潮州市某大跨径桥梁方案设计

2021-07-27刘敏剑

广东建材 2021年7期

刘敏剑

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司）

广东省潮州市某一级公路兼城市主干路项目跨越韩江，需建设大跨径桥梁。桥位位于韩江弯道处，且城镇地区被交道路密布，环保景观要求高。桥型方案的选择应充分考虑地质条件、地形地貌、通航、防洪及桥型结构受力特点等多个因素，以确定最优的桥梁桥型方案[1]。

1 工程概况

项目建设条件有如下特点：

⑴桥位在弯道处跨越韩江，并跨越两岸护堤路、既有省道（需考虑远期拓宽需求）及地方水泥路。主桥小桩号侧需跨越河堤及堤顶路。大桩号侧需跨越河堤、省道。省道拟按双向四车道拓宽，路基宽度为22m；远期按双向六车道预留，路基宽度为29m。

⑵桥位处河道为规划内河Ⅳ级航道，按1000t 级船舶进行防撞设计。由于弯道影响，通航要求采用单孔双向通航方案，通航净宽不小于123m。

⑶受限于通航、泊船区域及防洪限制，主桥落墩可选区域狭小，自由布跨空间小。

⑷场地软弱土层分布广泛，可液化土层发育。软土厚度较大，约20～30m；基岩起伏较大，全～强风化岩埋深约110～120m，未见中风化岩。

⑸场地地震烈度较大，水平向设计基本地震动加速度峰值0.2g。且液化土层发育，对抗震不利。

⑹桥位处上下游均设置泊船区域，通航及锚泊船舶较多，桥梁防撞及主通航孔布置要求较高。

⑺项目上跨乡镇级引用水源二级保护区，需重视桥梁的环保设计。

桥位平面布置见图1。

图1 桥位平面图

2 主跨跨径拟定

桥梁总体设计首先要慎重确定桥梁跨度，特别是主跨的跨度[1]。对跨越河流的桥梁而言，墩位的选择是确定主跨跨径大小的重要条件。

本项目位于城镇地区，路网发达。本项目跨越韩江及两岸大堤的堤顶路，现状堤防通道及既有省道，是连接韩江两岸的交通要道。桥型方案的布置，必须充分考虑现状及规划道路、河道等因素，且应满足防洪、通航的要求。主要控制性因素如下：

⑴通航：通航是决定主跨跨径的主要控制因素，桥位处韩江河段为规划Ⅳ级航道，通航净宽不小于123m，净高不小于10m。

⑵防洪：防洪要求是墩台布置的关键控制性因素，包括桥墩阻水比及距堤脚净距的要求。

⑶被交道路：被交道路是墩台布置的主要控制因素，主桥被交道路包括两岸堤顶路及省道。且南岸省道同时期开展省道拓宽初步设计。

⑷经济性原则：桥位处软弱土层厚度较大，应选择合理的桥型方案，使得上部结构和下部结构的总造价达到最低。

⑸工期要求：本桥工期较紧，宜采用成熟、快速的桥型及施工方案。

根据实测航迹线及水深图，习惯航路靠近河道南岸。但根据航道主管部门要求，为减小桥墩对船舶进出桥位附近泊船区域的影响，桥下净空范围宜包含现状习惯航道，并向北延伸至北岸上下游泊船区连线的附近区域。

鉴于桥位位于河道弯道附近，宜采用单孔双向通航方案。综合考虑主墩承台尺寸、防撞设施等必要空间，主孔跨径拟不小于160m。而对于主跨160m 跨径，比较有竞争力的结构形式有斜拉桥、连续梁桥、拱桥、自锚式悬索桥等[2]。方案设计主要就斜拉桥和连续梁桥进行探讨。

3 连续梁方案

3.1 总体布置

梁桥具有桥型简洁明快，结构整体性好，桥面视野开阔，行车视线好；设计、施工技术成熟，安全度高，工程造价较低，后期养护容易，维护费用低等优点。梁式桥主孔跨径取160m，在连续梁合理经济的跨径区间。连续梁方案边跨跨径布置主要考虑以下控制性因素：

⑴合理的边中跨比，以确保结构受力合理、方便施工，一般情况下，连续梁桥边中跨比取0.52～0.60 较为合适[3]。

⑵根据防洪要求，桥梁墩柱及承台应布置在堤防工程设计断面外，一般与堤脚距离宜大于5m。

⑶桥位在韩江南岸上跨护堤路，及规划省道。

综合上述因素，连续梁各桥墩布置如下：

⑴主墩2#，3#墩对称主航道布置，3#主孔跨径取160m；

⑵根据经济性原则，减小主桥长度，0#墩靠近河堤，1#墩考虑与河堤距离及合理跨径比例。1#，2#孔跨径取52+88m；

⑶4# 墩靠近河堤布置，4# 孔跨径取100m 是合适的；

⑷为减小5#孔跨径，同时考虑与4#孔合理的跨径比例，需要将5#墩布置于规划省道范围内。规划省道需局部绕行。

⑸考虑预留省道规划宽度，需增加一跨，跨径61m。

综上，连续梁桥跨径布置为：

52+88+160+100+72+61m。

3.2 结构体系比选

3.2.1 连续梁与连续刚构比选

梁桥常用的结构形式主要有连续箱梁或连续刚构。连续刚构采用墩梁固结体系，桥墩可以分配墩顶一部分弯矩，提高了竖向刚度，减小了主跨墩顶及跨中内力，省去了主墩处支座，避免大吨位支座的养护和更换，省去后期养护费用。但本项目主墩墩高较矮，约为13m，且处于高烈度地震区，桥墩刚度大，地震响应大，刚构桥方案不合适。而连续箱梁体系可以通过设置减隔震措施大大降低下部结构地震力[4]，减小下部结构尺寸及配筋，具有良好的经济效益，推荐采用连续梁方案。

3.2.2 分联比选

本项目主桥联长较长，为532m。可采用6 孔一联方案或4 孔+2 孔分联方案。分联方案除在4#墩墩顶处设置伸缩缝外，其他部位单联方案与分联方案上部箱梁构造基本一致，详见图2。

图2 分联方案与单联方案箱梁立面示意

分联方案两联施工相对独立，增加工作面，不会因等待合拢造成工期延长，可缩短施工工期；且减少了挂篮数量，经济性也较好。因此，从施工临时措施及施工工期角度考虑，分联方案均优于单联方案。

为了进一步验证两种结构方案的静动力性能，采用Midas Civil 2019 有限元软件进行模拟计算。两种方案的构造尺寸除4#墩墩顶外，其他部位尺寸一致。预应力钢束以保证墩顶及跨中等关键截面的压应力储备为原则。分别选取3#跨跨中合拢段，4#墩墩顶附近关键截面，计算结果见表1。分联方案关键截面压应力储备优于单联方案。

表1 分联方案与单联方案关键截面压应力

抗震性能方面，两种方案的质量分布和刚度相差不大，仅边界条件在4#墩处有所区分。分联方案在2#墩和5#墩处设置固定支座，单联方案在3#墩处设置固定支座。在E1 地震作用下，固定支座剪断前，水平地震力均分配至固定支座墩。因此，单联方案支座剪断力必然小于分联方案剪断力。根据Midas 软件计算结果，单联方案固定支座宜在0.5E1 作用时剪断，分联方案固定支座宜在0.75E1 作用时剪断。因此，分联方案抗震性能优于单联方案，可避免固定支座在较小地震下被剪断。

综上所述，分联方案在施工便捷性、施工经济性、静力受力性能及抗震性能上均优于单联方案。故连续梁方案推荐采用分联方案。

3.3 连续梁方案简述

第一联160m 主跨根部9.6m，高跨比为1/16.67，跨中4m，高跨比为1/40；考虑视觉协调性，第二联4#墩墩顶箱梁根部6m，高跨比为1/12。梁底曲线按2 次抛物线变厚度。见图3。

图3 连续梁方案总体布置图

支座及阻尼系统采用纵向速度型粘滞阻尼器+单向摩擦摆减隔震系列球形支座。

主梁边跨采用满堂支架施工，悬浇段采用挂篮悬浇施工。

4 斜拉桥方案

4.1 总体布置

斜拉桥跨越能力大，可以适应高地震烈度区结构的受力。斜拉桥方案布跨可以发挥斜拉桥跨越能力大的优点，适当加大跨径，使主墩避开深水区，从而减小施工难度和费用，减少水中落墩及承台基础阻水率，同时对通航安全也有利。根据通航净空要求、墩台距离坡脚的净距要求、以及被交路的情况，并结合斜拉桥合理边中跨比要求，斜拉桥方案主孔跨径采用260m，边跨取115m，边中跨比0.45[5]。该方案规划省道可维持原规划较为顺直的线型，线型指标更好，且减少拆迁。

经上述分析，斜拉桥跨径取115+260+115=490m。

4.2 斜拉桥方案简述

斜拉桥采用双塔半漂浮体系，主梁采用预应力混凝土等高π 形梁断面，梁高取等高2.2m。

索塔根据地方文化特色采用花瓶型桥塔。

斜拉索采用平行钢丝斜拉索。斜拉索布置在主梁两侧，塔根附近无索区长度为29m，主跨跨中无索区长度为7m，边跨无索区长度为4.2m，梁上标准索距8m，塔上索距1.5～2.0m。见图4。减隔震体系采用球形支座配纵、横向阻尼器。

图4 斜拉桥方案总体布置图

对于主梁，采用边、主跨主梁对称挂篮悬浇施工。

4.3 斜拉桥方案抗震分析

采用有限元分析软件Midas Civil 2019 建立斜拉桥方案空间有限元模型，见图5 斜拉桥有限元模型。利用空间梁单元模拟主梁、主塔和墩柱，利用空间杆单元模拟斜拉索。主桥的非线性动力模型主要考虑了活动支座纵向滑动摩擦效应，粘滞阻尼器纵向限位耗能作用，弹塑性阻尼器横向滞回耗能效应。活动支座纵桥向和横桥向的摩擦效应可以近似采用理想弹塑性连接单元进行模拟，纵桥向在每个塔梁处采用4 个粘滞阻尼器（全桥8 个），每个过渡墩处采用2 个粘滞阻尼器（全桥4个），粘滞阻尼器是提供运动阻力、耗减运动能量以及约束结构位移的装置。横桥向采用钢阻尼器，弹塑性阻尼器采用理想弹塑性连接单元进行模拟，屈服后阻尼器进入弹塑性[6]。塔底的承台和过渡墩底承台采用桩柱墩台空间计算软件（R&BSoft PCF）计算群桩基础的等效刚度，施加节点弹性连接，以近似考虑桩土相互作用。