栖林渡大桥桥型方案设计研究

王胜军 杨红梅

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川省西南大地集团有限公司，四川 成都 610032）

0 引言

桥梁的初步设计是施工图设计的基础，而桥型方案的选择又是初步设计的重中之重，是合理设计、方便施工、控制造价的关键。因此，根据地形、地质、地貌、水文及河段特征，从技术先进、安全实用、经济美观的角度出发，选择合理的桥型方案意义重大。

栖林渡大桥为G4218线康定至新都桥段高速公路中的一座桥梁。G4218线康定至新都桥段高速公路位于甘孜州康定市境内，是川藏南线进藏大通道的组成部分，沿线民族文化独特，旅游资源丰富。

栖林渡大桥跨越力曲河，桥梁设计需要满足景观要求，并要考虑施工的可行性和经济合理性。本文对其桥型方案设计进行研究。

1 工程概况

整个河段大致呈一向北凸出的弧形河湾。枯水期河面高程3485.6m，河床水面宽9～15m，水深一般为0.5～1.1m。100年一遇的设计洪水水位为3488.0m。河床覆盖层最大厚度20.6m，相应谷底基岩面高程3466.5m。

桥址区处于高山高原区，区内两岸地势平坦宽阔，两侧山坡地形切割一般，坡度较平缓，一般为30°～40°。

桥址区及其两岸出露的地层由松散堆积岩组和软硬相间层状工程地质岩组组成。地层岩性以第四系松散堆积物、三叠系上统两河口组中段板岩和粉砂质板岩夹石英砂岩、三叠系上统两河口组上段板岩夹少量岩屑石英砂岩为主。

设计荷载：公路-Ⅰ级，桥面净宽：2×11.65m，设计洪水频率：1/100[1]，通航标准：不通航。地震动峰值加速度:0.26g。

2 桥型方案的比选

2.1 确定桥型方案的原则

（1）景观要求。本桥地处康定高原地区，下承式拱桥的造型最像月亮，高原心月与康定情歌相得益彰，能契合地域文化特色，同时下承式拱桥吊杆有规律的重复、有秩序地变化就像琴弦一样激发出韵律美，使人们感到精神上的轻松、愉快，因此桥型方案需采用下承式拱桥方案。

（2）抗震要求。桥址位于高烈度地震区，所选下承式拱桥桥型必须要能够适应高烈度地震区要求。而桥墩较矮，约5m高，桥墩刚度较大，如果采用拱墩固接，因刚度大将导致结构的地震响应太大，因此上部结构不能与下部结构固接，上下部结构在运营阶段必须分离，上下部结构之间只能通过设置减隔震支座来适应高烈度地震区的要求[2]。

（3）施工要求。所选桥型必须能够适应地形特点，满足所需施工设备少、工艺简单，以减少施工难度，加快施工进度，节省投资金额，保证施工质量。

（4）造价要求。在满足施工要求的情况下，所选桥型必须同时满足工程数量省、造价低、投资少、经济合理的要求。

2.2 桥型方案

为满足工程数量省、造价低、投资少、经济合理的要求，宜采用下承式钢管混凝土拱桥。钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的一种复合材料，它一方面借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。

钢管混凝土本质上属于套箍混凝土，因此，除具有一般套箍混凝土的强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击等特点外，还具有以下几个方面的独特优点：

（1）钢管本身就是耐侧压的模板，因而浇筑混凝土时，可省去支模、拆模等工序，并可以适应先进的泵送混凝土工艺；

（2）钢管本身就是钢筋，它兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，既能受压，又能受拉；

（3）钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段可起劲性骨架作用，在使用阶段又是主要的承重结构，因此可以节省脚手架，缩短工期，减少施工用地，降低工程造价；

（4）在受压构件中采用钢管混凝土，可大幅度节约材料。理论分析和工程实践都表明，钢管混凝土与钢结构相比，在保持结构自重力相近和承重能力相同的条件下，可节省钢材约50%，焊接工作量显著减少；与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用量相当和承载能力相同的条件下，可减少构件横截面积约50%，混凝土和水泥用量以及构件自重也相应减少一半[3]。

综上所述，初拟以下两个方案：

方案一：钢管拱与连续梁组合结构方案，见图1。桥梁跨径布置：30+120+30m，桥梁总长188.06m，桥梁标准全宽为28.5m。拱肋轴线采用四次抛物线，矢跨比为1/5。拱肋断面由两根并排横置直径D为1500mm灌混凝土钢管组成，见图2。拱肋受压，预应力混凝土主梁受拉，该平衡体系的相互作用，使得拱与梁的弯矩大大减小，拱梁受力均匀，拱的水平推力也由结构自身平衡。吊杆采用组合吊杆，横向并排，纵向间距按6m 设置，吊杆采用Ф15.2mm环氧喷涂钢绞线挤压成型吊杆索体，极限抗拉强度为1860MPa，吊杆下端6m长范围内设计哑光不锈钢套管。桥面梁为预应力混凝土箱梁，整体性好。拱桥桥台为肋板台接群桩基础。

图1 方案一立面布置

图2 方案一跨中剖面

此方案连续箱梁对拱肋有非保向力作用，能大大提高拱肋稳定性，可以设计成单片肋，无横撑，桥梁结构简洁通透。此方案可以采用先梁后拱施工方法，大大降低拱肋施工难度[4]。钢管节段可以在已施工完毕的预应力混凝土箱梁上进行运输、吊装、组拼等一系列操作，无需为施工拱肋专门搭设栈桥或平台。施工过程中无需调整系杆拉力。施工工艺成熟，不存在技术上的问题。因为拱脚部位有箱梁的约束作用，线弹性稳定系数高，虽然是单肋拱，但线弹性稳定系数高达15.1。此外，本方案伸缩缝较少，桥面系为预应力混凝土箱梁，易养护。

方案二：单跨简支下承式钢管混凝土系索拱方案（拱梁分离方案），见图3 和图4。桥梁跨径布置：25+125+25m，桥梁总长183.0m，桥梁标准全宽为30m。拱肋轴线采用悬链线，矢跨比为1/5，拱轴系数为1.5，拱肋断面由左右两侧各一组哑铃型灌混凝土钢管组成，每组哑铃型钢管由两根直径1200mm灌混凝土钢管组成，见图4。系杆采用环氧喷涂钢绞线成品系杆，每一拱肋设置8 根Ф15.2mm钢绞线系杆，系杆分批张拉，系杆拉力平衡拱肋恒载推力和运营阶段的拱肋活载推力。吊杆纵向间距按6.8m设置，吊杆采用Ф15.2mm环氧喷涂钢绞线挤压成型吊杆索体，极限抗拉强度为1860MPa，吊杆下端6m长范围内设计哑光不锈钢套管。桥面梁由工字钢横梁及其上的波折钢-混凝土组合桥面板组成，横梁均采用“工”形截面。拱桥桥台为肋板台接群桩基础。

图3 方案二立面布置

图4 方案二跨中剖面

此方案两拱肋之间必须设置横撑来提高横向刚度和稳定性，而横撑在建筑效果上，影响了桥梁结构的通透性，易造成行车压抑感。此方案为满足钢管运输、吊装、组拼等一系列操作，需为施工拱肋专门搭设栈桥或平台。为满足拱肋受力要求，施工过程中需要多次调整系杆拉力，施工过程较繁琐。因为拱脚部位缺乏墩或梁的约束作用，线弹性稳定系数较低，只有4.13。此外，此方案伸缩缝较多，钢混组合桥面系对养护专业要求高，全寿命周期范围养护成本高[4]。

2.3 优缺点比选

方案一与方案二的优缺点对比见表1。

表1 各方案优缺点对比

经过对比分析，得出结论：

方案一采用钢管拱与连续梁组合结构方案，具有景观效果好，施工简便，成桥后线弹性稳定系数高，易养护，造价较低等优点，为最佳方案[5]。

3 结束语

栖林渡大桥位于甘孜州康定市境内，是川藏南线进藏大通道的组成部分，沿线民族文化独特，旅游资源丰富，为能契合地域情歌文化特色采用下承式拱桥方案。同时桥址又地处高烈度地震区（水平地震动峰值加速度为0.26g），为了减少结构的地震响应，必须采用上部与下部结构分离方案，为此特拟定钢管拱与连续梁组合结构方案和单跨简支下承式钢管混凝土系索拱方案。虽然两个方案均具有下承式拱桥的造型特点，但通过深入分析景观效果、施工过程、稳定系数、后期养护、工程造价等诸多因素，钢管拱与连续梁组合结构方案较常规下承式拱桥方案（拱梁分离方案）具有很大的优势，是最优选择。