跨越南水北调中线干线桥梁选型

刘立博

（石家庄市交通设计咨询集团有限公司，石家庄050000）

1 引言

南水北调中线干线工程，是我国的重大战略性基础设施，是关系到北京、天津、河北、河南等省市经济社会可持续发展的百年大计。随着经济的发展和交通量的日益增长，需跨越南水北调中线干线的新建或改扩建公路工程越来越多。根据南水北调要求，以桥梁型式跨越南水北调中线干线，要求桥梁主跨一跨跨越干渠两侧隔离网栏，同时须保证施工及运营期间南水北调的供水安全，合理的桥型方案，既可降低项目投资、缩短工期，又能保证运营期间南水北调的供水安全。桥梁方案的选择显得尤为重要。

2 背景概述

本文以河北某省道跨越南水北调中线干线工程专题设计为背景，从施工方案、对总干渠的影响、环保、节约投资等多方面进行了分析研究。

该工程采用双向六车道一级公路标准建设，设计速度80 km/h，路基宽度34 m。路线与南水北调中线干线交叉角度为98.3°。该段总干渠防洪标准为100 a 一遇设计，300 a 一遇校核。干渠东侧隔离网栏内有1 道35 kV 高压专线。

跨越位置处隔离网栏外侧50 m 范围内为一级水源保护区；一级水源保护区边线以外50 m 范围内为二级水源保护区；隔离网栏以外100 m 范围内为工程保护范围。

3 跨越方案

项目采用桥梁跨越型式上跨南水北调中线干线。通过收集、对比省内外已建成的类似跨径桥梁资料，提出两种施工方案：

方案一：上部结构采用波形钢腹板预应力混凝土变截面组合箱梁，挂篮悬臂浇筑，跨中合龙；

方案二：在隔离网栏外侧浇筑独塔斜拉结构，待达到设计强度后进行转体。

3.1 跨越方案一（波形钢腹板挂篮悬浇→边跨合龙→中跨合龙）

相比常规的混凝土箱梁，波形钢腹板箱梁自重减轻约20%左右，从而使上部造价降低8%～12%；同时，上部结构自重的减轻可使下部结构的桩长缩短；波形钢腹板结构还可减少现场作业，加快施工进程，同时减少节段数量，缩短工期。

经地形图布孔，方案一主桥采用79 m+136 m+79 m 跨径组合，主墩承台边距隔离网栏最近处为6.6 m，为施工预留了适当了安全距离。主桥上部结构采用波形钢腹板预应力混凝土变截面组合连续箱梁，主梁采用单箱单室截面，单幅箱梁宽度为16.25 m，其中底板宽度为9.6 m，翼缘板悬臂3.325 m。跨中梁高4.0 m，断面尺寸见图1；根部梁高8.3 m,支点断面尺寸见图2。梁高和底板厚度均以1.8 次抛物线的型式由跨中向根部变化。箱梁内部设置横隔板，在支点横梁附近的波纹腹板内侧设置内衬混凝土，箱梁采用悬臂浇筑的施工方法。

图1 方案一跨中断面（单位：cm）

图2 方案一支点断面（单位：cm）

3.2 跨越方案二（隔离网栏外浇筑独塔斜拉结构→平面转体）

转体施工目前多用于上跨铁路桥梁，通常梁体较窄，采用T 构型式。

本项目路基宽度34 m，上部梁体较宽，且跨径较大，结合项目实际情况，选用独塔斜拉结构型式，在隔离网栏外浇筑完毕，待达到设计强度后进行平行转体。

经地形图上布孔，方案二主桥采用148 m+72 m+40 m 跨径组合，上部主梁在5#墩处平行于隔离网栏进行浇筑，待达到设计强度后绕主塔顺时针方向旋转81.7°；边墩承台边距隔离网栏最近处为7.3 m。上部结构主梁采用整体预应力混凝土等截面现浇箱梁，梁高3.4 m，断面尺寸见图3。主墩基础采用33根φ2.0 m 钻孔灌注桩。

图3 方案二1/2 主梁典型断面图（单位：cm）

3.3 跨越方案对比

方案一与方案二各有优缺点，对比如下。

3.3.1 方案一（波形钢腹板挂篮悬浇→边跨合龙→中跨合龙）

优点：（1）施工方案成熟，风险较小；（2）投资相对较少。

缺点：（1）相比方案二在干渠上方施工时间较长；（2）波形钢腹板需考虑运营期间防腐问题。

Based on Taylor series approximation,we can also reformulate into the GAM model as

3.3.2 方案二（隔离网栏外浇筑独塔斜拉结构→平面转体）

优点：梁体平行转体上跨干渠，无须在干渠上方浇筑施工。

缺点：（1）斜拉桥转体施工前需在西侧隔离网栏外先硬化“预制”场地，搭设满堂支架进行现场浇筑，浇筑施工位于一级水源保护区内；（2）转体施工要求在梁体旋转半径内不能有竖向构筑物，对干渠东侧的35 kV 输电线路有影响；（3）矮塔斜拉转体施工方案，桥型特殊，转体质量大，设计、施工风险较大；（4）主墩承台体积巨大，承台基坑开挖体量较大，基坑开挖施工位于一级水源保护区内；（5）主墩钻孔桩基数量较多，大体量钻孔施工均在一级水源保护区内；（6）非对称结构，技术处理较为复杂，桥面纵坡为单向坡，桥面排水效果相比方案一双向纵坡较差。（7）斜拉索设计使用年限为20年，运营期间需定期对斜拉索进行养护更换；（8）本方案跨径大、梁体宽、转体质量大，技术复杂，主桥建安费较方案一高出约16.9%；（9）本桥桥下净空相对较小，矮塔斜拉不如方案一美观。

3.3.3 方案对比

经对比分析，方案一与方案二各有优缺点，从设计施工技术难度、主墩承台基坑开挖及主墩桩基钻孔施工对总干渠影响、一级水源保护区内场地硬化、对35 kV 输电线路影响、桥面排水、节约投资、美观性等多方面综合考虑，推荐方案一（波形钢腹板挂篮悬浇→边跨合龙→中跨合龙）。

4 波形钢腹板PC箱梁简介

4.1 波形钢腹板PC箱梁桥的定义

波形钢腹板PC 箱梁桥就是用波形钢板取代传统预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱型梁桥。其显著特点是用8～30 mm 厚的钢板取代厚30～80 cm 厚的混凝土腹板。第二个特点是由于顶、底板预应力束放置空间有限而使用体外索。

4.2 波形钢腹板PC箱梁桥的结构特点

1）波形钢腹板纵向抗压强度小，设计时可以认为其不承受轴向力，纵向弯曲时忽略波形钢腹板的纵向弯曲作用，近似认为抗弯惯矩计算仅考虑混凝土顶、底板构成的截面；

2）组合梁纵向弯曲时符合平截面假定；

3）剪力由波形钢腹板承担，且剪应力沿波形钢腹板高度方向均匀分布；

4）在混凝土顶、底板中配置纵向预应力筋，用以抵抗施工时的荷载及自重。在箱内配置体外预应力束，通过转向块来转向并最终锚固在横隔板上，实现曲线或折线配筋，以体外索来承担外荷载的作用；

5）波形钢腹板箱梁桥动力特性介于钢桥与PC 桥之间；

6）波形钢腹板PC 箱梁桥纵向抗震性能优于一般PC 桥，横向抗震性能基本相同；

7）波形钢腹板的预制节段之间一般通过高强螺栓或现场焊接的方式连接，结构分析时认为波形钢腹板与混凝土顶、底板共同工作，不会发生相对滑移或剪切连接破坏。

4.3 波形钢腹板PC箱梁桥的优点

相比传统的预应力混凝土箱梁波形钢腹板桥型具有如下优点[1，2]：（1）其上部结构自重相比常规的预应力混凝土箱梁桥大为减轻，地震激励作用效果显著降低，抗震性能好；（2）减少了混凝土、预应力钢材、钢筋的用量，大幅度减轻了上部结构的自重，并使下部结构的工程量减少，从而降低了工程总造价；（3）混凝土用来抗弯，波形钢腹板用来抗剪，而且腹板内的应力分布近似于均布图形，各种材料各尽所能，有利于材料发挥作用；（4）上部结构在施工过程中，可以减少大量的模板、支架和混凝土浇筑工程，免除在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺，而且波形钢腹板可以工厂化生产，现场拼装施工，从而简化施工设施，加快施工进程，减少现场作业；（5）减少了节段数量，缩短了工期；（6）运营期间体外预应力索出现磨损或断裂时，可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换，便于桥梁的维修和补强；（7）传统的预应力混凝土箱梁桥受外力荷载以及混凝土收缩、徐变的影响，常常在腹板出现裂缝，造成了混凝土截面削弱、钢筋腐蚀等一系列问题，而波形钢腹板避免了腹板开裂问题，耐久性能较好。

5 结论与建议

5.1 结论

跨越南水北调桥梁除满足结构安全的设计外，还必须满足南水北调建设管理部门的要求，桥梁的施工和运营期间不能影响南水北调的供水安全和日常运营。合理的桥型选择不仅可以满足公路和水利部门的要求，还能缩短工期、节省投资、更加环保。

本文从桥梁施工期间对干渠两侧一级水源保护区的影响、基坑开挖规模、桥梁建设规模、对两侧35 kV 高压输电专线的影响及后期运营等方面进行了分析对比，为类似跨越南水北调工程提供了参考。

5.2 建议

我国是钢产量大国和桥梁大国，但在我国已建成的近百万座桥梁中，钢桥数量不足桥梁总量的1%；相比我国在特大桥、大桥建设中取得的显著成就，钢结构桥梁的应用相对滞后。而波形钢腹板PC 梁是组合机构中最为优越的结构，在公路工程中推广应用波形钢腹板PC 梁桥具有显著的经济效益、社会效益和深远的社会意义。