跨越南水北調中線干線橋梁選型

劉立博

（石家莊市交通設計咨詢集團有限公司，石家莊050000）

1 引言

南水北調中線干線工程，是我國的重大戰略性基礎設施，是關系到北京、天津、河北、河南等省市經濟社會可持續發展的百年大計。隨著經濟的發展和交通量的日益增長，需跨越南水北調中線干線的新建或改擴建公路工程越來越多。根據南水北調要求，以橋梁型式跨越南水北調中線干線，要求橋梁主跨一跨跨越干渠兩側隔離網欄，同時須保證施工及運營期間南水北調的供水安全，合理的橋型方案，既可降低項目投資、縮短工期，又能保證運營期間南水北調的供水安全。橋梁方案的選擇顯得尤為重要。

2 背景概述

本文以河北某省道跨越南水北調中線干線工程專題設計為背景，從施工方案、對總干渠的影響、環保、節約投資等多方面進行了分析研究。

該工程采用雙向六車道一級公路標準建設，設計速度80 km/h，路基寬度34 m。路線與南水北調中線干線交叉角度為98.3°。該段總干渠防洪標準為100 a 一遇設計，300 a 一遇校核。干渠東側隔離網欄內有1 道35 kV 高壓專線。

跨越位置處隔離網欄外側50 m 范圍內為一級水源保護區；一級水源保護區邊線以外50 m 范圍內為二級水源保護區；隔離網欄以外100 m 范圍內為工程保護范圍。

3 跨越方案

項目采用橋梁跨越型式上跨南水北調中線干線。通過收集、對比省內外已建成的類似跨徑橋梁資料，提出兩種施工方案：

方案一：上部結構采用波形鋼腹板預應力混凝土變截面組合箱梁，掛籃懸臂澆筑，跨中合龍；

方案二：在隔離網欄外側澆筑獨塔斜拉結構，待達到設計強度后進行轉體。

3.1 跨越方案一（波形鋼腹板掛籃懸澆→邊跨合龍→中跨合龍）

相比常規的混凝土箱梁，波形鋼腹板箱梁自重減輕約20%左右，從而使上部造價降低8%～12%；同時，上部結構自重的減輕可使下部結構的樁長縮短；波形鋼腹板結構還可減少現場作業，加快施工進程，同時減少節段數量，縮短工期。

經地形圖布孔，方案一主橋采用79 m+136 m+79 m 跨徑組合，主墩承臺邊距隔離網欄最近處為6.6 m，為施工預留了適當了安全距離。主橋上部結構采用波形鋼腹板預應力混凝土變截面組合連續箱梁，主梁采用單箱單室截面，單幅箱梁寬度為16.25 m，其中底板寬度為9.6 m，翼緣板懸臂3.325 m?？缰辛焊?.0 m，斷面尺寸見圖1；根部梁高8.3 m,支點斷面尺寸見圖2。梁高和底板厚度均以1.8 次拋物線的型式由跨中向根部變化。箱梁內部設置橫隔板，在支點橫梁附近的波紋腹板內側設置內襯混凝土，箱梁采用懸臂澆筑的施工方法。

圖1 方案一跨中斷面（單位：cm）

圖2 方案一支點斷面（單位：cm）

3.2 跨越方案二（隔離網欄外澆筑獨塔斜拉結構→平面轉體）

轉體施工目前多用于上跨鐵路橋梁，通常梁體較窄，采用T 構型式。

本項目路基寬度34 m，上部梁體較寬，且跨徑較大，結合項目實際情況，選用獨塔斜拉結構型式，在隔離網欄外澆筑完畢，待達到設計強度后進行平行轉體。

經地形圖上布孔，方案二主橋采用148 m+72 m+40 m 跨徑組合，上部主梁在5#墩處平行于隔離網欄進行澆筑，待達到設計強度后繞主塔順時針方向旋轉81.7°；邊墩承臺邊距隔離網欄最近處為7.3 m。上部結構主梁采用整體預應力混凝土等截面現澆箱梁，梁高3.4 m，斷面尺寸見圖3。主墩基礎采用33根φ2.0 m 鉆孔灌注樁。

圖3 方案二1/2 主梁典型斷面圖（單位：cm）

3.3 跨越方案對比

方案一與方案二各有優缺點，對比如下。

3.3.1 方案一（波形鋼腹板掛籃懸澆→邊跨合龍→中跨合龍）

優點：（1）施工方案成熟，風險較??；（2）投資相對較少。

缺點：（1）相比方案二在干渠上方施工時間較長；（2）波形鋼腹板需考慮運營期間防腐問題。

Based on Taylor series approximation,we can also reformulate into the GAM model as

3.3.2 方案二（隔離網欄外澆筑獨塔斜拉結構→平面轉體）

優點：梁體平行轉體上跨干渠，無須在干渠上方澆筑施工。

缺點：（1）斜拉橋轉體施工前需在西側隔離網欄外先硬化“預制”場地，搭設滿堂支架進行現場澆筑，澆筑施工位于一級水源保護區內；（2）轉體施工要求在梁體旋轉半徑內不能有豎向構筑物，對干渠東側的35 kV 輸電線路有影響；（3）矮塔斜拉轉體施工方案，橋型特殊，轉體質量大，設計、施工風險較大；（4）主墩承臺體積巨大，承臺基坑開挖體量較大，基坑開挖施工位于一級水源保護區內；（5）主墩鉆孔樁基數量較多，大體量鉆孔施工均在一級水源保護區內；（6）非對稱結構，技術處理較為復雜，橋面縱坡為單向坡，橋面排水效果相比方案一雙向縱坡較差。（7）斜拉索設計使用年限為20年，運營期間需定期對斜拉索進行養護更換；（8）本方案跨徑大、梁體寬、轉體質量大，技術復雜，主橋建安費較方案一高出約16.9%；（9）本橋橋下凈空相對較小，矮塔斜拉不如方案一美觀。

3.3.3 方案對比

經對比分析，方案一與方案二各有優缺點，從設計施工技術難度、主墩承臺基坑開挖及主墩樁基鉆孔施工對總干渠影響、一級水源保護區內場地硬化、對35 kV 輸電線路影響、橋面排水、節約投資、美觀性等多方面綜合考慮，推薦方案一（波形鋼腹板掛籃懸澆→邊跨合龍→中跨合龍）。

4 波形鋼腹板PC箱梁簡介

4.1 波形鋼腹板PC箱梁橋的定義

波形鋼腹板PC 箱梁橋就是用波形鋼板取代傳統預應力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱型梁橋。其顯著特點是用8～30 mm 厚的鋼板取代厚30～80 cm 厚的混凝土腹板。第二個特點是由于頂、底板預應力束放置空間有限而使用體外索。

4.2 波形鋼腹板PC箱梁橋的結構特點

1）波形鋼腹板縱向抗壓強度小，設計時可以認為其不承受軸向力，縱向彎曲時忽略波形鋼腹板的縱向彎曲作用，近似認為抗彎慣矩計算僅考慮混凝土頂、底板構成的截面；

2）組合梁縱向彎曲時符合平截面假定；

3）剪力由波形鋼腹板承擔，且剪應力沿波形鋼腹板高度方向均勻分布；

4）在混凝土頂、底板中配置縱向預應力筋，用以抵抗施工時的荷載及自重。在箱內配置體外預應力束，通過轉向塊來轉向并最終錨固在橫隔板上，實現曲線或折線配筋，以體外索來承擔外荷載的作用；

5）波形鋼腹板箱梁橋動力特性介于鋼橋與PC 橋之間；

6）波形鋼腹板PC 箱梁橋縱向抗震性能優于一般PC 橋，橫向抗震性能基本相同；

7）波形鋼腹板的預制節段之間一般通過高強螺栓或現場焊接的方式連接，結構分析時認為波形鋼腹板與混凝土頂、底板共同工作，不會發生相對滑移或剪切連接破壞。

4.3 波形鋼腹板PC箱梁橋的優點

相比傳統的預應力混凝土箱梁波形鋼腹板橋型具有如下優點[1，2]：（1）其上部結構自重相比常規的預應力混凝土箱梁橋大為減輕，地震激勵作用效果顯著降低，抗震性能好；（2）減少了混凝土、預應力鋼材、鋼筋的用量，大幅度減輕了上部結構的自重，并使下部結構的工程量減少，從而降低了工程總造價；（3）混凝土用來抗彎，波形鋼腹板用來抗剪，而且腹板內的應力分布近似于均布圖形，各種材料各盡所能，有利于材料發揮作用；（4）上部結構在施工過程中，可以減少大量的模板、支架和混凝土澆筑工程，免除在混凝土腹板內預埋管道的繁雜工藝，而且波形鋼腹板可以工廠化生產，現場拼裝施工，從而簡化施工設施，加快施工進程，減少現場作業；（5）減少了節段數量，縮短了工期；（6）運營期間體外預應力索出現磨損或斷裂時，可以在夜間停止車輛通行后對其進行更換，便于橋梁的維修和補強；（7）傳統的預應力混凝土箱梁橋受外力荷載以及混凝土收縮、徐變的影響，常常在腹板出現裂縫，造成了混凝土截面削弱、鋼筋腐蝕等一系列問題，而波形鋼腹板避免了腹板開裂問題，耐久性能較好。

5 結論與建議

5.1 結論

跨越南水北調橋梁除滿足結構安全的設計外，還必須滿足南水北調建設管理部門的要求，橋梁的施工和運營期間不能影響南水北調的供水安全和日常運營。合理的橋型選擇不僅可以滿足公路和水利部門的要求，還能縮短工期、節省投資、更加環保。

本文從橋梁施工期間對干渠兩側一級水源保護區的影響、基坑開挖規模、橋梁建設規模、對兩側35 kV 高壓輸電專線的影響及后期運營等方面進行了分析對比，為類似跨越南水北調工程提供了參考。

5.2 建議

我國是鋼產量大國和橋梁大國，但在我國已建成的近百萬座橋梁中，鋼橋數量不足橋梁總量的1%；相比我國在特大橋、大橋建設中取得的顯著成就，鋼結構橋梁的應用相對滯后。而波形鋼腹板PC 梁是組合機構中最為優越的結構，在公路工程中推廣應用波形鋼腹板PC 梁橋具有顯著的經濟效益、社會效益和深遠的社會意義。