同深度的测算，从而能更全面地对可能方案进行综合验证，主要对比结果详见表3。

表2 结构稳定计算结构

表3 方案主要控制条件对比表

(3)结论

首先两个方案通过计算分析结构均成立，但在运营阶段和最大悬臂施工阶段，波形钢腹板PC箱梁一阶失稳模态均为面外横向失稳，不如预应力混凝土箱梁方案合理。而在主要工程数量、施工周期及工程建安费用方面两个方案基本持平。故考虑到波形钢腹板PC箱梁工地焊接工作量大、工序繁多，施工质量难以保证，且预应力混凝土箱梁方案为常用梁型，施工工艺成熟，施工质量能保证。最终设计按照60m+13×100m+60m预应力混凝土箱梁进行了详细设计，并成功通过了专家论证。

5 结语

随着公路桥梁设计技术的不断成熟，特别是在常规跨径及构造形式的桥梁结构设计方面已不是特别大的难题，但是由于每座桥梁所处的环境都有所不同，特别是在位于如深水库区等特殊地段的桥梁，在桥梁方案确定之初由于水文、地质、防洪等特殊需要，存在着众多的制约因素，故在设计时则需要综合考虑多方面的条件，才能确定出符合要求的方案，本次依托渑垣高速南村黄河公路特大桥的主桥桥跨及主梁方案论证过程，综合考虑桥址水文、地质、投资等重要因素，最终选用了符合工程实际的桥梁方案，并在实际建设过程中得到了很好的验证，达到了预期的效果，该成果也为类似工程设计与施工提供了一定的参考价值。