貴陽環城高速公路花溪大橋設計

金 令

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

貴陽環城高速公路花溪大橋設計

金 令

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

花溪大橋為貴陽環城高速公路南環線跨越花溪水庫的一座特大型橋梁，主橋為192 m的中承式鋼管混凝土拱橋，大橋全寬29.3 m(雙向四車道+人行道)，設計速度100 km/h，是全線重點橋梁和控制性工程。介紹該橋的總體設計情況，包括橋式選擇、設計參數、構造細節、施工方法。根據橋址處的條件大橋在貴州地區首次采用了三角形空間桁架拱、挖井基礎、自密實鋼管混凝土等技術，對多山巖溶地區同類型橋梁建設具有參考意義。

公路橋;拱橋;三角形空間桁架;挖井基礎;自密實鋼管混凝土;結合梁;設計

1 概述

花溪大橋為貴陽環城高速公路南環線跨越花溪水庫的一座特大型橋梁，是全線重點橋梁和控制性工程。花溪水庫位于南明河上游花溪河段，地處貴陽市花溪區，下游距花溪僅3 km，距貴陽市市區僅20 km，線路在此以斜交角度68°跨越花溪水庫，最大洪水位時水面寬約88 m，路面距離水面高約50 m，兩側地勢陡峭，地質主要為石灰巖，巖溶發育。由于花溪水庫為貴陽市飲用水水源地，為減少污染決定采用跨越能力大、施工污染少的鋼結構橋梁。

2 橋式的選擇

結合橋址處的地形條件，200 m左右的峽谷橋梁，拱橋是經濟的跨度，兩岸巖體雖然有巖溶發育，但地質條件尚可，適于修建推力拱。并且拱橋線條柔美，與自然環境匹配性好。因此提出鋼管混凝土和鋼箱2種拱橋方案。

考慮到橋址處交通條件不適宜較大型箱式構件的運輸，最后選用了鋼桁拱方案。其優點是可以以較小的桿件單元組織運輸，到工地后再組裝。圖1為竣工后的花溪大橋，桁架拱輕盈通透的外觀與周圍的環境協調一致。

圖1 竣工后的花溪大橋

3 設計

3.1 概述

橋梁總體結構見圖2，其設計條件和結構參數如下。

(1)橋梁基本情況

結構類型:中承式拱橋

拱肋形式:三管桁架式鋼管混凝土拱肋

跨度:192 m

拱肋計算跨徑:175 m

矢高:40 m

拱肋間距:拱頂處高度為4.0 m，拱腳處高度為6.0 m，拱肋沿拱軸線等寬度

橋梁寬度:0.35 m防撞護欄+1.5 m人行道+0.3 m防撞護欄+11.75 m行車道+1.5 m中央分隔帶+11.75 m車行道+0.3 m防撞護欄+1.5 m人行道+0.35 m防撞護欄，全寬29.3 m

道路線形:平面 直線

立面 縱坡0.6%，雙向橫坡2%

道路:8 cm厚中粒式改性瀝青

橋面系:格子梁結合橋面

橋面板:14 cm厚的C50鋼筋混凝土預制板+10 cm厚C50后澆混凝土層

吊桿類型:平行鋼絲束

圖2 花溪大橋全橋布置(單位:m)

(2)主要技術標準

道路等級:高速公路

設計速度:100 km/h

設計基準期:主體結構100年，支座及吊桿15～20年

最大洪水位高程:1 146.0 m(1/1 000)

環境類別:Ⅰ類

環境作用等級:B

抗震基本烈度:6度

(3)設計荷載

設計荷載:公路Ⅰ級，人群荷載

溫度荷載:體系溫差 鋼結構考慮全年最高和最低氣溫取ΔT=±30℃，混凝土與預應力混凝土結構考慮全年最高和最低月氣溫取ΔT=±20℃，鋼-混凝土溫差 ΔT=±15℃，鋼梁日照不均勻溫差 ΔT=±30℃，混凝土梁上、下緣溫差 道碴橋面采用±5℃，框架墩身左右側溫差 ΔT=±5℃

設計風速:25.1 m/s

3.2 基礎

貴陽地區為喀斯特地貌，地質情況復雜，溶洞和巖溶裂隙較發育，鉆孔揭示的溶洞頂底板厚度0.20～4 m，溶洞為無充填、半充填或全充填，充填物為黏土和灰巖巖屑。工點范圍內不良地質現象主要為灰巖區巖溶。根據鉆探和物探結果，牛郎關岸的主拱位置為巖溶最發育區，溶洞和溶蝕裂隙較發育，金竹鎮岸主要為巖溶影響區，溶洞分布在地表淺部，其下主要為巖溶影響的強風化層，以溶蝕裂隙為主要特征。溶洞對基礎設置和工程穩定有較大影響。

巖溶地區的工程建設，基礎一直是設計難點之一，本橋設計時除了需要考慮橋址處高度發育的溶洞、溶隙外，還需考慮工期的因素，最終開創性的將挖井基礎用于本橋。挖井基礎尺寸較大，利于機械施工，對于溶洞、溶隙的探明、處理也提供了良好的條件。施工過程也比人工挖孔樁更為安全。

相比初步設計的群樁基礎，挖井基礎雖然尺寸較大，但是樁數上卻比群樁基礎大有優勢，結果是就承臺的體型來說，挖井基礎比群樁基礎遠為小。承臺體型的縮小，使得基礎布置有更大的靈活性，跨度因此得以縮小。并且基礎范圍比群樁基礎小，遇到不良地質的可能性也大大降低了，見圖3。

挖井基礎尺寸為10 m×5 m，根據地質情況的不同，設計長度為24 m及21 m，承臺尺寸為15 m×7 m。施工時，發現金竹鎮岸的地質條件比鉆探結果要好，又將樁長縮短到15 m;牛郎關岸下游拱座基礎開挖時發現一未探明的較大的溶洞，由于作業面夠大，也得到了快速的處理。

3.3 拱肋

桁架拱肋的采用雖然有效地解決了交通運輸的問題，卻給橋梁的美學設計帶來很大挑戰。傳統的鋼管混凝土拱橋多采用矩形的四管桁架，各自組成啞鈴形的截面在上下弦，但這種桁架桿件相互遮擋，視覺上較為凌亂，難以得到通透、變化的效果。花溪大橋采用了目前國內較為少見的三角形空間桁架，桁架由上弦1根較大的鋼管和2根較小的鋼管組成品字形截面。桁架在透視上富于變化、視覺上也通透很多。通過計算，證明三角形桁架在橫向穩定性方面也無任何問題。設計中詳細研究了腹桿、下弦平聯桿、吊桿錨管與主桁弦桿的相貫線干涉問題，使之皆能得到合適的布置而不影響焊縫的受力，拱肋結構詳見圖4。

最終大橋采用中承式鋼管混凝土平行拱，計算跨度為175 m，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=2.2，拱肋軸線理論矢高40 m，矢跨比為1/4.375;拱肋橫向中心距為29.5 m，拱肋采用鋼管混凝土截面，每肋由1個φ1 000 mm的鋼管和2個φ700 mm的鋼管組成，外寬3 m，下弦管中心距2.3 m。拱肋高度沿拱軸變高，拱頂處高度為4.0 m，拱腳處高度為6.0 m，拱肋沿拱軸線等寬度。

拱腳、拱頂段上弦管壁厚為34 mm，二者之間區段壁厚為30 mm;拱腳、拱頂段下弦管壁厚為24 mm，二者之間區段壁厚為20 mm。上下拱肋之間的腹桿除吊桿處采用φ299 mm×16 mm外，其余采用φ400 mm×12 mm鋼管。兩個下弦鋼管之間由截面為φ203 mm×12 mm鋼管組成。

在拱肋的上下弦管內泵送混凝土采用流動性好、緩凝、水化熱低的C50自密實混凝土，其余腹桿和橫撐鋼管內除拱腳特別指明者外不灌注混凝土。

3.4 自密實鋼管混凝土

本橋拱肋內混凝土采用目前世界上先進的施工工藝:倒灌頂升泵送施工法。過去的鋼管拱混凝土澆筑施工中，由于缺乏超長時間保持流動性混凝土配制技術，若采用倒灌頂升泵送施工工藝，往往無法一次性連續泵送，不僅施工效率低，甚至還易出現泵壓過大、泵管爆裂、鋼管內混凝土密實度低等工程質量事故。自密實鋼管混凝土通過摻入適量的外加劑、合適的膠凝材料用量，以及粗細集料的選擇經過精心設計，在拌和后具有高流動度而不離析、不泌水和高均勻性，在免振搗的成型條件下，能夠在拱橋的鋼管中充分填充空隙，形成了密實、均勻的組合結構材料。

采用自密實鋼管混凝土具有以下優點。

(1)保證混凝土良好的密實性。

(2)提高生產效率，縮短施工期限，工人勞動強度大幅度降低。

(3)改善工作環境和安全性。沒有振搗噪聲，避免工人長時間手持振動器導致的“手臂振動綜合癥”、消除高噪聲振動引起的工人健康的風險等。

(4)避免了振搗對拱肋鋼管、施工支架產生的振動、磨損，增加安全性，延長施工機具其使用時間。

(5)可降低工程整體造價。從提高施工速度、環境對噪聲限制、減少人工和保證質量等諸多方面降低成本。

根據計算，灌注順序按照先上弦管，后下弦管;先外弦管，后內弦管的原則。

鋼管拱自密實混凝土的應用可降低工程風險，節約工程投資，提高工程施工及運行質量，并使我國、尤其貴州地區混凝土工程的施工技術達到新的水平，對貴陽市環城高速南環線建設的可持續發展起到示范與推動作用。

3.5 橋面系

圖3 挖井基礎(左)與群樁基礎(右)的承臺尺寸比較(單位:m)

圖4 拱肋截面及拱肋節點構造(單位:mm)

橋面系為鋼縱橫梁和鋼筋混凝土橋面板的組合結構，在鋼縱、橫梁頂面上布置φ22 mm圓柱頭焊釘與鋼筋混凝土橋面板形成結合梁結構。共設置9道縱梁，其中2道為主縱梁，高度2 m;其余鋼縱梁為次縱梁，高為0.8 m。鋼橫梁間距12 m，在行車道范圍設2%橫坡而變高，梁高從端部的1.9 m變為跨中的2.165 m。橋面布置和橋面系構造分別見圖5、圖6。

在拱上立柱和橋面第1根吊桿之間采用4道主縱梁+5道次縱梁，該處橫梁不與主拱連接，橫梁截面為箱形截面，見圖7。

圖5 橋面布置(單位:mm)

圖6 橋面系構造(單位:mm)

圖7 橋面系縱橫梁布置(僅示下游半幅)(單位:mm)

橋面板由厚14 cm的C50鋼筋混凝土預制板+10 cm厚后澆混凝土層+8 cm厚中粒式改性瀝青混凝土組成(在橋面混凝土與瀝青混凝土間噴涂1.2 mm厚BCW-G高性能橋面防水涂料)，預制混凝土板間的橫向接縫寬為0.5 m，縱向接縫寬0.3 m，接縫混凝土采用C50補償收縮鋼纖維混凝土。

組合橋面相比鋼橋面的優勢在于減少噪聲和易于養護，橋面采用鋼纖維混凝土后澆層能更好地控制裂縫。

花溪水庫為二級水源保護區，為保護水源不受橋面雨水污染在主橋橋面處設泄水管、通過設在人行道板下的順橋向排水管排至橋墩處集水管，利用兩岸集水設施收集橋面雨水，雨水集中處理后以供綠化使用。為防止交通事故對水源造成重大污染，在車行道外側設置高等級防撞金屬護欄，金屬護欄外設置人行道欄桿，欄桿比護欄高出約0.5 m并經過強度檢算足以承受設計車輛重力，以阻止發生交通事故后車輛側傾落入水庫中。

為方便檢修，在橋面系下方設置檢查車2臺，分左右幅檢查橋面系鋼結構部分，如圖8所示。

圖8 橋面系及檢查車

3.6 橫撐

初步設計時橫撐為“米”字形橫撐，由于是風景區，凌亂的“米”字撐破壞了大橋的整體形象，在施工設計時橋面以上改用“一”字撐，橫撐的腹桿布置采用與主桁相近的三角桁架，以取得與全橋協調的效果。由于“一”字撐剛度較弱，共設置了7道。第1道“一”字撐做成了平面桁架，減輕其作為橋門架時對過往車輛造成的壓抑感;其余“一”字撐為“∧”形，去掉底部的平聯桿也是為了達到更整齊的視覺效果。

4 施工

此橋橋面距離常水位水面超過60 m，拱頂距離水面更是接近100 m，且花溪水庫為飲用水源地，除水庫管理船只外，不必考慮通航條件制約，因此選擇了纜索吊安裝拱肋、同步扣索的施工方案。

纜索吊機跨度283 m，塔架使用萬能桿件拼成，高度58～70 m，主索由8根6×37+FC型抗拉強度1 770 MPa的φ56 mm鋼絲繩組成，垂度19 m，設計起重能力1 000 kN，實際最大吊重691 kN。

每側主拱分成9個吊裝節段，包含2個拱腳段、6個主要節段和1個合龍段，每岸各設3道扣索，每節段安裝后先以臨時連接固定，調整扣索索力后完成焊接。同步安裝橫撐。全橋主要施工步驟見圖9。對每個施工步驟，均進行了有限元分析以控制變形和索力，見表1。

圖9 全橋主要施工步驟

表1 索力計算結果對比 kN

拱肋合龍后，分階段拆除扣索，封鉸，上下弦管對稱灌注C50自密實混凝土。先灌上弦，待混凝土強度達到設計強度后再灌下弦。

安裝吊桿、拱上立柱，安裝橫梁，安裝縱梁，鋪設預制橋面板，施工橋面板后澆層。

5 結語

花溪大橋作為南環線工程的重中之重，不但成為環城高速路的標志性建筑，也創造了貴陽市政橋梁跨度的紀錄。大橋在貴州地區首次采用了三角形空間桁架拱、挖井基礎、自密實鋼管混凝土等技術，對多山巖溶地區同類型橋梁建設具有參考意義。

目前花溪大橋已建成2年，運營情況良好。全面完工后的花溪大橋猶如一道靚麗的彩虹鑲嵌在花溪水庫上，是貴陽人民智慧的象征，更為自然景色密布的高原明珠——花溪再添人文一景。

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Design for Huaxi Bridge in Highway around Guiyang City

JIN Ling
(China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China)

Huaxi Bridge is a super large bridge across above Huaxi reservoir in the south line of Guiyang City Highway.The main bridge，which is a 192 m half-through concrete-filled steel tube arch bridge with 29.3 m in full width(bi-direction four lanes plus sidewalks)and 100 km/h design speed，is the key bridge and controlling project of the whole line.The author illustrates the general design situation of the bridge，including bridge-type selection，design parameters，structure details and construction methods.According to the situations at the bridge site，Huaxi Bridge is the first bridge using the technologies such as triangular space truss arch，cutting caisson foundation，self-compacting concrete-filled steel tube in Guizhou region，which can give some references for the same type of bridge constructions in mountainous karst area.

highway bridge;arch bridge;triangular space truss;cutting caisson foundation;selfcompacting concrete-filled steel tube;composite beam;design

U442.5

A

1004-2954(2012)07-0082-05

2011-10-31

金 令(1979—)，男，工程師，2002年畢業于大連理工大學，工學學士。