木蘭湖大橋主橋方案設計與施工

劉鋒民，趙站偉，賀國佑

（1.武漢市公路勘察設計院，湖北武漢 430015；2.武漢市規劃研究院，湖北武漢 430014）

1 概述

木蘭湖即夏家寺水庫，是攔截灄水河支流長堰河蓄水而成的人工湖，集灌溉、發電、旅游于一體。木蘭湖距木蘭山風景區東部約6 km，有132個湖汊，23個島嶼，一碧萬頃，清澈如鏡，風景純美，是湖北省4A級風景旅游勝地。木蘭湖大橋建成后將完善木蘭湖環湖公路路網布局，改善黃陂—紅安的旅游交通狀況，促進湖區兩岸的經濟發展。木蘭湖大橋推薦方案橋梁長721 m，橋跨布置為：西引橋（3×35）m預應力混凝土連續小箱梁+主橋采用（35+2×60+35）m預應力混凝土V型剛構+東引橋3×（4×35）m預應力混凝土連續小箱梁；橋面全寬位12 m，其橫向布置為：1.75 m（人行道）+8.5 m（行車道）+1.75 m（人行道），設2%雙向橫坡。

2 主要技術標準[1，2]

（1）汽車荷載等級：公路－Ⅰ級；

（2）人群荷載：3.0 kN/m2；

（3）橋梁寬度：橋寬12 m，橫向布置為1.75 m人行道+8.5 m行車道+1.75 m人行道；

（4）地震動峰值加速度系數：0.05，按Ⅶ度設防；

（5）設計洪水頻率：大橋1/100；

（6）航道等級：木蘭湖航道規劃為Ⅷ級，按Ⅶ（2）級航道預留，雙向通航凈空32 m×4.5 m，單向通航凈空20 m×4.5 m。

3 橋型方案擬定

3.1 方案構思及主橋方案設計

橋型方案的選擇是在橋位、通航凈空和路線走向確定后，結合橋址區的地質、水文、施工條件和造價等因素,通過認真分析和深入研究進行綜合比選。橋梁設計應遵循“實用、經濟、安全、美觀”的基本原則，擬定了4個主要橋型方案，分別為預應力混凝土V型剛構、波紋鋼腹板連續箱梁、三跨下承式無風撐鋼管混凝土拱橋和V型剛構組合拱橋。

（1）方案一：（35+2×60+35）m預應力混凝土 V型剛構

鑒于上述建橋自然條件的特點及大橋位于著名風景區地理位置的需要，方案一主橋采用（35+2×60+35）m四孔一聯的預應力混凝土V型剛構，兩個邊孔均滿足Ⅶ級航道單向通航凈空20×4.5 m的要求,兩個主孔滿足Ⅶ級航道雙向通航凈空32 m×4.5 m的要求，其立面布置如圖1所示。兩岸引橋均采用35 m的預應力混凝土連續小箱梁。該方案橋梁總長721 m，橋梁全寬12 m。預應力混凝土V型剛構已在千島湖成功建成，并且景觀效果甚佳，具有一定的先進性。

（2）方案二：（35+2×60+35）m波紋鋼腹板連續箱梁

該方案采用（35+2×60+35）m四孔一聯的波紋鋼腹板連續箱梁，兩個邊孔滿足Ⅶ級航道單向通航凈空20 m×4.5 m的要求,兩個主孔滿足Ⅶ級航道雙向通航凈空32 m×4.5 m的要求，其立面布置如圖2所示。兩岸引橋均采用35 m的預應力混凝土連續小箱梁。該方案橋梁總長721 m，橋梁全寬12 m。波紋鋼腹板橋梁在國內使用甚少，目前已建成的有山東鄄城黃河公路大橋和深圳南山大橋。該方案具有一定的創新性，在整個華中地區尚屬首次提出。

（3）方案三：（50+80+50）m三跨連續下承式無風撐鋼管混凝土拱橋

該方案采用（50+80+50）m三跨連續下承式無風撐鋼管混凝土系桿拱橋，邊、中孔均滿足Ⅶ級航道雙向通航凈空32 m×4.5 m的要求，方案三立面布置如圖3所示。兩岸引橋分別采用30 m和35 m的預應力混凝土連續小箱梁。該方案橋梁總長711 m，主橋橋面全寬15.6 m，引橋橋面全寬12 m。該類橋型已在廣東廣州和江西贛州建成，景觀效果甚佳，具有一定的先進性。

圖1 方案一 主橋立面圖（單位：cm）

圖2 方案二 主橋立面圖（單位：cm）

圖3 方案三 主橋立面圖（單位：cm）

（4）方案四：（40+100+40）m V型剛構組合拱橋

該方案采用（40+100+40）mV型剛構組合拱橋，主橋滿足Ⅶ級航道雙向通航凈空32 m×4.5 m的要求，邊跨滿足Ⅶ級航道單向通航凈空20 m×4.5 m的要求，其立面布置如圖4所示。兩岸引橋分別采用30 m和35 m的預應力混凝土連續小箱梁。該方案橋梁總長711 m，主橋橋面全寬15.6 m，引橋橋面全寬12 m。該類橋型僅在衢江大橋[3]成功建成。該方案是以V形剛構受力為主，輔以拱結構受力的組合結構體系，把V形連續剛構舒展的造型與拱橋流暢的造型和推力平衡的受力特點結合起來，使V形剛構與拱的優點得以充分發揮，具有良好的受力性能、合理的技術經濟指標和豐富的景觀效果。

3.2 主橋方案比選

根據當前國內橋梁建設的成功實例和經驗，上述橋型方案在技術上是可行的，風險上是相近的。由于橋梁總長、路線縱坡標準不受方案的影響，基礎施工方式相同，故方案比選主要基于通航、景觀、工程經濟性幾個方面進行綜合比較，如表1所列。

從前述橋位比選知，方案一（35+2×60+35）m預應力混凝土V型剛構橋方案造價適當、輕盈優美、施工和設計技術成熟，可作為推薦方案。

4 推薦方案主橋結構設計

4.1 上部構造

圖4 方案四 主橋立面圖（單位：cm）

表1 橋型方案比較表

主梁采用單箱單室斜腹板截面，V形墩頂上箱梁梁高2.5 m，長19 m，合龍段及邊跨直線段梁高1.6 m，V形墩斜腿頂部至合龍段梁底按二次拋物線過渡，斜腿與梁底采用R=6 m的圓曲線銜接。箱梁頂板寬12 m，設2%的雙向橫坡，兩翼懸臂長2.5 m，懸臂板端部厚15 cm，根部厚45 cm，頂板正常厚25 cm，腹板厚50 cm，底板厚由斜腿處的50 cm按二次拋物線變化至合龍段的25 cm。

4.2 下部構造

主墩采用V型預應力混凝土實體墩，V型墩斜腿橫橋向與主梁底板同寬為6 m，厚1.5 m，斜腿軸線與墩中心線交角35°，上下固結，斜腿長為10.8～11.4 m。墩座為普通鋼筋混凝土結構，墩座順橋向寬7.0 m，橫橋向寬6.0 m，高3.0 m。主墩采用矩形承臺，長9.0 m，寬8.0 m，厚3.0 m，承臺下設4根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，穿透強風化片巖，進入中風化片巖。

過渡墩為薄壁墩，墩身截面尺寸為6 m×2 m，采用矩形承臺，長9.0 m，寬8.0 m，厚3.0 m，承臺下設4根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，穿透強風化片巖，進入中風化片巖且深度不小于2.5倍樁徑。

5 推薦方案施工方案

木蘭湖是人工湖，庫區僅有小型船只通行，大型起吊設備和大噸位駁船無法到達橋址。木蘭湖最低水位44.87 m，正常水位49.90 m，常年最大水深在19～23 m，湖床最低水深不低于2.5 m,水流緩慢,水位相對穩定。

5.1 基礎施工[4]

主橋基礎均為深水基礎，施工難度較大，主要面臨以下難點：（1）水深，鉆孔樁施工期間水深19～23 m；（2）覆蓋層薄，湖底最低處覆蓋層厚不足5 m；（3）樁基必須嵌入中風化巖面。針對上述施工難點及湖區內無大型起吊設備和大噸位駁船的實際情況，樁基施工采用兼具輔助樁固定式鉆孔樁施工平臺和簡易浮式施工平臺優點的復合式浮式施工平臺。該平臺立面結構如圖5所示。復合式浮式施工平臺是在常規浮式平臺基礎上，在鋼護筒插打穩定后，將鋼護筒用獨立的固定鋼構架相互鎖定，使鋼護筒與周圍的浮動構架脫離并保持一定的距離，沖擊反循環鉆機及起重桁車等其他施工設備安裝在由浮體支撐的平臺上，通過設于鋼護簡頂口特殊的鋼絲繩定位裝置，使鉆頭中心始終固定在護筒平面中心，保證了鉆孔樁施工時的垂直精度。該平臺在鉆孔作業時，鋼護筒穩定體系具備固定式平臺的特點，鉆機、起重門架等支撐在浮式平臺上，兩種支撐體系構件相互分離，互不影響，有效地克服了獨立使用任一種平臺體系的不足，并充分利用了其優勢，該施工平臺已成功應用于千島湖大橋。

圖5 復合式浮式施工平臺立面布置

5.2 上構施工[4]

V形墩結構是由2個斜腿及其頂部箱梁組成的倒三角形結構，施工中最重要的是控制倒三角形在施工各階段的內力，特別是斜腿底部的彎矩控制。通常最直接和有效的方法是設置可靠的外部支架，使V形墩與頂部主梁基本在無應力狀態下閉合。但在木蘭湖大橋的深水中施工V形墩，出于經濟上的考慮，只能選擇采用平衡支架法施工，采用外部安裝平衡膺架，充分利用主體結構來加強支架體系，使支架與主體結構一體化參與承受施工荷載的方法施工，V形墩施工立面布置如圖6所示。該法已成功應用于千島湖大橋并取得了良好的工程效果。V形墩結構是由2個斜腿及其頂部箱梁組成的倒三角形結構，斜腿施工可采用外部安裝平衡膺架，內部埋設勁性骨架以承受模板、鋼筋及混凝土澆筑時荷載的施工方法；V形墩頂部箱梁在支撐于承臺的膺架梁上施工；主橋主梁采用掛籃懸澆逐段施工，分層澆筑。

圖6 V型墩施工立面布置

6 結語

橋型方案的擬定應綜合考慮橋址區的地質、水文、施工條件和造價等因素。本文通過認真分析和深入研究，針對木蘭湖特定的地理位置和施工條件，提出了4種切實可行的橋型方案，結合景觀、施工及造價采用（35+2×60+35）m的預應力混凝土V型剛構橋位推薦方案，借鑒千島湖大橋的成功建造經驗，詳細地闡述了推薦方案主橋的施工方法，為以后受施工限制的跨湖或跨水庫大橋的設計和施工提供有益的經驗。

[1]JTG B01-2003，公路工程技術標準[S].

[2]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[3]楊光武.衢江大橋Y腿剛構系桿拱橋設計[J].橋梁建設，2003（3）：57-60.

[4]宋杰.千島湖大橋主要技術特點及創新[J].橋梁建設，2007，（2）：58-61.