柴埠溪特大桥主桥方案设计

2022-03-22迟东彪

公路交通技术 2022年1期

付强，汪剑，迟东彪

(中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430070)

宜都至来凤高速公路宜昌段采用双向4车道高速公路标准修建，设计速度采用80 km/h，路基宽度25.5 m。起点接呼北宜都至渔阳关段渔洋关互通，在田家屋场附近与宜来高速鹤峰东段相接。路线全长约93.6 km。项目区所处位置为山岭重丘区，地势陡峻，为山区高速公路的典型代表。

柴埠溪特大桥位于柴埠溪国家森林公园(柴埠溪大峡谷风景区)东南部，为跨越渔洋关大鲵省级自然保护小区而设置。主桥需同时满足高速公路和地方道路2种交通功能[1-3]，采用(68+144+480+144+68)m双塔双索面钢混组合梁斜拉桥，全长904 m。

1 建设条件

桥位处地形起伏较大，属亚热带大陆性温湿季风气候区，年平均气温为13.1 ℃，极端最高气温为37.1 ℃。百年一遇设计基本风速为26.3 m/s。桥址区跨越柴埠溪河，柴埠溪河常年流水，为非通航河道，主要接受大气降水补给，水量受季节影响明显。

路线及两侧存在岩溶、滑坡、危岩、软土、红粘土等不良地质现象，桥址区基岩出露，地层主要为白云岩，溶蚀裂隙发育的路段岩体较破碎，不良地质为岩溶。

桥址区局部分布有覆盖层，厚度不大，总体为基岩场地，场地类别为Ⅰ类，“V”形河谷，岸坡陡峭，属抗震不利地段。

2 主要技术标准

1) 公路等级：双向4车道高速公路，单侧预留双向2车道二级公路。

2) 高速公路设计速度：80 km/h；二级公路设计速度：60 km/h。

3) 荷载等级：公路-Ⅰ级。

4) 桥梁结构设计基准期：100年。

5) 地震动峰值加速度：0.05g。

6) 设计洪水频率：1/300。

7) 行车道宽度：高速公路4×3.75 m；地方道路2×3.5 m。

3 总体设计

3.1 桥型方案设计

柴埠溪大桥桥位跨越典型的深切“V”型沟谷，沟谷上宽约440 m，下宽约50 m，沟谷谷底至路线设计标高约290 m。桥位处V型沟谷两侧地势均较陡峭，宜都侧自然边坡坡度近66°，来凤侧自然边坡坡度稍缓，约47°，两侧边坡上均难以设置桥墩。此外，根据湖北省环保厅关于本项目中自然保护小区的批复意见，本项目局部路段(长度310 m)为省级自然保护小区，桥墩应布置在保护小区外。对于主跨310 m以上桥梁，可供选择的主桥形式主要有斜拉桥、悬索桥和拱桥等桥型方案，通过综合比选，最终确定采用斜拉桥方案。

主桥跨径选择的关键参数是塔墩位置，但其主要受地形、地质条件等因素控制，同时需考虑岩溶、滑坡、危岩等不良地质现象，在主墩离陡崖边一定安全距离的前提下确保边坡稳定和桥塔基础的安全性。此外，塔墩应选择地势平缓、开挖方量小的位置，以利于施工场地布设，降低施工难度。综合分析后，主桥采用主跨为480 m的斜拉桥方案。

借鉴国内山区主跨400 m以上斜拉桥设计及建造经验[4-9]，通过对比分析边中跨比、辅助墩位置及个数对桥梁结构的影响，本桥采用(68+144+480+144+68)m双塔双索面钢混组合梁斜拉桥，桥型布置如图1所示。

单位：m

3.2 桥梁平纵断面设计

柴埠溪特大桥受地形、地质及路线方案制约，桥位基本唯一。本桥全长1 344 m，主桥平面处于直线段，宜都侧引桥部分梁段位于半径1 200 m的圆曲线上，来凤侧引桥部分梁段位于半径1 250 m的圆曲线上。主桥桥面纵坡分别采用1.7%和0.3%，竖曲线半径为20 000 m。

3.3 桥梁横断面设计

柴埠溪特大桥主桥需同时满足2种交通功能，即设计速度为80 km/h的双向4车道高速公路和设计速度为60 km/h的双向2车道二级公路。桥面布置可采用荷载横向对称布置和荷载横向不对称布置2种形式。荷载横向对称布置即将地方道路的上下行分别布置在高速公路的两侧，该方案主桥横断面宽度将达到42.5 m，且引桥布置出现严重的交通交织，不利于引桥与地方道路的衔接。本项目采用荷载横向非对称布置方案，即将地方道路布置在高速公路的一侧，便于地方道路通行的快进快出。地方道路完全利用主桥桥面的引桥并行一段距离后，向现有地方道路顺接展线，该方案有利于与现有地方道路衔接，且展线里程较短，线型较好，不影响现有交通组织。

主桥全宽38.9 m，其中高速公路横断面宽26 m，行车道宽度为4×3.75 m；地方道路横断面宽10 m，行车道宽度为2×3.5 m。主桥横断面布置如图2所示。

3.4 主桥结构体系及压重形式

结构的支承体系直接影响结构静力和动力两方面的受力，是影响梁抗风抗震性能以及工程经济的主要因素之一，支承体系的选择与桥型结构、跨径布置以及外界条件(风速与地震烈度)等密切相关。

在借鉴国内类似斜拉桥实践经验的基础上，通过对全漂浮体系、半漂浮+纵向约束体系、塔梁固结体系优缺点进行综合比较，主桥方案采用半漂浮+纵向约束体系：索塔下横梁处和各辅助墩、交界墩处设置竖向活动支座，横向设置抗风、抗震支座，用于抵抗风荷载及地震荷载作用下的主梁横向效应；每个索塔下横梁处设置带限位的纵向粘滞阻尼器[10]。其中纵向粘滞阻尼器可控制动力风、地震、汽车制动力等动力荷载产生的位移和速度，保护梁端伸缩缝；当温度、静风和汽车引起的墩梁相对位移在阻尼器设计行程以内时，不约束主梁运动；超出行程时，对主梁产生限位作用。主桥支承体系如图3所示。

单位：cm

图3 主梁约束体系布置示意

根据计算结果，在活载作用下辅助墩处支座会出现负反力，需要采取措施避免发生支座脱空现象。为此，在边跨2个梁段范围内，利用钢板封闭横梁底板成为封闭的钢箱，采用施工简单、工序少、工期短、有利于山区桥梁施工的铁砂混凝土压重。在箱内灌注高容重铁砂混凝土进行压重，压重荷载900 kN/m。

4 主桥结构设计

4.1 主梁结构

主桥主梁采用组合梁，双工字钢纵梁梁肋间距38.0 m，梁高3.0 m，组合梁主体结构采用Q420qE。全桥共划分79个组合梁梁段，组合梁标准梁段长12.0 m，边跨处梁段长8 m，组合梁共有14种梁段类型。

主纵梁采用工字型断面。主纵梁顶板宽900 mm、厚36 mm；腹板高2 884 mm、厚36 mm；桥面设置2道小纵梁，小纵梁梁高300 mm。

桥面板采用预应力混凝土结构，与主梁同宽，标准段厚度为26 cm，边跨梁段厚度为55 cm。预制混凝土桥面板长1 845 cm，宽31.5 cm，厚26 cm，在主纵梁、小纵梁及横梁顶板区域设置桥面板现浇接缝，现浇混凝土与过钢梁顶面的抗剪焊钉、预制板的外伸钢筋及接缝上的纵横钢筋有效地组合成整体。混凝土桥面板预应力钢束在边跨及跨中附近梁段设置，钢束型号15-7。

在组合梁拉索和塔区支座处等负弯矩区，可根据受力需要设置抗拔不抗剪的特殊剪力钉，以提高结构的抗裂性和整体性[11]。

4.2 索塔及基础结构

柴埠溪大桥索塔地处V型沟谷两侧，地势均较陡峭，纵、横桥向坡度均偏大，因此为尽量减小横桥向承台开挖量，索塔下塔柱及其基础不宜分离，下塔柱宜向内收以减小索塔塔底及承台尺寸。

主塔采用H形桥塔，钢筋混凝土结构。宜都侧承台以上塔高215.0 m，来凤侧承台以上塔高170.0 m，如图4所示。塔柱顺桥向尺寸7.5 m～15.0 m，上塔柱横桥向尺寸为4.5 m，中塔柱横桥向尺寸为5.0 m，下塔柱横向尺寸为5.0 m～8.0 m。

索塔均采用整体式承台，承台平面为矩形截面，宜都侧平面尺寸50.0 m×24.6 m，厚6.0 m，承台下设28根直径3.0 m 钻孔灌注桩；来凤侧平面尺寸45.5 m×24.6 m，厚6.0 m，承台下设24根直径3.0 m 钻孔灌注桩。承台采用C40混凝土，桩基采用C35混凝土。

(a) 东侧索塔立面及侧面

(b) 西侧索塔立面及侧面

4.3 斜拉索及锚固方式

斜拉索采用Φ7.0 mm高强度低松弛环氧涂层平行钢丝HDPE护套成品索，抗拉强度不小于1 770 MPa，拉索型号分为LPES7-187、LPES7-223、LPES7-253、LPES7-283、LPES7-313、LPES7-337、LPES7-367、LPES7-409，斜拉索采用双层PE护套，外层PE护套的颜色根据景观设计确定。

斜拉索采用平行双索面扇形布置，斜拉索的锚固在塔端设置张拉端，梁端为锚固端。梁上索距与主梁节段长度一致，为8 m或12 m，横向间距为38.0 m，塔上索距为2.3 m，全桥共设4×18对斜拉索。斜拉索外表面设置气动措施，并在斜拉索与主梁锚固端设置阻尼器等。

索塔上拉索的锚固构造是将拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱全截面的重要构造。但由于拉索强大的集中力作用，再加上孔洞的削弱及局部受力，该处的应力集中现象普遍存在。拉索在索塔上的锚固区构造应综合考虑结构受力、锚固构造要求、施工工艺要求、养护维修及拉索的更换等各个方面来确定。根据柴埠溪大桥桥塔的形式及拉索的构造特点，斜拉索宜锚固在主塔塔柱内，在综合分析比较了环向预应力、钢锚梁和钢锚箱等3种锚固方式后采用钢锚梁的索塔锚固方式[12]。钢锚梁具体式样如图5所示。