潮州市某大跨徑橋梁方案設計

劉敏劍

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司）

廣東省潮州市某一級公路兼城市主干路項目跨越韓江，需建設大跨徑橋梁。橋位位于韓江彎道處，且城鎮地區被交道路密布，環保景觀要求高。橋型方案的選擇應充分考慮地質條件、地形地貌、通航、防洪及橋型結構受力特點等多個因素，以確定最優的橋梁橋型方案[1]。

1 工程概況

項目建設條件有如下特點：

⑴橋位在彎道處跨越韓江，并跨越兩岸護堤路、既有省道（需考慮遠期拓寬需求）及地方水泥路。主橋小樁號側需跨越河堤及堤頂路。大樁號側需跨越河堤、省道。省道擬按雙向四車道拓寬，路基寬度為22m；遠期按雙向六車道預留，路基寬度為29m。

⑵橋位處河道為規劃內河Ⅳ級航道，按1000t 級船舶進行防撞設計。由于彎道影響，通航要求采用單孔雙向通航方案，通航凈寬不小于123m。

⑶受限于通航、泊船區域及防洪限制，主橋落墩可選區域狹小，自由布跨空間小。

⑷場地軟弱土層分布廣泛，可液化土層發育。軟土厚度較大，約20～30m；基巖起伏較大，全～強風化巖埋深約110～120m，未見中風化巖。

⑸場地地震烈度較大，水平向設計基本地震動加速度峰值0.2g。且液化土層發育，對抗震不利。

⑹橋位處上下游均設置泊船區域，通航及錨泊船舶較多，橋梁防撞及主通航孔布置要求較高。

⑺項目上跨鄉鎮級引用水源二級保護區，需重視橋梁的環保設計。

橋位平面布置見圖1。

圖1 橋位平面圖

2 主跨跨徑擬定

橋梁總體設計首先要慎重確定橋梁跨度，特別是主跨的跨度[1]。對跨越河流的橋梁而言，墩位的選擇是確定主跨跨徑大小的重要條件。

本項目位于城鎮地區，路網發達。本項目跨越韓江及兩岸大堤的堤頂路，現狀堤防通道及既有省道，是連接韓江兩岸的交通要道。橋型方案的布置，必須充分考慮現狀及規劃道路、河道等因素，且應滿足防洪、通航的要求。主要控制性因素如下：

⑴通航：通航是決定主跨跨徑的主要控制因素，橋位處韓江河段為規劃Ⅳ級航道，通航凈寬不小于123m，凈高不小于10m。

⑵防洪：防洪要求是墩臺布置的關鍵控制性因素，包括橋墩阻水比及距堤腳凈距的要求。

⑶被交道路：被交道路是墩臺布置的主要控制因素，主橋被交道路包括兩岸堤頂路及省道。且南岸省道同時期開展省道拓寬初步設計。

⑷經濟性原則：橋位處軟弱土層厚度較大，應選擇合理的橋型方案，使得上部結構和下部結構的總造價達到最低。

⑸工期要求：本橋工期較緊，宜采用成熟、快速的橋型及施工方案。

根據實測航跡線及水深圖，習慣航路靠近河道南岸。但根據航道主管部門要求，為減小橋墩對船舶進出橋位附近泊船區域的影響，橋下凈空范圍宜包含現狀習慣航道，并向北延伸至北岸上下游泊船區連線的附近區域。

鑒于橋位位于河道彎道附近，宜采用單孔雙向通航方案。綜合考慮主墩承臺尺寸、防撞設施等必要空間，主孔跨徑擬不小于160m。而對于主跨160m 跨徑，比較有競爭力的結構形式有斜拉橋、連續梁橋、拱橋、自錨式懸索橋等[2]。方案設計主要就斜拉橋和連續梁橋進行探討。

3 連續梁方案

3.1 總體布置

梁橋具有橋型簡潔明快，結構整體性好，橋面視野開闊，行車視線好；設計、施工技術成熟，安全度高，工程造價較低，后期養護容易，維護費用低等優點。梁式橋主孔跨徑取160m，在連續梁合理經濟的跨徑區間。連續梁方案邊跨跨徑布置主要考慮以下控制性因素：

⑴合理的邊中跨比，以確保結構受力合理、方便施工，一般情況下，連續梁橋邊中跨比取0.52～0.60 較為合適[3]。

⑵根據防洪要求，橋梁墩柱及承臺應布置在堤防工程設計斷面外，一般與堤腳距離宜大于5m。

⑶橋位在韓江南岸上跨護堤路，及規劃省道。

綜合上述因素，連續梁各橋墩布置如下：

⑴主墩2#，3#墩對稱主航道布置，3#主孔跨徑取160m；

⑵根據經濟性原則，減小主橋長度，0#墩靠近河堤，1#墩考慮與河堤距離及合理跨徑比例。1#，2#孔跨徑取52+88m；

⑶4# 墩靠近河堤布置，4# 孔跨徑取100m 是合適的；

⑷為減小5#孔跨徑，同時考慮與4#孔合理的跨徑比例，需要將5#墩布置于規劃省道范圍內。規劃省道需局部繞行。

⑸考慮預留省道規劃寬度，需增加一跨，跨徑61m。

綜上，連續梁橋跨徑布置為：

52+88+160+100+72+61m。

3.2 結構體系比選

3.2.1 連續梁與連續剛構比選

梁橋常用的結構形式主要有連續箱梁或連續剛構。連續剛構采用墩梁固結體系，橋墩可以分配墩頂一部分彎矩，提高了豎向剛度，減小了主跨墩頂及跨中內力，省去了主墩處支座，避免大噸位支座的養護和更換，省去后期養護費用。但本項目主墩墩高較矮，約為13m，且處于高烈度地震區，橋墩剛度大，地震響應大，剛構橋方案不合適。而連續箱梁體系可以通過設置減隔震措施大大降低下部結構地震力[4]，減小下部結構尺寸及配筋，具有良好的經濟效益，推薦采用連續梁方案。

3.2.2 分聯比選

本項目主橋聯長較長，為532m。可采用6 孔一聯方案或4 孔+2 孔分聯方案。分聯方案除在4#墩墩頂處設置伸縮縫外，其他部位單聯方案與分聯方案上部箱梁構造基本一致，詳見圖2。

圖2 分聯方案與單聯方案箱梁立面示意

分聯方案兩聯施工相對獨立，增加工作面，不會因等待合攏造成工期延長，可縮短施工工期；且減少了掛籃數量，經濟性也較好。因此，從施工臨時措施及施工工期角度考慮，分聯方案均優于單聯方案。

為了進一步驗證兩種結構方案的靜動力性能，采用Midas Civil 2019 有限元軟件進行模擬計算。兩種方案的構造尺寸除4#墩墩頂外，其他部位尺寸一致。預應力鋼束以保證墩頂及跨中等關鍵截面的壓應力儲備為原則。分別選取3#跨跨中合攏段，4#墩墩頂附近關鍵截面，計算結果見表1。分聯方案關鍵截面壓應力儲備優于單聯方案。

表1 分聯方案與單聯方案關鍵截面壓應力

抗震性能方面，兩種方案的質量分布和剛度相差不大，僅邊界條件在4#墩處有所區分。分聯方案在2#墩和5#墩處設置固定支座，單聯方案在3#墩處設置固定支座。在E1 地震作用下，固定支座剪斷前，水平地震力均分配至固定支座墩。因此，單聯方案支座剪斷力必然小于分聯方案剪斷力。根據Midas 軟件計算結果，單聯方案固定支座宜在0.5E1 作用時剪斷，分聯方案固定支座宜在0.75E1 作用時剪斷。因此，分聯方案抗震性能優于單聯方案，可避免固定支座在較小地震下被剪斷。

綜上所述，分聯方案在施工便捷性、施工經濟性、靜力受力性能及抗震性能上均優于單聯方案。故連續梁方案推薦采用分聯方案。

3.3 連續梁方案簡述

第一聯160m 主跨根部9.6m，高跨比為1/16.67，跨中4m，高跨比為1/40；考慮視覺協調性，第二聯4#墩墩頂箱梁根部6m，高跨比為1/12。梁底曲線按2 次拋物線變厚度。見圖3。

圖3 連續梁方案總體布置圖

支座及阻尼系統采用縱向速度型粘滯阻尼器+單向摩擦擺減隔震系列球形支座。

主梁邊跨采用滿堂支架施工，懸澆段采用掛籃懸澆施工。

4 斜拉橋方案

4.1 總體布置

斜拉橋跨越能力大，可以適應高地震烈度區結構的受力。斜拉橋方案布跨可以發揮斜拉橋跨越能力大的優點，適當加大跨徑，使主墩避開深水區，從而減小施工難度和費用，減少水中落墩及承臺基礎阻水率，同時對通航安全也有利。根據通航凈空要求、墩臺距離坡腳的凈距要求、以及被交路的情況，并結合斜拉橋合理邊中跨比要求，斜拉橋方案主孔跨徑采用260m，邊跨取115m，邊中跨比0.45[5]。該方案規劃省道可維持原規劃較為順直的線型，線型指標更好，且減少拆遷。

經上述分析，斜拉橋跨徑取115+260+115=490m。

4.2 斜拉橋方案簡述

斜拉橋采用雙塔半漂浮體系，主梁采用預應力混凝土等高π 形梁斷面，梁高取等高2.2m。

索塔根據地方文化特色采用花瓶型橋塔。

斜拉索采用平行鋼絲斜拉索。斜拉索布置在主梁兩側，塔根附近無索區長度為29m，主跨跨中無索區長度為7m，邊跨無索區長度為4.2m，梁上標準索距8m，塔上索距1.5～2.0m。見圖4。減隔震體系采用球形支座配縱、橫向阻尼器。

圖4 斜拉橋方案總體布置圖

對于主梁，采用邊、主跨主梁對稱掛籃懸澆施工。

4.3 斜拉橋方案抗震分析

采用有限元分析軟件Midas Civil 2019 建立斜拉橋方案空間有限元模型，見圖5 斜拉橋有限元模型。利用空間梁單元模擬主梁、主塔和墩柱，利用空間桿單元模擬斜拉索。主橋的非線性動力模型主要考慮了活動支座縱向滑動摩擦效應，粘滯阻尼器縱向限位耗能作用，彈塑性阻尼器橫向滯回耗能效應。活動支座縱橋向和橫橋向的摩擦效應可以近似采用理想彈塑性連接單元進行模擬，縱橋向在每個塔梁處采用4 個粘滯阻尼器（全橋8 個），每個過渡墩處采用2 個粘滯阻尼器（全橋4個），粘滯阻尼器是提供運動阻力、耗減運動能量以及約束結構位移的裝置。橫橋向采用鋼阻尼器，彈塑性阻尼器采用理想彈塑性連接單元進行模擬，屈服后阻尼器進入彈塑性[6]。塔底的承臺和過渡墩底承臺采用樁柱墩臺空間計算軟件（R&BSoft PCF）計算群樁基礎的等效剛度，施加節點彈性連接，以近似考慮樁土相互作用。

圖5 斜拉橋有限元模型

E2 地震作用下，通過非線性時程分析，可得到各橋塔及邊墩關鍵截面地震響應。對主塔、橋墩各關鍵截面及對應最不利單樁進行驗算，結果如表2～表5 所示。

表2 E2 地震作用下（縱向輸入）橋塔各關鍵截面抗震驗算

表3 E2 地震作用下（橫向輸入）橋塔各關鍵截面抗震驗算

表4 E2 地震作用下（縱向輸入）各樁基最不利單樁截面抗震驗算

表5 E2 地震作用下（橫向輸入）各樁基最不利單樁截面抗震驗算

根據計算結果，斜拉橋在E2 作用下橋塔、樁基關鍵截面承載能力均能滿足要求，且有較大富裕度。斜拉橋方案抗震性能較好。

5 橋型方案綜合比選

本項目橋位條件復雜，受限因素多，斜拉橋方案布置簡潔，落墩少，可保持省道按原規劃較為順直布設，避免連續梁方案河堤堤腳處落墩的繞避。總體布置方面，斜拉橋優于連續梁。現從技術、施工、通航防洪、景觀效果及經濟性方面對兩個方案進行比選，詳見表6。

表6 橋型方案比較

綜上，斜拉橋造價略高，但在總體布置、對通航防洪影響、施工及景觀方面更優，因此本項目推薦斜拉橋方案。

6 結論

通過對城鎮地區大跨徑橋梁的方案設計進行分析，得到如下結論：

⑴橋梁跨徑和結構形式的選擇應結合經濟性、通航防洪、施工、景觀以及社會綜合效益。特別是對于城鎮地區，路網發達，線位選擇及跨徑布置應重視下穿道路的避讓。

⑵橋梁主跨跨徑的選擇應結合建設條件、橋位控制性因素、橋型方案綜合確定。

⑶連續梁橋應選擇合適的邊中跨比。對于地震烈度較高區域，應控制連續梁聯長。

對于本項目，由于韓江、航道及韓江南岸省道的影響，連續梁橋方案落墩位置不理想，且需要規劃省道路線對本橋墩位進行繞避。斜拉橋方案布置簡潔，落墩少，可保持省道按原規劃較為順直布設，從景觀效果、通航防洪、施工工期等方面，斜拉橋均有優勢，因此本項目推薦斜拉橋方案。