延河大橋改造工程總體設計

高明大，郭河，周立臣

（1.中國建筑設計院有限公司，北京市100044；2.中交路橋技術有限公司，北京市100011）

延河大橋改造工程總體設計

高明大1，郭河2，周立臣1

（1.中國建筑設計院有限公司，北京市100044；2.中交路橋技術有限公司，北京市100011）

延河大橋改造工程包括舊橋改造和擴建新橋兩部分。改造設計的主旨是“兩橋如一橋”、“修新如舊”。新橋采用了整體式預制橋面板，格構式的拱上建筑，以及新型井筒式地下連續墻橋臺；改造了舊橋的橋面系為整體式橋面板結構，將拱上填料更換為新型輕質陶粒混凝土材料，重新布設了拱上防水及排水系統，對舊橋結構石材表面風化，以及裂縫均進行了處理處治；針對設計難點開展了井筒式地下連續墻橋臺和混凝土結構表面涂裝體系專題研究。

延河大橋；總體設計；格構式；地下連續墻；防護涂裝

1 工程概況

延河大橋舊橋位于延安市寶塔區，為東關大街跨越延河的節點工程，呈東北－西南走向。舊的延河大橋于1959年竣工通車，橋梁上部結構為3×30 m的空腹式石拱橋，下部結構為重力式墩臺，橋長120.3 m，設計橋寬10 m。1977年洪水過后對橋面系進行整修，橋面寬度拓寬為1.8 m（人行道）+9 m（機動車道）+1.8 m（人行道），總寬12.6 m，主拱圈寬10 m，兩側懸臂各1.3 m。圖1、圖2所示分別為舊橋立面圖和橫斷面圖。

圖1 舊橋立面圖（單位：cm）

圖2 舊橋橫斷面圖（單位：cm）

隨著延安市經濟日新月異的發展和城市規模的不斷擴大，城市道路車流量呈迅猛增長趨勢，導致市內交通壓力不斷增加。作為延安城市名片“寶塔山，延河橋”之一的延河大橋，因地處延安城市核心區域，其所承受的交通壓力自然首當其沖，解決這一交通瓶頸的需求迫在眉睫。且舊橋服役至今已有五十多年，由于采用延安當地紅砂巖石材砌筑，拱圈石材風化嚴重，還有拱上填料多處滲水、主拱圈開裂等諸多病害，總之存在嚴重的安全隱患，亟需加固改造。經檢測，該橋評定為四類橋，單車通過限載15 t。舊橋現狀如圖3所示。

圖3 延河大橋舊橋實景

由于延河大橋自身歷史文化特點，拆除舊橋重建新橋的“一刀切”方案被排除，秉承以最大程度保留和延續延河大橋歷史風貌的設計理念，采取“保留舊橋，擴建新橋”的主旨思路。即不改變舊橋主體結構，只重修橋面系并對已有病害進行加固。同時為了拓寬舊橋，緩解交通壓力，決定在緊鄰舊橋下游修建一座與舊橋外觀完全一致的新橋。

2 改造設計的基本原則

經深入研究論證，并綜合各方意見，確定了原橋拓寬改造的四個原則：（1）保持延安大橋原有風貌；（2）拓寬改造后道路通行能力為：雙向4車道，兩側人行道寬度加寬到3 m；（3）充分利用舊橋主體結構；（4）不侵占橋下游（即西側）人防工程空間。

遵循上述原則，保持延河橋原有風貌，以達到“修舊如新，建新如舊，兩橋如一橋”的效果，在緊鄰舊橋下游新建一座橋跨布置相一致的3跨凈30 m鋼筋混凝土連續空腹式拱橋，新舊橋間凈距2 m，橋間設置混凝土搭板做中央綠化帶，新舊橋共同組成一座新的雙幅橋。新舊橋橫斷面采用對稱布置為：3 m（人行道）+1.6 m（非機動車道）+2×3.5 m（機動車道）+0.25 m（路緣帶）+0.75 m（防撞護欄）+ 2 m（中央分隔帶）+0.75 m（防撞護欄）+0.25 m（路緣帶）+2×3.5 m（機動車道）+1.6 m（非機動車道）+ 3m（人行道）=27.2m，如圖4所示。單幅橋寬12.6m，雙向4車道。圖5所示建成后的效果圖。

3 新橋設計

為達到“兩橋如一橋”之效果，新橋拱圈的線形要與舊橋保持一致。舊橋為石拱橋，主圈截面寬度10m，截面高度從拱頂0.6m漸變到拱腳0.9 m。新建橋梁為鋼筋混凝土結構，結構構造尺寸與舊橋完全一致，采用3×30 m空腹式變截面鋼筋混凝土板拱。主拱圈凈跨徑L0=30 m，f0=6.6 m，凈矢跨比約為1/4.55。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數3.5。拱圈厚度在0.6～0.9 m范圍內漸變。

新橋按拱軸系數3.5進行結構計算，在承載能力極限狀態下，主拱圈滿足規范有關鋼筋混凝土構件的要求；在正常使用極限狀態下，主拱圈最大裂縫寬度為0.142 mm，活載下長期撓度絕對值之和為5.5 mm，均滿足規范要求。基本組合下主拱圈的軸力和彎矩包絡圖如圖6、圖7所示。可以認為拱軸線基本接近理想拱軸線，拱軸系數合理。

圖4 改造后的橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖5 延河大橋新橋建成后效果圖

圖6 基本組合下主拱圈軸力包絡圖（單位：kN）

圖7 基本組合下主拱圈彎矩包絡圖（單位：kN·m）

一般拱橋（包括本案舊橋）拱上建筑多采用側墻加填料的方式傳遞橋面荷載。因舊橋兩側人行道采用了預制挑梁懸挑1.3 m的結構，為保持與舊橋同樣的懸挑風格，新橋采用了橫橋向整體式預制橋面板，取消了拱上填料，同時配合鋼筋混凝土板主拱圈共同承載橋面荷載，這與舊橋的圬工結構相比，在承載能力上具有很大優勢。這種取消拱上填料，代之以整體式橋面板格構式拱上建筑的做法，既減輕自重且節約材料成本，又使得拱上結構傳力更明確，也提高了拱頂截面的安全儲備。

拱上格構體系主要布置為：在橋面板下橫橋向設置4道縱向支承墊梁，分別為2道外側側墻和2道內墊梁，4道墊梁均沿主拱圈縱向座落于拱頂及跨端橫墻之上。故橋面板為5跨連續板，其中兩外側邊跨為懸臂結構，跨徑1.3 m，橋面板采用順橋向分塊預制，分為A板、B板，順橋向A板長2 m，B板長2.64 m，橫橋向板寬12.6 m。除靠墩臺處兩塊板為B板，余均為A板。為減輕自重在橋面每跨跨中設8個并排的φ15 c m圓孔。橋面板通過連接錨栓限位，與縱向支承之間設2 c m厚橡膠板。拱上橋面板支承體系如圖8所示。

圖8 橋面板支承體系圖（單位：cm）

由于橋臺基坑開挖最深達23 m，且新舊橋臺最小凈距僅1.1 m，為確保新橋橋臺施工時，不影響相鄰舊橋，以及西岸橋臺臺后6 m處人防工程的結構安全，創新性地采用地下連續墻組合式橋臺結構，連續墻既是基坑開挖的支護結構，又是支承橋梁上部的橋臺。地下連續墻順橋向及橫橋向長度均為10 m，墻厚1 m，橋臺在主拱拱腳處設2 m厚橫梁，橫梁下設3 m厚C20素混凝土墊層。

4 舊橋設計

舊橋加固改造的原則：（1）保持原橋風貌不變；（2）不提高其橋梁結構自身承載能力。鑒于舊橋為圬工結構，已服役五十多年，且在20世紀70年代經歷了洪水的侵襲，目前存在風化、滲水、拱圈裂縫、橋面系嚴重損傷等諸多病害，若提高承載力，就需要調整原有結構，存在不可估量的風險，故加固方案以不提高承載力為前提，以增加舊橋的耐久性、適用性為目標，分別對各種病害進行了有效的處理處治。

對于舊橋存在的風化、灰縫松散脫落、滲水并伴有晶體析出等進行表層清楚，修整表觀殘缺，恢復石材原有色澤，并對結構所有外露面進行三層涂裝混凝土保護劑，以阻止石材繼續風化。對于主拱圈、腹拱圈裂縫等病害，進行射水清縫、干燥，以及灌注環氧樹脂，進行封閉處理，以防止裂縫繼續發育。重新設置拱上防水構造，包括主拱圈防水層及排水系統、橋面板上設10 c m厚C40 P6防水混凝土及其上的防水層，共計3道防水體系和1道排水體系，以最大限度地保護舊橋結構不受水的侵蝕和破壞，提高結構耐久性。

舊橋的改造重點是重建拱上建筑和橋面系。舊橋在1977年洪水過后進行過一次加寬改造，采用懸臂梁結構，懸挑1.3 m做人行道。石拱橋注重荷載的均勻分布，而懸挑梁產生的集中荷載對主拱圈的受力極為不利，這是引起主拱圈縱向裂縫的主要因素。在目前石拱橋拓寬改造中，常用的方法是設置橫橋向貫通的橫梁，梁端懸挑，再在其上鋪設搭板，以實現橋面加寬。而該橋橋面系改造后，橋面橫行布置為雙幅對稱，在舊橋單幅內側布置為機動車道，橋面活載較大，意味著不僅要加寬橫梁截面，搭板厚度亦要增加，這勢必會顯著提高拱上建筑恒載，同時由橋面車道活載傳遞下來的橫梁集中力對主拱圈的影響也有很大風險，故此法在該工程中行不通。

改造拱上建筑借鑒了新橋思路，采用格構式傳力體系，以及整體式橋面板。同時也有與新橋的區別之處，主要體現在清除原拱上填料，采取措施封閉主拱圈上緣的裂縫，在主拱圈上澆筑10 c m厚C30鋼筋混凝土整體化層，澆筑1 700級的L C25陶粒混凝土作為輕質拱上填料，然后在陶粒混凝土上（腹拱范圍內為搭設在橫梁上）設置2道縱梁，與2道側墻一起，形成預制橋面板的4點支承；腹拱范圍內，考慮腹拱風化嚴重，僅為維持舊橋原貌之需而保留其形，不再將其作為上部荷載傳力構件，而是采用縱梁搭設在拱上及墩頂橫墻上，形成格構式，以支承預制橋面板。此舉既減輕了自重，增加了主拱圈的整體性，又使傳力更加明確。

舊橋拱上的建筑傳力機理為：橋面荷載由整體式橋面板通過縱梁傳遞到陶粒混凝土中擴散，然后再以均布面荷載形式施加在主拱圈上，傳力途徑清晰，通過陶粒混凝土的有效擴散和緩沖，主拱圈受力將得到很大改善。腹拱圈部分則將橋面活載由縱梁分配給各拱上橫墻，以及墩頂橫墻，然后再以條形均布面荷載施加在主拱圈或墩頂，此部分最終施加在拱圈及墩頂的荷載與原橋一致，只是將傳遞路徑由原腹拱圈替換為現在的縱梁。

5 改造設計中的難點

整個改造設計過程中的難點，主要是新橋的橋臺設計，以及新、舊橋梁的表面防護涂裝體系設計。

新橋橋臺面臨的首要問題是選型。對于拱橋橋臺基礎，需承受較大水平推力，經計算，若新橋采用與舊橋相同的重力式U型橋臺基礎，則橋臺處基坑開挖深度將達23 m，這對舊橋橋臺及西岸臺后的人防工程構成巨大安全風險；由于新舊橋臺過小間距，樁基礎方案也不可行。經深入研究及論證考察，創新性地采用井筒式地下連續墻橋臺基礎。國內尚無類似工程案例可供參考，結構設計成為一大挑戰。為此專門開展井筒式地下連續墻橋臺專題研究，克服諸多困難，完成了新橋橋臺的設計任務。

改造設計中的另一個技術難點在于如何做到“兩橋如一橋”。新橋是鋼筋混凝土結構，而舊橋采用延安當地紅砂巖石材砌筑而成的圬工結構，兩者在表面材質、文理以及色澤上，均存在較大差異。如不進行技術處理，很難實現新舊橋梁合二為一。為此，開展了混凝土結構防護涂裝體系專題研究。研究主要從兩方面入手：（1）從新橋模板上著手，進行混凝土表面仿石砌效果試驗研究；（2）從結構表面涂裝保護劑著手，進行混凝土仿石色澤及紋理，以及對已風化石材表面進行完整性修整和阻止其繼續風化的試驗研究。通過大量、反復的調配、試制等試驗，最終達到了較為理想的效果。

6 結語

（1）新橋為保持與舊橋一致，橋面系采用預制整體式懸挑橋面板，并根據橋址處于繁忙城區，橋位處空間地質關系復雜等特點，因地制宜地采用井筒式地下連續墻組合式橋臺，一物兩用，具有創新性。這為今后類似市政橋梁建設提供了一個寶貴的工程經驗和案例，可供同行參考借鑒。

（2）舊橋橋面系改造為整體式橋面板，以及格構式的拱上建筑，使拱上建筑傳力更明確；將原拱上填料更換為輕質陶粒混凝土，減輕了拱上建筑自重，并對推廣新材料具有積極意義；重建拱上3道防水系統，以及1道排水系統；對舊橋結構風化、裂縫、漏水等病害進行的卓有成效的處理處治，極大地提高了舊橋的耐久性、適用性和美觀性。

（3）針對設計過程中遇到的難點，開展了井筒式地下連續墻橋臺和結構調配涂裝體系兩個課題的專題研究，并將研究成果直接應用于工程實踐，在設計工作進行了積極大膽的技術創新，較好地貫徹了“產研結合”的科學思想。

到2030年寧夏公路通車里程為4萬km

近日，《寧夏綜合交通運輸體系戰略規劃（2016-2030年）》（簡稱《規劃》）經自治區政府審議通過。根據《規劃》，寧夏將對外建設“橫貫東西、溝通南北”的快速運輸通道，對內形成全區快速城際交通網絡體系，全面提升銀川綜合交通樞紐作用。

《規劃》提出對外開放融合，對內協調聯動。對外，寧夏將構建陸上絲綢之路，打通“七經八脈”，建設“橫貫東西、溝通南北”的快速運輸通道。搭建空中絲綢之路，打造區域性航空樞紐，建設銀川國際機場綜合交通樞紐，開辟更多國內國際航線，組建寧夏航空公司，把寧夏建成具有廣泛國際影響力、客貨運中轉節點和西進西出航空貨運的重要集散中心。對內，寧夏將推進同城化和區域一體化，建設區內快速城際交通網絡體系，引導和支撐全區新型城鎮化建設。

根據《規劃》，到2030年，寧夏鐵路通車里程將達3 000km，公路通車里程為4萬km，其中高速公路通車里程2 800km，所有普通國道和80%的普通省道達到二級以上標準,民航客運年吞吐量突破2 000萬人次。

《規劃》重點強化沿黃發展主軸城際綜合運輸通道功能，提升銀川綜合交通樞紐作用，在鐵路、公路、航空方面全線發力，實施“大銀川都市圈引領，中衛、固原帶動,多點支撐，覆蓋全區，輻射內蒙古、山西、陜西、甘肅、新疆五省（區），通達全國,連通阿拉伯國家、穆斯林地區和中東、中亞、歐洲各國乃至世界的綜合大樞紐”發展戰略。

U442.5

B

1009-7716（2017）06-0114-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.033

2017-03-02

高明大（1981-），男，山東冠縣人，工程師，從事橋梁工程設計研究工作。