浮山縣丞相河特大橋橋型方案研究

關 偉，王奎濤

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

浮山縣丞相河特大橋是浮山縣城至北王公路改造工程項目中的控制性節點工程，路線起于浮山縣柏村附近，與浮山縣西環北街相接后，向西北方向延伸，設丞相河特大橋跨越丞相河后，在南霍村附近與縣道X540平交相接，路線經南霍村之后對原有縣道X540西側進行加寬，經平里后逐漸改為東側加寬，路線終點設于北王，路線全長5.443 km。項目地理位置及橋位見圖1、圖2。

圖1 項目地理位置

圖2 橋位圖

2 主要技術標準

a）公路等級：一級公路；b）設計速度：80 km/h；c）橋面寬度：28 m（主橋）；d）橋梁縱坡：-0.87%（下坡）；e）汽車荷載等級：公路 -I級；f）人群荷載：3.5 kN/m2；g）設計基本風速：27.7 m/s（重現期 100年）[1]；h） 地震動加速度峰值：0.20g；i） 洪水頻率：1/300；j）通航要求：無。

3 建設條件

3.1 地形地貌

丞相河特大橋跨越丞相河河谷，橋址處地勢較復雜，高差變化較大。橋位處丞相河兩岸整體上柏村岸側高，南霍岸側低，柏村岸側山坡地勢較陡，南霍岸側地形為梯地，地勢較平坦。橋址處路線縱斷面及丞相河河水流向與橋軸關系見圖3。

圖3 橋址路線平、縱面圖

橋址處地形呈“W”形，丞相河特大橋橋位處兩岸臺地與河谷高差分別為90.8 m、87.3 m，橋址處河槽寬分別為100 m和90 m。部分橋墩位于陡坎附近，且左右側地面線高差較大，為了減少橋梁墩臺開挖工程量，所以應合理設置橋跨，降低施工難度，同時減小橋墩對河道阻水的影響。

3.2 丞相河河道

丞相河河槽擺動頻繁，是典型的游蕩性河道，丞相河主河槽緊靠柏村岸側，柏村岸側河槽、南霍岸側河槽見圖4。

圖4 橋位處河槽現場照片

根據現場實際調查，丞相河河槽水位較淺，橋梁基礎施工難度小，河槽不進行通航。河槽內橋梁橋墩布設不受通航影響，河槽范圍內的橋梁跨徑布設滿足防洪、適應河道變遷的要求即可。

3.3 氣象

浮山縣屬溫帶大陸性氣候區，主要特征是多風少雨。一月份最冷，平均溫度-3.7℃，最低氣溫-19.2℃，七月份最熱，日均溫度24.2℃。年平均降水量556.3 mm，最大896.8 mm，雨量多集中在7—8月份。凍土深度一般為30～50 cm，極端為67 cm。

3.4 水文

橋位處丞相河河流總長31.8 km，河流徑流深為62.1 mm，其流量主要受大氣降雨控制。橋位處水位情況（黃海高程）：設計水位701.800 m，一般沖刷697.573 m，局部沖刷692.918 m。

3.5 工程地質條件

橋址區地貌單元以黃土臺地區和沖洪積河谷區為主，橋位處工程地質條件小、大樁號橋臺處（黃土臺地區）較差，為Q3黃土，具有濕陷性（濕陷厚度在2～12 m左右）。河槽處（黃沖洪積河谷區）整體上地勢起伏較大。橋址處地質構造簡單穩定，主要由表層為第四系全新統河流沖積相的礫卵石層夾粉質黏土等，下部為第四系下更新統樓則峪組，卵石、礫石層為主，夾粉土、紅色黏土及粉質黏土，下伏二疊系上統上石盒子組（P2s）砂巖，砂巖埋深較深，地下水埋藏較淺。工程地質縱斷面見圖5。

圖5 橋位處工程地質縱斷面圖

由于濕陷性黃土遇水浸泡容易喪失其結構強度，因此對橋梁工程均有很大影響，使橋梁樁基產生側摩阻力，對樁基受力不利。同時橋臺部位易產生濕陷下沉，引起橋頭跳車現象。根據工程地質條件，考慮水文沖刷深度，橋梁基礎采用鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁進行設計。

3.6 地震

根據山西省地震動峰值加速度區劃圖，項目區位于汾渭地震帶上，距地震頻發的山西地震帶上的臨汾盆地較近，新構造運動強烈，在地震動峰值區劃圖上位于0.20g區內，相當于地震基本烈度Ⅷ度區。

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）[2]的抗震設防目標及分類劃分標準，丞相河特大橋抗震設防措施等級為9級。在橋梁選型時應選擇輕型化的結構型式，控制結構整體剛度，加強丞相河特大橋減隔震設計。

3.7 丞相河生態區

橋址位于丞相河生態區中，丞相河生態區規劃面積約6 km2，河道總長約14.3 km，該生態區以恢復河流自然生態系統為目標，以體現古樸、自然、田園為宗旨，集鄉村旅游、農業觀光、生態體驗、防洪安全于一體的丞相河生態景觀帶。

丞相河特大橋位處于自然環境優美的生態區中，在橋型跨徑選擇時應重視美學景觀需求，與橋位區域環境相協調。除注重橋梁跨高比例協調外，也應注重主橋、引橋各部分跨徑變化的協調，結合橋位處丞相河河谷壯闊的地形、地貌以優美的、韻律的跨徑組合充分展現橋梁美學。

4 橋梁設計理念[3]

a）安全穩妥。丞相河特大橋是該項目的控制性節點工程，建成后將對促進區域經濟、文化發展具有重要的戰略意義。橋位處路線設計標高至溝底最深處達90.8 m，橋墩高度高，同時還有沖刷等不利因素同時存在，因此，丞相河特大橋設計把質量、安全和耐久性作為設計的基本目標，在安全穩妥的前提下充分利用成熟技術，關鍵技術點上適度創新，使丞相河特大橋做到設計理論成熟、施工質量易于控制、使用性能良好、便于檢測維護。

b）投資適度。綜合考慮地區建設規劃和生態環境保護等條件，橋梁橋型方案和橋孔布置考慮全壽命周期成本，工程規模和投資、工程效益和社會效益、工程建設和工程養護投資等關系，降低投資風險。

c）造型美觀。考慮到浮山縣自然、人文背景及橋梁位于丞相河生態區中，重視橋梁的景觀設計，結合橋址獨特的建設條件，在“安全穩妥”和“投資適度”的前提下使橋梁與丞相河生態區環境相融合，充分展現橋梁的地標性。

5 橋型方案選擇

綜合橋位處的橋梁建設條件，丞相河特大橋跨徑選擇宜采取分段考慮。根據橋梁上、下部工程規模比例協調的原則，兩河槽區域采用相同的橋梁結構形式，小、大樁號兩橋臺臺地及兩河槽之間區域采用相同的橋梁結構形式。因此，兩河槽區域設為丞相河特大橋主橋區，小、大樁號兩橋臺處及兩河槽之間區域設為丞相河特大橋引橋區。

橋梁跨徑選擇不僅與橋型的經濟技術指標、施工難易程度和項目建設的工期息息相關，還與橋位處的建設條件相關。結合現代橋梁設計理論和國內的建橋實例及溝谷底寬，可考慮主橋跨徑為100～160 m，由于該跨徑范圍內的橋梁形式比較單一、特點鮮明，主橋采用連續剛構或矮塔斜拉方案。根據路線平縱面橋梁布孔后，引橋平均墩高44.1 m，最大墩高59.3 m，可考慮引橋跨徑為40 m的標準跨徑。

橋梁方案的總體布置直接關系到工程規模、工程質量及運營后的安全。針對丞相河特大橋的特點、功能作用以及所帶來的社會效益、經濟效益、技術效益，從經濟、技術、耐久、施工、后期管養和景觀等方面綜合考慮，選取5個橋型方案進行深入比選。橋型方案設置見表1。

表1 橋型方案設置表

6 橋型方案比較

對5種橋型方案進行比較，橋型方案綜合比較表見表2。

a）方案一、方案二橋型均引入連續剛構體系。方案一（2×（66.5+120+66.5）m連續剛構）與方案二（（66.5+6×120+66.5）m連續剛構）相比，雖造價方面方案一略低于方案二。但方案一在主河道和次河道設置剛構體系，相比于方案二在主河道、次河道，及其之間均設置剛構體系，方案一上下部美觀協調性均次于方案二；且方案一墩臺基礎開挖工程量大于方案二，方案一對橋位處環境影響較大。此外，方案二施工周期較方案一長，結構安全度、穩定性、行車舒適性，景觀效果等方面均優于方案一。

b）方案二主橋為六孔一聯連續剛構設置于主、次河槽及其間區域，其一聯總長度達853 m。由于墩高高度相差較大，對于剛構體系來說，其結構為超靜定結構，由于主橋受溫度、混凝土收縮徐變、預應力等荷載的影響，其受力和變形存在不協調之處，尤其對主橋中間較矮橋墩受力不利。方案二橋梁橋面景觀效果無異于普通梁橋，橋面景觀效果較差。

c）方案三（34×40 m預應力混凝土連續T梁）為工可推薦方案，方案三工程造價高于方案一、方案二。方案三從橋梁美學效果、施工難度、結構受力、抗風抗震，行車舒適性等方面分析均較方案一、方案二差。方案三位于丞相河主河道及次河道中橋墩的數量較方案一、方案二多，不利于丞相河河道泄洪，同時墩臺基礎開挖工程量較大，對橋位處環境影響較大。

d）方案四、方案五均引入PC矮塔斜拉橋，兩方案跨徑布置相同，方案四上部主梁采用單箱三室箱形截面，拉索布置于橋面中心處為單索面布置，方案五上部主梁采用單箱雙室箱形截面，拉索布置于橋面外側處為雙索面布置，在同梁高情況下方案五主梁抗扭性能明顯優于方案四，所以上部主梁材料用量方案五要低于方案四，造價較低。景觀效果方面方案四主塔為“1字”形塔略顯呆板，而方案五“Y”形主塔造型新穎，景觀效果強。下部結構方案五框架式薄壁雙柱墩較方案四雙肢薄壁空心墩更顯輕盈、靈動。由于方案四、方案五拉索的存在，橋梁后期養護費用較高。

經綜合比較，方案五橋梁橋型引入斜拉索參與橋梁結構受力，橋梁造型新穎美觀、景觀效果強，結構安全度高，橋跨布置對橋位處丞相河泄洪影響較小，橋梁工程造價適中，選定方案五為推薦方案。

表2 橋型方案綜合比較表

7 結語

圖6 丞相河特大橋效果圖

浮山丞相河特大橋為山西省首例采用造型橋塔PC矮塔斜拉橋型結構型式，兩座Y形橋塔似人張開雙臂呈迎接未來之勢，橋塔造型美觀、外形俊秀靈動，兩塔一連續，四塔前后呼應，該橋橋型效果圖見圖6。橋梁方案可供山區同類型橋梁在方案設計時參考。