沈海高速改扩建工程西溪特大桥初步设计

聂尚杰，侯淞译

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

1 工程概况

西溪特大桥是沈海高速公路角美福井至龙海北溪头路段改扩建工程控制性项目。桥址位于沈海高速公路厦漳漳洲段，该场区属冲海积河谷，地势较平坦开阔，大桥跨越九龙江西溪，桥位河道弯曲。桥区地层情况，河谷表层为冲洪积砂层、粉质粘土、淤泥质土、卵石层，下伏燕山晚期侵入花岗岩及其风化层。

根据历年桥检情况，旧西溪特大桥被评定为三类桥，主梁病害较为严重，每年均会有一段时间需进行交通管制，对老桥进行检测、加固、维修，维修加固成本高；同时沈海高速漳州段，交通量很大，长时间的交通管制，对沈海高速上的交通极为不利。因此，此次改扩建工程考虑将其拆除后原位重建，从根本上解决问题。

西溪特大桥作为全线跨越西江的控制性桥梁，上跨西溪Ⅶ级航道，下穿厦深铁路，且为原位拆除重建，桥梁梁高和纵面标高均严格受限，建设条件非常复杂，其新建方案是项目的重难点。

2 技术标准

(1)公路等级：高速公路；(2)设计速度：120 km/h；(3)汽车荷载：公路Ⅰ级；(4)抗震设计标准：抗震设防烈度Ⅶ，0.15 g；(5)通航标准：Ⅶ级航道，通航净空58 m×4.5 m。

3 总体方案研究

3.1 主桥桥型方案控制因素

西溪特大桥上跨西溪Ⅶ级航道，下穿厦深铁路，且为原位拆除重建，建设条件非常复杂。主要有通航尺度、铁路、防洪等因素影响桥型和跨径。

(1)通航尺度影响

大桥与规划Ⅶ级航道的西溪相交，根据通航条件影响评价报告，大桥与航道交叉角度125°，航道宽度58 m，通航净空≥4.5 m，该处Ⅶ级航航道最高通航水位5.13 m，综合考虑通航净宽、桥轴线与水流夹角、两侧紊流宽度、桥墩船撞风险后，为使主跨布置与航道布置、船舶习惯航线相适应，同时考虑桥墩的构造要求，桥梁主跨跨径拟采用160 m。

(2)防洪影响

主要控制因素为桥梁阻水比，河道内承台建议放置在河床以下，需控制桥墩尺寸并减少水中墩柱个数，尽量降低阻水比。桥梁梁底、支座底面应高出设计位。

结合上述通航、防洪控制因素，初步设计阶段确定西溪特大桥主跨采用160 m。

(3)厦深铁路影响

西溪特大桥与在运营厦深铁路桥相交，交角为54.2°，此处西溪特大桥桥面设计标高17.269 m，厦深铁路桥梁底标高22.945 m，桥下最小净空5.676 m，满足铁路桥下净空规范要求(桥下净空≥5.0 m)，同时保证桥梁外缘与铁路桥墩外缘间的最小距离2.50 m。公路与铁路桩基中心最小距离应大于6倍的公路桥梁桩基直径。

3.2 主桥桥型方案研究

设计本着“安全、实用、经济、美观”的原则，力求采用技术先进、施工工艺成熟、安全耐久、造价经济的桥型方案。

桥平面位于缓和曲线上，桥宽按整体式路基设计，桥型选择受到的限制较大，悬索桥、斜拉桥、拱桥方案受厦深铁路、桥下通航、防洪及造价的影响，显然不合理，而梁桥常用于跨度小于200 m的桥梁，造价低，各种技术成熟，便于施工等优点，因此对梁桥展开比选[1]。常用的梁桥有：预应力混凝土梁桥、钢箱梁桥等。

结合纵坡、地形，考虑项目的施工可行性、安全性和经济性等因素，初步设计方案具体为：

主桥方案一：(89+160+89)m预应力混凝土刚构组合连续梁；

主桥方案二：(89+160+89)m变截面连续钢箱梁。

4 桥型方案设计

4.1 主桥方案一：(89+160+89)m预应力混凝土刚构组合连续梁

(1)桥型布置

主桥跨径布置：(89+160+89)m，全长338 m。主梁总宽43 m，梁高为9.5～3.5 m；小桩号主墩高12 m，大桩号主墩高16 m。

(2)结构体系

主桥结构纵坡受下穿铁路净空控制高度较低，导致下部结构墩高较低，小于跨径的1/10，常规设计考虑上部结构采用连续梁，但由于设计洪水位7.5 m，已高出小桩号主墩(较矮主墩)支座垫石顶面标高，不符合规范要求，且支座在洪水位被水淹没直接影响了支座耐久性，而本桥所需支座吨位大，后期更换难度大，因此连续梁不可行。若采用刚构体系设计，由于两个主墩墩高矮，因墩梁固结导致的温度荷载对主梁和桥墩设计均非常不利，经结构验算，主墩无法满足设计要求。

为解决连续梁主墩支座标高低于设计洪水位、矮墩刚构桥温度内力大的问题，主桥结构采用刚构组合连续梁的结构体系，矮墩固结(小桩号主墩)、高墩释放(大桩号主墩)[2-4]。

桥地震荷载较大，一墩固结一墩释放导致地震荷载集中到固定墩上，不利于抗震，因此释放墩位置设置摩擦摆支座，并设置纵向锁定器对汽车制动﹑脉动风、船撞和地震等冲击荷载作用下的动力响应进行约束而释放温度、收缩徐变等荷载。

(3)主桥上部结构

上部结构箱梁采用单箱双室截面，顶宽21 m，底宽14 m，悬臂长度3.5 m。顶板悬臂端部、根部厚分别为20 cm和70 cm。主梁根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，顶板厚40/32 cm，底板32～100 cm，腹板从跨中至根部分两段为65 cm、100 cm，箱梁高度以及底板厚度均按2次抛物线变化。箱梁0号节段长13 m，每个悬浇“T”纵向划分为19个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为9 m×3.5 m、8 m×4.0 m、2 m×4.5 m，节段悬浇总长72.5 m，最大悬浇节段重量391 t。边、中跨合拢段长均为2 m，边跨现浇段长8 m。箱梁0号块横隔厚3 m，跨中横隔厚0.3 m，端横隔厚1.6 m。主梁采用三向预应力设计，纵向全预应力混凝土构件。

(4)主桥下部结构

主墩墩身采用单肢等截面矩形实心墩，截面尺寸14.0×5.0 m。主墩承台厚4.0 m，基础采用桩径2.5 m的钻孔灌注桩，基桩按梅花形布置，单个墩共10根桩。根据抗震计算结果，主墩桩基在地震作用下承受较大拉力，因此承台底往下33 m和27 m桩长范围内桩基外包厚25 mm钢管，钢管伸入承台2.5 m。根据地质资料，本次桥梁桩基均采用端承桩设计，为减少施工时对铁路桥墩基础的影响，采用旋挖钻孔桩进行施工。

(5)主墩防撞设施

拟建工程跨越内河Ⅶ级航道，通航50 t级船舶，据调查，工程河段有300 t船舶航行，主墩按300 t级船舶设防。大桥防撞设施应采用柔性较好的材料以保障船、桥的安全。

桥所处水域对通航要求较高，针对桥的具体特点和要求，主墩采用钢-复合材料固定式防撞设施，该结构具有良好的耐撞性指标(即单位质量防撞体与所能吸收能量的比值)，其内部填充有高分子缓冲吸能材料。

4.2 主桥方案二：(89+160+89)m变截面连续钢箱梁

(1)桥型布置

主桥跨径布置：(89+160+89)m，全长338 m。主梁总宽43 m，梁高为7.5～3.5 m；小桩号主墩高10 m，大桩号主墩高18 m。

(2)结构体系

采用连续梁体系，主墩、过渡墩均设置竖向支座，考虑场地地震烈度较高，竖向支座采用纵、横向均能耗能的双向摩擦摆减隔震支座。

(3)主梁

主梁采用单箱双室箱型截面，梁高3.5～7.5 m，单幅全宽21 m，底板宽14 m，悬臂3.75 m。钢箱梁由顶板、底板、腹板及横隔板等部分组成，顶板厚16～24 mm，底板厚16～42 mm，腹板厚16～32 mm。顶板主要布置间距600 mm的U肋，底板布置间距800 mm的U肋；腹板使用扁钢加劲，扁钢高180 mm，厚度12～16 mm。

钢箱梁横隔板主要有实腹式和空腹式两种形式，标准间距2.8 m，增加钢箱梁横向刚度、抗扭刚度以及顶板局部刚度。主墩墩顶、过渡墩梁端设2道、中跨跨中设1道实腹式横隔板，其余位置设空腹式横隔板，两横隔板间腹板设置1道腹板加劲肋。钢箱梁全部采用Q355D级钢材。

根据施工的需要，全桥钢箱共划分为32个节段，其中边跨S1～S8、SM及中跨M1～M3采用支架拼装，浮吊悬臂拼装M4～M6节段钢箱梁，浮吊吊装中跨合龙段M7钢箱梁。

(4)主桥下部结构

主桥主墩墩身采用单肢等截面圆形实心墩，墩身直径6.0 m。主墩承台厚4.0 m，基础采用桩径2.2 m的钻孔灌注桩，基桩按纵向三排、横向三排布置，单个墩共9根桩。桥梁桩基均为端承桩。

4.3 桥梁方案综合比选

采用综合因素比较法，根据桥型方案的施工难度、耐久性、养护维修、抗震性能、下穿铁路适应性、工期和建安费等对提出的两个方案进行初步设计阶段比选[5，6]，比较见表1。

表1 方案比较表

经综合比较，方案一(89+160+89)m预应力混凝土刚构组合连续梁方案主桥在工程造价、施工难度、后期养护等方面均具有较大优势，虽然方案一抗震性能稍差，增加结构设计难度，但可以通过适当增加下部结构尺寸，桩基采用外包钢管等措施确保结构地震作用下的安全，因此推荐方案一作为实施方案。

5 总 结

以西溪特大桥改扩建为依托，从建设条件、桥型方案研究、方案比选等方面对桥梁设计进行了研究。大桥上跨西溪Ⅶ级航道，下穿厦深铁路，桥梁梁高和纵面标高均严格受限，建设条件非常复杂，通航尺度、铁路、防洪等均影响大桥桥型和跨径布置；通过造价、施工难易程度、全寿命周期耐久性、可维护性等内容比选，推荐采用预应力混凝土刚构组合连续梁方案；针对刚构组合连续梁方案抗震性能稍差的问题，通过合理的约束体系布置、优化下部结构尺寸、桩基外包钢管等措施确保结构地震作用下的安全。