某特大桥初步设计方案比选探讨

2021-06-05陈宏彬董桔灿

广东土木与建筑 2021年5期

陈宏彬，董桔灿

（1、广东省冶金建筑设计研究院有限公司广州510080；2、深圳市市政设计研究院有限公司深圳518029）

0 引言

在大型桥梁建设项目中，为了选择性能优越、造价经济的建设方案，往往需要进行桥梁方案比选［1］。方案比选一般根据桥位的路况、水位、跨径等选择可选桥型，在此条件下选择安全经济的桥型结构、跨径布置等［2］。针对不同项目方案考虑的侧重点会不一样，本文针对通航要求复杂位置桥梁在实施过程中的影响因素，并就这些因素在设计方案比选过程的对比进行了介绍。

1 工程概况

某特大桥位置特殊，其上下分别有2座大桥，大桥跨越倒运海水道，整个水面宽约280 m，从桥位看两边的河堤完整，具有良好的地质条件，下游500 m处拟建主桥跨径组合为90.925+180+90.925 m 的倒运海特大桥（见图1），2 桥之间的距离不满足《内河通航标准：GB 50139—2014》［2］中，2 座相邻水上过河建筑物的轴线间距Ⅰ～Ⅴ级航道应大于代表船队长度与船队下行5 min 航程之和的要求，应加大水上过河建筑物跨度或采取一孔跨越通航水域。考虑航道相关部门的要求，为保证通航安全，2 座桥的桥墩应尽量对齐，故大桥宜采用一孔跨越通航水域。经论证采用单孔双向通航，净宽不小于140 m。

图1 某特大桥位置示意图Fig.1 Location of an Oversize Bridge

通过地下水形图发现桥位处的水深比较大，呈现深槽地形，这种类型的环境在基础施工方面面临很多困难。为此，墩台布置应考虑避开深槽区，主墩尽量向两侧堤岸靠近。从防洪安全角度应采用大跨跨越，不宜在航道中间深水区域设置桥墩，或者在水域中设置较多桥墩，尽量减少桥墩对水流的影响。通航标准及水利环境对本桥跨径影响较大，为此主桥跨径组合采用（90+160+90）m。

2 桥梁方案比选

2.1 主桥方案构思

部分斜拉桥、连续梁桥、波形钢腹板桥、连续刚构桥及拱桥等桥型比较适合该跨径。桥位条件较好时可以考虑采用拱桥方案，拱桥的景观效果也比较好，但是水域大施工难，施工费用高不经济。桥位通航要求桥梁的断面不能太高，主墩墩高14 m 左右，这样导致桥墩刚度较高，不宜采用连续刚构桥梁［4］。综上，从经济性、施工操作性等方面考虑，采用连续梁桥、波形钢腹板桥和部分斜拉桥桥型作为设计可行方案［5］。

在轻量化的设计趋势带动下，混凝土材料与钢材的结合造就了波形钢腹板组合梁桥［6］，大量的事实证明，混凝土桥梁在运营中，存在长期适应性差、可维修性差和使用寿命短等缺点。体外预应力和钢材的使用，具有容易检测、可更换的特点，2 种材料的组合使用进一步体现桥梁全寿命设计的先进理念。

综上，从轻量化和全寿命设计的角度考虑，选用预应力混凝土部分斜拉桥与波形钢腹板预应力混凝土连续梁、预应力混凝土连续梁桥进行方案比选。

2.2 方案1：预应力混凝土部分斜拉桥

2.2.1 总体布置

桥型布置如图2所示，主桥跨径为（90+160+90）m，满足140 m Ⅳ级航道单孔双向通航的净宽要求。

图2 预应力混凝土部分斜拉桥Fig.2 The Prestressed Concrete Partial Cable Stayed Bridge

图3 主梁标准横断面Fig.3 The Standard Cross Section of Girder （cm）

主梁标准断面如图3⒜所示，主梁采用单箱三室断面，桥面全宽33.7 m，单侧悬臂长5.6 m。箱梁顶板厚28 cm，底板厚由直线段30 cm按照二次抛物线变化至支点附近处90 cm。腹板采用斜腹板，腹板斜率为1/3，跨中箱梁边腹板厚为50 cm，中腹板厚为40 cm，支点附近处边腹板局部加厚为80 cm，中腹板加厚为80 cm。箱室底面宽度从20 m 变化至21.552 m，主梁为变高度预应力混凝土结构，主墩处梁高4.8 m，梁高从主墩根部至两侧23.5 m 范围设置二次抛物线变化段，跨中、边跨直线段梁高2.5 m。主梁斜拉索纵桥向间距4.0 m，采用两端张拉，在箱梁上对应斜拉索位置设置1道0.5 m厚的横隔板来传递横向荷载。

2.2.2 主塔选型

主桥采用双塔单索面密索体系，塔高31.561 m，塔根无索区长27 m，跨中无索区长18 m，边跨无索区长18.8 m，中间拉索区49.5 m，按照索距4 m配置12对斜拉索。特大桥跨越倒运海水道，自然条件较好，本特大桥作为中洪公路重点工程，打造为该区域的地标建筑，索塔的选型尤为关键［7］。塔形比选如表1所示。

塔型①，主桥以上采用圆曲线，塔形流畅，充满现代艺术气息，且塔形细长，优美，犹如一叶龙舟，奋勇的在河中拼搏冲刺，与东莞龙舟文化相呼应，塔型生动，富感染力。主墩采用整体独柱式桥墩，防船撞性能更优，阻水更小。主塔刚度较小，主塔施工略微复杂。塔型②，主塔为人字形，塔根处张开，给人一种力量、稳重的感觉。塔外侧线形为直线倒圆角方式获得，该塔型的纵向刚度较大，有利于主梁受力。主塔根部分叉处受力复杂，根部产生的水平分力需在主梁内平衡，该处设计、施工较为复杂，且双肢主墩间距大，对行洪、通航影响较大。塔型③，主塔采用竹节造型，寓意平安、节节高，辅以传统纹饰，造型古典。主塔四周圆倒角，塔根截面自然变大，线条柔和、优美。主塔纵向刚度较大，基本为竖直传力，配合双肢薄壁主墩，力流传递明确。采用双肢墩，对行洪、通航有一定影响。塔型④，主塔犹如仙鹤，寓意吉祥，与索面浑然一体，契合水乡主题。类似造型比较常见。采用双肢墩，对行洪、通航有一定影响。

表1 索塔造型比选Tab.1 Comparison and Selection of Cable Tower Shape

2.2.3 方案评价

桥梁建设区域龙舟文化璀璨，借鉴龙舟的外形特点，主塔下部采用单肢结构，像竖立的龙舟，并且中间的空洞增加了视觉冲击，造型轻盈优美。

主塔犹如奋勇冲刺的龙舟，塔造型具有“寓意鲜明、力线明确，造型简洁”的现代气息，水乡龙舟元素突出，景观效果辨识度高，寓意“同舟共济”。

在文化设计的基础上充分考虑周边建筑与海景，对塔、梁、索的断面布置进行了优选，使得桥梁建设施工方便，技术可靠，耐久性优良等特点。并且充分利用体外预应力束的作用，减小结构尺寸及重量，也为拉索的检修提供了便捷［8］。采用墩梁固结增强结构的可靠性，该桥型符合桥梁的轻量化、全寿命的先进设计理念。

2.3 方案2：波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥

2.3.1 总体布置

主桥桥型布置如图4 所示，主桥采用（90+160+90）m 波形钢腹板预应力混凝土连续梁，边中跨比值为0.56，分为双幅桥，半幅桥宽15.75 m。

图4 波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥Fig.4 The Prestressed Concrete Continuous Beam Bridge with Corrugated Steel Webs

主梁标准断面图如图3⒝所示，采用单箱单室箱梁，两边各挑出3.375 m的悬臂，悬臂根部厚度0.85 m。主梁顶底板采用混凝土结构，顶板厚度0.28 m，底板厚度从跨中0.3 m 逐渐变化到支点附近1.0 m。支点梁段采用混凝土腹板，其余梁段采用波形钢腹板，波形钢腹板厚12～25 mm。纵桥向采用变高度梁，中墩支点处梁高9.5 m，跨中梁高4.0 m。

2.3.2 方案评价

相对于常规的预应力混凝土连续梁，本桥以“纵向混合、竖向叠合”的构思最大程度地利用材料的受力性能，充分合理地使用混凝土、波形钢、预应力钢筋、普通钢筋4 种材料［9］。在支座梁段以外采用波形钢腹板替代部分混凝土腹板，减轻了结构自重，有效控制后期跨中下挠，也避免使用特大墩位抗震支座。支座段混凝土腹板避免了波形钢腹板过高带来的屈曲问题。体外预应力便于后期检修和维护，符合桥梁的全寿命设计理念。

波形钢腹板外表根据水乡环境采用天蓝色涂装，映射于水面的连续波纹在缓缓的流水作用下律动感强。波形钢腹板高差大，层次感强，其波形效果与底部弧线交相呼应，恰如风琴一般。整个造型与水乡景色交相辉映，整体景观效果较强，寓意风琴水岸。