跨海河復線橋設計方案比選研究

□文/李 婕 鮑 春 楊愷敏

1 工程概況

橋梁工程位于連接天津港和京津塘二線的一條高速公路上，為該跨海河橋，具有美觀要求高、橋梁跨度大以及施工難度較高等特點。

現狀橋位處已建有一座橋位于海河入海口處，新港船閘和防潮閘內側。橋寬23 m，為雙向四車道，起點位于海河南岸，終點止于新港二號路，與城區段高架橋相接，全長2 030 m。其中跨越海河主橋為獨塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310 m，具體跨徑布置為46 m+3×48 m+310 m，主橋全長500 m，兩側引橋為預應力T梁。

鑒于現狀跨海河大橋的橋梁寬度較窄，車道數少，無法滿足使用要求，需要進行改擴建。該橋自通車以來，已經安全運行了6 a左右，設計車速為80 km/h，與擬建項目的標準一致，因此將充分利用現有橋梁結構，將其作為半幅橋梁使用，在現狀橋梁的一側新建一座大橋作為另一半幅。

2 設計原則與技術標準

2.1 設計原則

跨河通道橋梁建設方案除滿足實際的使用和景觀要求外，還應處理好過河通道與航道的關系并注意對周圍環境的保護[1]。

由于現狀海河大橋已經成為天津的門戶標志，而新建大橋與之相鄰，兩橋軸線距離很近，兩座橋梁在景觀上的協調問題不容忽視[2]。

因此制定了以下設計原則：

1）新建橋梁要安全可靠，盡量采用成熟的技術，降低技術風險；

2）降低對現有交通的干擾，同時要不損害原有橋梁結構的安全性能；

3）橋梁布置要滿足景觀要求，盡可能做到與原橋協調、統一；

4）盡量節約投資，降低工程造價。

2.2 建設標準

1）通航標準。原則上同現狀海河大橋，即滿足規劃小萬噸級船舶通行，具體通航凈空：最高通航水位2.50 m（大沽水準），通航孔凈寬≥160.0 m，通航孔凈高≥37.0 m。

2）設計洪水頻率1/300。

3）設計時速 80 km/h。4）設計荷載：車輛荷載公路I級，無人群荷載。5）抗震等級：基本烈度7度；設計烈度8度。

3 主橋方案設計

新建跨海河橋作為海河入海口的標志性建筑，其景觀要求尤為突出；同時考慮跨河橋梁的安全、工期、經濟等綜合因素，提出了4種橋梁方案。

3.1 方案一

新橋、原橋對稱布置方案。本方案新橋結構與原橋基本相同，采用主塔位置對稱布置的單塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為310 m+2×50 m+3×40 m，主梁高3 m，全橋共設36對斜拉索。新舊橋主橋中心距35 m，橋面凈距12 m。見圖1。

3.1.1 主梁

全橋主梁采用混合梁結構，即主跨310 m大部分采用鋼梁，全部邊跨以及主跨靠近主塔10 m長度范圍內梁段采用預應力混凝土梁結構，梁高均為3 m。

圖1 方案一

1）鋼箱梁部分。鋼箱梁段投影總長300 m，縱橋向共分為20個節段。標準段長16 m，與索距相同。鋼梁大部分梁段處于5 000 m半徑的豎曲線上，距主塔中心10 m處為鋼梁與混凝土梁的混合接頭。

鋼箱梁采用單箱三室的扁平流線形斷面形式，全寬23.3 m（含風嘴），梁高3.0 m，高跨比為1/103，寬高比為1/7.3。

鋼箱梁標準段頂板厚16 mm，底板厚為14 mm，拉索錨箱位置局部加厚至30 mm。橋面板縱向采用U肋加強，U肋厚8 mm，U肋開口寬300 mm、高300 mm、底寬184 mm。

靠近混凝土梁結合段11 m長度范圍內頂板加厚至18 mm，底板加厚至16 mm，腹板加厚至16 mm。

2）混凝土箱梁部分。預應力混凝土箱梁采用與鋼梁外形一致的單箱五室斷面形式。梁高3.0 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.3 m，支點處腹板厚度0.7 m，跨中腹板厚度0.5 m，在支點附近線性變化。跨中橫梁間距根據拉索間距不同而有所不同，其間距在4～5.1 m。

3.1.2 主塔

主塔造型與原橋一致，為“鉆石”型。直接坐落在承臺頂面上，塔座以上全高為164.798 m，橋面以上為126.365 m。主塔由塔靴、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁及上橫梁組成。

1）上、下橫梁部分。下橫梁位于主梁下，在下、中塔柱的轉折處，高6.0 m，單箱單室結構，頂板厚80 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm。橫梁跨間設置兩道中橫梁板，板厚60 cm。上橫梁為單箱單室結構，橫梁高5.0 m，頂板厚80 cm，底板厚80 cm。

2）主塔塔柱部分。下塔柱順橋向寬8.0 m，壁厚1.2 m；橫橋向寬為4.7～6.8 m，橫橋向壁厚1.2 m。上塔柱和中塔柱順橋向寬6.0～8.0 m，從塔頂線性過度到下橫梁頂面位置。上塔柱順橋向壁厚1.5 m，中塔柱順橋向壁厚0.8 m。上塔柱和中塔柱橫橋向寬3.0～4.0 m，從塔頂線性過度到下橫梁頂面位置。上塔柱和中塔柱橫橋向寬均為0.6 m。

3.1.3 斜拉索

采用空間扇形布置，共37對、74根，設計安全系數2.5。索面豎直方向在主塔上交點間距為1.5～2.5 m，在橫橋方向上斜拉索錨點位于塔壁中心線。

主梁上主跨側的水平方向索距為16 m，橫橋向斜拉索錨點距道路中心線10.719 m，豎直方向斜拉索錨固點距梁頂（最高點）1 m，斜拉索通過鋼錨箱與梁體連接。

3.2 方案二

新橋采用與原橋結構一致、位置平行的單塔雙索面斜拉橋，跨徑布置與原橋完全相同。主梁梁高3 m，全橋設斜拉索36對。主橋中心距47.75 m，橋面凈距24.75 m。主梁、主塔尺寸以及斜拉索布置與方案一相同。見圖2。

3.3 方案三

采用大跨徑的單塔雙索面斜拉橋，縱向橋塔和橋墩錯墩布置，跨徑布置為47 m+48 m+47 m+72 m+420 m。主梁梁高3 m，設斜拉索40對，新舊橋主橋中心距35 m，橋面凈距12m。主梁尺寸與方案一相同。見圖3。

圖2 方案二

圖3 方案三

3.3.1 主塔

主塔造型與原橋一致，為“鉆石”型。直接坐落在承臺頂面上，塔座以上全高為207 m，橋面以上為166 m。主塔由塔靴、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁及上橫梁組成。

下橫梁位于主梁下，在下、中塔柱的轉折處，高6.0 m，下橫梁采用單箱單室結構，頂板厚80 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm，橫梁跨間設置兩道中橫梁板，板厚60 cm。上橫梁為單箱單室結構，橫梁高5.0 m，頂板厚80 cm，底板厚80 cm。

3.3.2 斜拉索

采用空間扇形布置，共40對、80根，斜設計安全系數2.5。索面豎直方向在主塔上交點間距為1.5～2.5 m，在橫橋方向上斜拉索錨點位于塔壁中心線。

主梁上主跨側的水平方向索距為20 m，橫橋向斜拉索錨點距道路中心線10.719 m，豎直方向斜拉索錨固點距梁頂（最高點）1 m，斜拉索通過鋼錨箱與梁體連接。

3.4 方案四

新橋采用大跨徑的中承式拱橋，縱向拱橋基礎和現狀橋橋墩錯墩布置，跨徑布置100 m+450 m+100 m，主橋中心距38 m，橋面凈距15 m。主梁尺寸與方案一相同。見圖4。

1）拱肋。主拱肋跨度450 m，矢高為97.3 m，矢跨比0.216 2。

拱肋采用鋼結構形式，單箱單室矩形斷面，橫橋向寬度4.0～5.0 m，高度3.0～6.3 m；鋼箱頂底板和腹板厚16～35 mm，縱向采用I型加勁肋，加勁板高140 mm，厚12～20 mm。

圖4 方案四

主拱設置11道橫撐，斷面為單箱單室正方形斷面，邊長3.0～4.7 m，四周板厚16 mm，縱向采用I型加勁肋，加勁板高140 mm，厚12 mm。

2）吊桿。順橋向間距10 m，主拱27對吊桿，全橋共計54根吊桿。索體采用環氧涂層鋼絲雙層HDPE的防腐索體，鋼絲強度等級1 670 MPa，直徑5.0 mm。吊桿兩端均采用叉耳式冷鑄錨，固定端布置在鋼拱位置，張拉端設在主梁上。

4 方案比選

綜合考慮跨海河橋的觀景要求、施工難度、工期和造價等因素對四個方案進行比選研究。

方案一：結構基本統一，新橋與原橋主塔對稱布置、橋墩對齊布置，景觀效果較好；橋塔對稱布置，利于節約下部基礎用地面積，節約工程造價。

方案二：結構完全統一，整體景觀效果好，對橋下交通影響較小；但橋塔布置在同一位置，由于結構布置的要求，橫向間距比方案一增加了12.75 m，需要增加工程用地面積大，工程造價較高。

方案三：主跨跨徑較大，新橋與原橋橋塔錯開布置，工程占地面積較小；但結構形式不完全統一，拉索的位置與傾斜角度均不相同。

方案四：提籃式拱橋主跨跨徑較大，對橋下交通影響較小；但下部基礎寬度很大，須采用錯墩布置，同時拱橋的基礎較高，對景觀有所損害；天津地區地質條件差，對需要承受一定水平推力的拱橋基礎施工難度較大，同時施工周期較長。

從橋梁美學來看，要求橋梁結構物與橋位處的自然景觀和附近的建筑物達到協調統一[3]。方案一與方案二均能較好地與既有橋梁保證結構造型的一致性，從而滿足景觀要求；而方案三與方案四，由于結構形式的差異，與既有橋梁形成視覺上的沖突，景觀效果較為一般。

從施工速度與施工難度來看，方案一與方案二與既有橋的結構形式一致，施工的速度與難度都能得到較好的控制。方案三涉及水中作業，施工難度稍大。方案四采用大跨拱橋結構，此類橋梁施工難度大周期長。從對工程用地和周邊交通及環境等影響來看，方案一與方案三涉及到的拆遷面積小。方案二與方案四由于與既有橋的中心距較大，會造成拆遷面積加大。四個方案對交通及環境影響均在可接受范圍內。

從橋梁自身建設成本及周邊拆改費用來看，方案一相對造價最低，其次是方案二，方案三和方案四造價較高。

5 結論

本工程位于塘沽城區，屬于城市橋梁的一部分，因此在橋梁方案設計時還應應著重考慮美學因素；但是這里需要把握一個適當的尺度。美的橋并不是通過奇特的造型和高昂的造價實現的，橋梁的美主要應該通過尋找結構的比例、平衡與和諧，趨向合理的受力性能、經濟的結構和方便的施工獲得的，這些原則在四個方案中都有一定的體現，但是這種考慮是基于結構受力合理，建造工藝可行為基礎的，同時力求經濟合理、拆遷面積小，將對環境的影響，施工的難易程度，施工速度等因素納入了比較，是比較全面和合理的。經過綜合比選研究，將方案一作為推薦方案。