公路渡改橋橋梁方案設計與選型

周洪斌 宋松科 杜桃明

摘要：文章以瀘州市梅子溝渡改橋的方案設計為例，分析了本橋方案設計時考慮的主要因素，并結合控制因素進行了橋軸線比選、橋型分析、橋梁方案綜合比選，最終確定了預應力混凝土連續(xù)梁橋為推薦方案，可為類似橋梁方案設計提供一定的借鑒和參考。

[作者簡介]周洪斌（1989—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設計相關工作。

1 工程概況及背景

瀘州市梅子溝渡改橋位于瀘州市納溪區(qū)新樂鎮(zhèn)與棉花坡鎮(zhèn)之間的梅子溝渡口附近，左岸連接新樂鎮(zhèn)G321，右岸連接棉花坡鎮(zhèn)金鳳村村道，跨越永寧河（圖1）。河流兩岸居民主要依靠橋位附近的梅子溝渡口跨越河流，船渡的安全隱患較大，遇到刮風下雨、河流水位暴漲等不利天氣情況，渡船就必須停航，群眾需長距離繞行至上游天仙鎮(zhèn)過河，給河流兩岸人民群眾的生產(chǎn)、生活帶來極大不便。

本項目的建設給周圍的群眾帶來了無限希望，對提高當?shù)厝嗣袢罕姲踩鲂械臈l件，完善區(qū)域路網(wǎng)結構，改善當?shù)噩F(xiàn)有交通狀況，促進經(jīng)濟發(fā)展，均具有十分重要的意義。

2 主要技術標準

（1）公路等級：三級公路。

（2）設計時速：40 km/h。

（3）橋梁寬度： 2 m（人行道）+8 m（雙向兩車道）+2 m（人行道）=12 m。

（4）汽車荷載等級：公路-I級。

（5）設計洪水頻率：1/100。

（6）航道等級：VII。

3 主要制約因素

3.1 通航、行洪

本項目所屬永寧河段緊鄰長江，河道水位受長江水位的影響較大，橋下凈空需要滿足行洪要求，且橋位所在河段為VII級航道，孔跨的布置亦要滿足VII級航道的通航凈空要求。

3.2 接線條件

本項目起點上跨既有G321后與竹產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃道路相接，竹產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃道路已實施，即項目起點接線位置及標高確定，路線需要與既有竹產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃道路銜接順暢，且上跨現(xiàn)狀G321需要滿足道路建筑限界要求。項目止點連接既有金鳳村村道，路線止點受村道標高控制。

3.3 環(huán)境敏感點

橋位所在河段屬于永寧河珍惜魚類自然保護區(qū)的實驗區(qū)，根據(jù)經(jīng)驗橋梁主跨需一跨跨過10年一遇洪水位所對應的水域范圍，結合實測地面線，橋梁主跨跨徑最小需要170 m左右，這是控制橋梁跨徑的關鍵因素。

4 橋軸線方案比選

根據(jù)目前起止點接線情況，提出兩種橋軸線方案（圖2）。

4.1 橋軸線正交方案

本方案為盡量減小橋梁主跨跨徑，路線跨越永寧河時采用與河道正交的形式。本方案的優(yōu)點是路線與河道正交，主跨跨徑采用170 m可完全跨越10年一遇水位線，且路線基本與規(guī)劃一致;缺點是雖橋梁主跨與河道正交，但由于起點固定，受接線影響，起點側(cè)橋梁會位于小半徑曲線之上。這會導致：①若主橋采用單跨的拱橋或斜拉橋方案，則主橋需要“彎橋正做”[1]，導致橋面需要加寬10 m左右，增加了不必要的橋跨結構，在材料的用量上造成極大的浪費，還損壞了橋梁的美觀，破壞了橋梁整體協(xié)調(diào)性;②若主橋采用連續(xù)梁橋方案，主橋邊跨及部分主跨位于小半徑曲線之上，橋梁在“彎扭耦合”[2]作用下梁體受力極其不利。同理，若采用其他橋型，同樣會遇到類似上述問題，故此橋軸線方案不合適。

4.2 橋軸線斜交方案

本方案在正交橋位的基礎之上，將路線進行優(yōu)化，以增大路線的曲線半徑。本方案的優(yōu)點在于：①僅在正交橋位上微調(diào)，路線仍基本與規(guī)劃一致，有利于后期結合規(guī)劃進行改造;②優(yōu)化后，路線曲線半徑增大，更有利于橋梁的布置及梁體受力。缺點是，橋軸線斜交后170 m的跨徑僅剛夠跨越10年一遇的水位所對應的水域范圍，可能對“魚保”產(chǎn)生一定影響。

綜合考慮，為了更有利于橋梁布置及梁體受力，推薦橋軸線斜交方案。

5 橋型方案分析

結合上述橋位處主要制約因素及橋軸線布置情況，滿足要求的橋型主要有連續(xù)梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋，各橋型分析如下。

5.1 預應力混凝土連續(xù)梁橋方案

由于起點側(cè)主橋部分位于平曲線上，采用預應力混凝土連續(xù)梁橋，橋梁“受彎扭耦合”作用，容易在施工或運營過程中出現(xiàn)梁體扭轉(zhuǎn)、主梁開裂、支座脫空等不利影響[3]。但這些問題可通過提高計算精度、加強橫隔板設置、增強抗扭箍筋設置以及合理布置預應力鋼束等方式來減小“彎扭耦合” 作用的不利影響，所以，總體技術可行。

5.2 傳統(tǒng)斜拉橋方案

傳統(tǒng)斜拉橋一般為三跨結構，主跨及邊跨均需要布置斜拉索，由于起點側(cè)橋梁位于曲線上，導致起點側(cè)邊跨布設受限，此橋型不合適。

5.3 無背索斜拉橋方案

無背索斜拉橋為單跨結構，一般僅需要在主跨側(cè)布置斜拉索，通過傾斜的橋塔自重力矩來平衡斜拉索的傾覆力矩。主跨位于直線和部分緩和曲線上，主橋采用“彎橋正做”，橋梁加寬30 cm即可，總體技術可行。

5.4 上/中承式拱橋方案

若采用上承式或中承式拱橋方案，拱肋會侵占部分通航凈空，需要增大拱橋凈跨徑，進而增大投資，且橋梁兩岸覆蓋層較厚，不適合做有推力拱座基礎，此橋型不合適。

5.5 下承式系桿拱橋方案

下承式系桿拱橋為單跨無水平推力結構，主橋位于直線和部分緩和曲線上，主橋采用“彎橋正做”，橋梁加寬30 cm即可，總體技術可行。

5.6 懸索橋方案

懸索橋雖仍為單跨結構，但橋梁起點側(cè)房屋密集，起點側(cè)錨碇無布設空間，同時170 m主跨也非懸索橋經(jīng)濟跨度，此橋型不合適。

6 橋梁方案比選

基于以上分析，結合本次渡改橋的橋型選擇原則，以及橋位處地形、地質(zhì)、通航、行洪、兩岸接線條件、“魚保”等控制因素后，擬定了3種橋梁方案。

6.1 橋梁方案一：預應力混凝土連續(xù)梁橋方案

此方案橋跨布置為：（95+170+95） m預應力混凝土連續(xù)梁橋+4×30 m預應力混凝土簡支T梁，橋梁全長489 m（圖3）。

此方案主橋箱梁為三向預應力結構，采用單箱室截面。箱梁頂板寬12.0 m，底板寬7.0 m，外翼板懸臂長2.5 m;箱梁頂板設置成2 %雙向橫坡，底板按水平設置。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高4.0 m，墩頂根部梁高為11.0 m。從中跨跨中左、右各1.0 m處至箱梁根部，箱高以1.6次拋物線變化。箱梁腹板從箱梁根部至跨中梁段腹板有70 cm、60 cm、50 cm 3種厚度。箱梁底板厚除墩頂范圍為300 cm外，其余梁段底板從箱梁根部截面的125 cm厚以1.8次拋物線漸變至跨中及邊跨合龍段截面的30 cm厚。主橋箱梁采用掛籃對稱懸臂澆筑施工。

6.2 橋梁方案二：下承式系桿拱橋方案

此方案橋跨布置為：3×30 m預應力混凝土簡支T梁+1×170 m下承式鋼管混凝土剛性系桿拱+1×30 m預應力混凝土簡支T梁，橋梁全長304 m（圖4）。

此方案主橋為下承式鋼管混凝土剛性系桿拱結構，計算跨徑170 m，拱軸線為懸鏈線，凈矢高為34.0 m，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)為1.457。拱圈由2片鋼管混凝土桁架拱肋組成，拱肋截面徑向高為3.3 m，肋寬為2.0 m;每肋為上、下各兩根750×14 mm、內(nèi)灌C60微膨混凝土的鋼管混凝土弦管，橫向通過457×12 mm橫聯(lián)鋼管連接，豎向通過457×10 mm腹桿鋼管連接而構成。吊桿處豎向兩根腹桿間設加強鋼板，加強拱肋橫向連接，吊桿處橫聯(lián)灌注C60微膨混凝土。兩肋間設置4道“K”字撐，拱頂設置一道“米”字撐，橫撐采用空鋼管結構。主梁采用現(xiàn)澆整體式C50預應力混凝土雙邊肋加勁梁，兩肋橫向中心距13 m。吊桿段縱肋為等截面矩形截面，高2.8 m，寬1.5 m，拱腳段為鋼混凝土組合結構，截面變高，等寬2.0 m。主橋在對應吊桿位置的兩肋間設置一道30 cm厚的橫隔板，在兩端各設置一道3 m寬橫梁，橋面板厚28 cm。主橋采用水中搭架，先梁后拱的施工方法。

6.3 橋梁方案三：無背索斜拉橋方案

此方案橋跨布置為：4×25 m預應力混凝土簡支T梁+1×170 m無背索斜拉橋+1×25 m預應力混凝土簡支T梁，橋梁全長318 m（圖5）。

此方案主梁采用預應力混凝土雙邊肋加勁梁，梁上標準索距10 m，橋面寬12.0 m，橫向布置為整幅式結構。橋塔為混凝土獨塔，塔梁固結，本橋需主塔平衡配重，索塔采用實心斷面且后仰59°。索塔橋面以下部分為塔墩，橋面以上部分為上塔柱，上塔柱高105 m，采用實心矩形斷面，塔柱左右側(cè)橫向?qū)挾染鶠?.0 m，上塔柱立面尺寸兼顧了造型要求，在塔梁固接處設置圓弧過渡，在塔頂利用圓弧收邊。主梁采用預應力混凝土雙邊肋加勁梁，在縱、橫、豎三向施加預應力，邊肋寬1.5 m，高2.5 m，頂板厚25 cm，橫向設置2 %的橫坡，縱向橋間隔5 m設置一道橫梁。主梁采用水中搭架現(xiàn)澆施工，索塔采用爬模施工。

6.4 橋梁方案綜合比選

橋型方案綜合比選詳見表1。

綜合對比可見：

（1）從建安費及后期維護來看，預應力混凝土連續(xù)梁橋方案建安費最低，且后期維護費用也最少;下承式系桿拱橋方案與無背索斜拉橋方案建安費相對較高，后期維護費用也較高。

（2）從技術可行性來看，3個方案均技術可行。對于預應力混凝土連續(xù)梁橋方案主橋部分位于曲線上，受彎扭耦合作用，對梁體受力不利;對于下承式系桿拱橋方案與無背索斜拉橋方案，主橋也有部分位于曲線，采用“彎橋正做”，對結構受力無影響，但橋面需加寬30 cm。

（3）從接線情況來看，預應力混凝土連續(xù)梁橋方案相比拱橋方案和斜拉橋方案，起點側(cè)需要對已建成的產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃路進行局部改造。

綜上，上述橋梁方案均可行。通過綜合對比并結合業(yè)主意見，從節(jié)省項目投資及后期維護成本考慮，將預應力混凝土連續(xù)梁橋方案作為推薦方案，無背索斜拉橋和下承式系桿拱橋作為比較方案。

7 結束語

橋梁方案設計應依據(jù)橋位處的自然地理環(huán)境、地形地質(zhì)條件、接線條件、河流行洪及通航要求、施工及養(yǎng)護難易程度、工程造價等因素，合理地綜合對比選擇橋型方案。瀘州市梅子溝渡改橋跨越永寧河，橋梁設計標高受河道行洪水位、通航以及兩岸既有道路標高的多重控制，同時橋位所在河段屬于永寧河珍惜魚類自然保護區(qū)的實驗區(qū)，橋梁跨徑需要滿足“魚保”的相關要求。最終本橋從橋梁規(guī)模、接線、施工、后期維護、建安費等方面考慮，經(jīng)過綜合比選，采用了施工工藝成熟、施工對河道干擾小、總體工程造價較少且后期易于養(yǎng)護的預應力砼連續(xù)梁橋方案作為推薦方案。

參考文獻

[1] 鄧曉紅，萬麟，陳冠樺. 小半徑預應力連續(xù)彎箱梁橋分析[J].山西科技，2011，26（1）：80-83.

[2] 邵容光. 混凝土彎梁橋[M]. 北京：人民交通出版社，1996.

[3] 李茂奇. 小半徑曲線梁橋受力性能分析[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2010.