跨南水北調(diào)特大橋方案比選研究

顏浩杰

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，鄭州 450001）

0 引言

南水北調(diào)工程已通水運營，為保證水源質(zhì)量，后跨越南水北調(diào)的道路需采用橋梁一跨式跨越［1］。因路線走向或其他控制點的制約，后跨越橋梁不一定能正交跨越，與干渠有一定的夾角，從而增加了橋梁跨徑［2］。橋梁方案的比選對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、適用性、經(jīng)濟性及美觀性等方面尤為重要。

文中以某高速跨越南水北調(diào)干渠特大橋為依托，對跨越南水北調(diào)總干渠適合的橋梁結(jié)構(gòu)體系進行比選，對比分析適合結(jié)構(gòu)體系的不同橋梁方案，并對推薦方案的結(jié)構(gòu)控制性受力性能進行分析，對跨越南水北調(diào)干渠橋梁和類似橋梁方案的選擇提供思路。

1 工程概況

橋位所在處路線與南水北調(diào)總干渠相交，緊鄰已運營高速的樞紐互通、高鐵、普通鐵路、市政道路等主要控制點。由于橋位處控制因素的制約，橋軸線與南水北調(diào)總干渠中心線呈130°斜交。受路線先行下穿已運營高速和高鐵限制，主墩處橋面至地面最大高度約為18m。

后跨越干渠的橋梁需主跨一跨跨越總干渠兩岸防護圍欄，橋梁承臺施工基坑開挖不能影響總干渠防洪堤及渠道內(nèi)邊坡，并應(yīng)采取一定支護措施，避免對總干渠防護圍欄及防護堤產(chǎn)生影響。

依托工程交叉點處南水北調(diào)總干渠斷面正寬160.18m，路水交角130°，主跨兩承臺前沿最小距離為228.95m，考慮承臺寬度和施工安全距離后確定橋梁主跨跨徑應(yīng)不小于265m。

2 橋梁結(jié)構(gòu)體系比選

主跨跨徑在250～300m范圍、位于平原微丘區(qū)的橋梁通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、鋼管混凝土拱橋、鋼箱梁自錨式懸索橋、預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋及預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋5種結(jié)構(gòu)體系。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁采用掛籃懸澆施工，施工技術(shù)成熟，施工周期短；但該橋橋位處由于路線限制，橋墩太低，墩身剛度太大，溫度荷載和抗震計算無法通過，該結(jié)構(gòu)體系不可行。

鋼管混凝土拱橋設(shè)計技術(shù)成熟，景觀效果也較好；但需搭設(shè)支架施工，南水北調(diào)總干渠不允許搭設(shè)支架，施工技術(shù)不可行；鋼管拱需定期防腐涂裝，對水源會造成污染，不滿足環(huán)保要求，該結(jié)構(gòu)體系不可行。

鋼箱梁自錨式懸索橋設(shè)計技術(shù)成熟，景觀效果也較好。自錨式懸索橋通常采用先梁后索的施工方法，加勁梁的施工一般采用支架現(xiàn)澆或頂推施工［3］。南水北調(diào)總干渠不允許搭設(shè)支架或臨時墩，加勁梁無法施工，施工技術(shù)不可行。鋼箱梁需定期做防腐涂裝，無法通過環(huán)保評審，因此結(jié)構(gòu)體系不可行。

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)受力合理；索塔較高，主塔施工難度較大，施工周期較長；工程造價較低，但運營成本較高［4，5］。橋塔較高，與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)，可作為比較方案。

預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋結(jié)構(gòu)受力合理，抗震性能和耐久性好；施工技術(shù)成熟，施工周期短；工程造價和運營成本低；橋梁造型美觀，與周邊環(huán)境較協(xié)調(diào)，是安全、實用、經(jīng)濟、美觀、環(huán)保的橋梁結(jié)構(gòu)形式［6-8］，可進行深入分析。

3 方案比選

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋和部分斜拉橋能夠一次性跨越南水北調(diào)總干渠，設(shè)計、施工技術(shù)成熟，施工和運營期間不會對南水北調(diào)干渠造成污染，因此初步選定部分斜拉橋、單塔斜拉橋、雙塔斜拉橋、雙塔斜拉橋（漂浮體系）四種橋型方案進行對比，并從結(jié)構(gòu)受力、施工難易、建設(shè)周期、經(jīng)濟性、美觀及后期運營養(yǎng)護等方面對橋型方案進行比選。

3.1 部分斜拉橋

雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋方案，結(jié)合橋位處情況，跨徑布置為（143+265+143）m，邊中跨比0.539，采用塔梁固結(jié)、墩頂設(shè)支座的結(jié)構(gòu)形式；下部結(jié)構(gòu)采用矩形空心墩，承臺群樁基礎(chǔ)。

上部結(jié)構(gòu)采用采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁頂寬29.5m，底寬14.43～16.63m，箱梁外腹板斜置；支點梁高8.5m、跨中梁高5.0m。梁高在支點60m范圍內(nèi)按1.8次拋物線變化。斜拉索布置在中室，橫向布置兩根。主塔采用鋼筋混凝土A型橋塔，布置在中央分隔帶上，塔高41.5m，為主跨1/6.38。部分斜拉橋方案效果如圖1所示。

圖1 部分斜拉橋方案效果

部分斜拉橋方案結(jié)構(gòu)受力合理，主梁采用常規(guī)的掛籃懸澆施工，施工工藝成熟；塔型簡約、索面清爽、橋面視野開闊、空間透視性好、與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)；主塔高度適中，施工簡單；斜拉索一次張拉，不用二次調(diào)索，施工較為方便。該方案建設(shè)周期22個月，建安費約18225萬元，后期養(yǎng)護成本也低，各方面性能均較好。

3.2 單塔斜拉橋

單塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案，結(jié)合橋位處情況，采用（221+265）m跨徑布置，邊中跨比0.834，采用墩塔固結(jié)、漂浮體系的結(jié)構(gòu)形式，橋塔處主梁設(shè)2個橫向限位裝置；下部結(jié)構(gòu)采用承臺群樁基礎(chǔ)。

主梁采用雙主肋等高預(yù)應(yīng)力混凝土梁，中心處高2.5m。主梁全寬30.7m，頂板寬27m，厚0.25m。斜拉索扇形布置，塔上豎向索距2m，梁上錨固點縱向索距分6m和7m兩種，邊跨密索區(qū)索距3m。斜拉索在梁端齒板錨固，塔端采用錨具直接錨固。主塔采用預(yù)應(yīng)力混凝土H型橋塔，箱型斷面，布置在主梁兩側(cè)，橋塔總高131.6m，為主跨1/2.01。單塔斜拉橋方案效果圖如圖2所示。

圖2 單塔斜拉橋方案效果

單塔斜拉橋方案設(shè)計技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)受力分配合理，主梁采用掛籃懸澆施工，施工工藝成熟。塔型中規(guī)中矩、受力合理、穩(wěn)定感好，但因橋梁斜交角度大，雙索面較為凌亂，橋塔過高與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)，景觀效果較差，且橋塔高、施工難度較大；斜拉索需進行二次索力調(diào)整、工序較為復(fù)雜。該方案建設(shè)周期28個月，建安費約18336萬元，后期養(yǎng)護成本高。

3.3 雙塔斜拉橋

雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案，結(jié)合橋位處情況，采用（132.5+265+132.5）m跨徑布置，邊中跨比0.5，采用墩塔梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，墩身采用鋼箱梁混凝土斷面形式，群樁基礎(chǔ)。

主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁外腹板斜置，箱梁等高，梁高3.5m。箱梁頂寬29.5m，底寬13m；斜拉索布置在中室，橫向布置兩根。主梁標準段長度6.5m，邊跨拉索加密段5.95m。拉索采用扇形布置，梁上拉索錨固點橫向間距為1.2m，縱橋向標準索距6.5m，塔上標準索距1.9m。主塔為鋼筋混凝土柱式橋塔，布置在中央分隔帶上，塔高72.7m，主跨1/3.645。雙塔斜拉橋方案效果圖如圖3所示。

圖3 雙塔斜拉橋方案效果

雙塔單索面斜拉橋方案結(jié)構(gòu)受力合理，主梁也采用成熟的掛籃懸澆法施工。但橋塔較高，在該地區(qū)景觀效果一般，且施工較困難；斜拉索也需進行二次索力調(diào)整，工序較復(fù)雜。該方案建設(shè)周期24個月，建安費費約18297萬元，后期養(yǎng)護成本也較高。

3.4 雙塔斜拉橋（漂浮體系）

雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案，結(jié)合橋位處情況，跨徑布置為（132.5+265+132.5）m，邊中跨比0.5，采用漂浮體系結(jié)構(gòu)形式；下部結(jié)構(gòu)承臺群樁基礎(chǔ)。

主梁采用雙主肋混凝土梁。主梁中心處梁高2.5m，主梁全寬30.7m，頂板寬27m，厚0.25m。拉索扇形布置，主橋各塔均布置21對斜拉索，在每個索塔處布置一對0#索及橫橋向限位裝置。拉索縱橋向標準索距6.0m，邊跨密索區(qū)索距5.5m。塔上標準索距1.5m，塔底距塔上第一對拉索距離為55m。

雙塔斜拉橋（漂浮體系）方案結(jié)構(gòu)受力合理，主梁采用牽拉掛籃懸澆施工，施工工藝成熟；但主塔高，施工困難；斜拉索索力也需進行調(diào)整，施工較復(fù)雜。該方案建設(shè)周期26個月，建安費約19475萬元，后期養(yǎng)護成本也較高。

3.5 部分斜拉橋結(jié)構(gòu)驗算

采用有限元模型對重點推薦的部分斜拉橋進行結(jié)構(gòu)驗算，按照該橋設(shè)計時采用的JTGD 62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）的各種荷載組合規(guī)定按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對其上部結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進行驗算。主梁受力和斜拉索索力是部分斜拉橋上部結(jié)構(gòu)驗算的控制性內(nèi)容，因此重點對其進行驗算。橋上部主梁、主塔采用梁單元模擬，共488個單元，斜拉索采用桁架單元模擬，劃分為80個桁架單元；其中1為左邊跨支點單元，100、106分別為左主塔雙肢下主梁單元，292、298為右主塔雙肢下主梁單元，398為右邊跨支點單元，結(jié)構(gòu)計算模型如圖4所示。

圖4 空間桿系結(jié)構(gòu)離散計算模型

3.5.1 主梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

按照規(guī)范對主梁正截面抗裂和斜截面抗裂進行驗算，全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在作用（荷載）短期效應(yīng)組合下，主梁的正截面不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力，主拉應(yīng)力規(guī)范容許值為1.14MPa，主梁具體應(yīng)力驗算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 正截面抗裂驗算

圖6 斜截面抗裂驗算

3.5.2 主梁持久狀況構(gòu)件應(yīng)力驗算

按照規(guī)范對主梁正截面混凝土法向壓應(yīng)力和斜截面混凝土主壓應(yīng)力進行驗算，在持久狀況下，主梁法向壓應(yīng)力規(guī)范容許值為19.25MPa，主壓應(yīng)力規(guī)范容許值為23.1MPa，主梁的壓應(yīng)力驗算結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗算

圖8 斜截面混凝土的主壓應(yīng)力驗算

3.5.3 斜拉索拉索應(yīng)力計算結(jié)果

斜拉索是部分斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件，對其在活載和運營階段的最大應(yīng)力進行驗算。斜拉索在運營階段的最大應(yīng)力位于951～1080MPa之間，沒有超過斜拉索鋼絞線的容許應(yīng)力0.6fpk=1116MPa。在活載作用下，斜拉索應(yīng)力最大值位于12.5～30.2MPa之間，斜拉索應(yīng)力幅為31.06MPa，且符合部分斜拉橋活載作用下斜拉索應(yīng)力幅較小的特點。驗算結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 拉索在活載作用下的索力

圖10 拉索在運營階段最大索力

4 結(jié)語

文中通過對后跨越南水北調(diào)總干渠的橋梁結(jié)構(gòu)體系進行比選，對適合的斜拉橋體系進行深入的方案比選，并對推薦方案的結(jié)構(gòu)控制性應(yīng)力進行驗算，得出如下結(jié)論：

（1）橋梁主跨跨徑在250～300m范圍，并受后跨越南水北調(diào)干渠的限制，斜拉橋方案是最為適宜的方案；對該跨徑范圍內(nèi)的斜拉橋方案進行深入比選，雙塔單索面部分斜拉橋是安全、經(jīng)濟、合理、高效的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

（2）在主梁結(jié)構(gòu)受力方面，部分斜拉橋的主梁根部及跨中截面為驗算的控制性截面，經(jīng)合理的截面設(shè)計、主梁預(yù)應(yīng)力和斜拉索索力的優(yōu)化配置，結(jié)構(gòu)各項力學(xué)性能合理，各項指標滿足規(guī)范要求，且有一定安全儲備。

（3）在斜拉索索力方面，部分斜拉橋的索力在活載作用下具有應(yīng)力幅較小的特點。