沈海高速改擴建工程西溪特大橋初步設計

聶尚杰，侯淞譯

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

西溪特大橋是沈海高速公路角美福井至龍海北溪頭路段改擴建工程控制性項目。橋址位于沈海高速公路廈漳漳洲段，該場區屬沖海積河谷，地勢較平坦開闊，大橋跨越九龍江西溪，橋位河道彎曲。橋區地層情況，河谷表層為沖洪積砂層、粉質粘土、淤泥質土、卵石層，下伏燕山晚期侵入花崗巖及其風化層。

根據歷年橋檢情況，舊西溪特大橋被評定為三類橋，主梁病害較為嚴重，每年均會有一段時間需進行交通管制，對老橋進行檢測、加固、維修，維修加固成本高；同時沈海高速漳州段，交通量很大，長時間的交通管制，對沈海高速上的交通極為不利。因此，此次改擴建工程考慮將其拆除后原位重建，從根本上解決問題。

西溪特大橋作為全線跨越西江的控制性橋梁，上跨西溪Ⅶ級航道，下穿廈深鐵路，且為原位拆除重建，橋梁梁高和縱面標高均嚴格受限，建設條件非常復雜，其新建方案是項目的重難點。

2 技術標準

(1)公路等級：高速公路；(2)設計速度：120 km/h；(3)汽車荷載：公路Ⅰ級；(4)抗震設計標準：抗震設防烈度Ⅶ，0.15 g；(5)通航標準：Ⅶ級航道，通航凈空58 m×4.5 m。

3 總體方案研究

3.1 主橋橋型方案控制因素

西溪特大橋上跨西溪Ⅶ級航道，下穿廈深鐵路，且為原位拆除重建，建設條件非常復雜。主要有通航尺度、鐵路、防洪等因素影響橋型和跨徑。

(1)通航尺度影響

大橋與規劃Ⅶ級航道的西溪相交，根據通航條件影響評價報告，大橋與航道交叉角度125°，航道寬度58 m，通航凈空≥4.5 m，該處Ⅶ級航航道最高通航水位5.13 m，綜合考慮通航凈寬、橋軸線與水流夾角、兩側紊流寬度、橋墩船撞風險后，為使主跨布置與航道布置、船舶習慣航線相適應，同時考慮橋墩的構造要求，橋梁主跨跨徑擬采用160 m。

(2)防洪影響

主要控制因素為橋梁阻水比，河道內承臺建議放置在河床以下，需控制橋墩尺寸并減少水中墩柱個數，盡量降低阻水比。橋梁梁底、支座底面應高出設計位。

結合上述通航、防洪控制因素，初步設計階段確定西溪特大橋主跨采用160 m。

(3)廈深鐵路影響

西溪特大橋與在運營廈深鐵路橋相交，交角為54.2°，此處西溪特大橋橋面設計標高17.269 m，廈深鐵路橋梁底標高22.945 m，橋下最小凈空5.676 m，滿足鐵路橋下凈空規范要求(橋下凈空≥5.0 m)，同時保證橋梁外緣與鐵路橋墩外緣間的最小距離2.50 m。公路與鐵路樁基中心最小距離應大于6倍的公路橋梁樁基直徑。

3.2 主橋橋型方案研究

設計本著“安全、實用、經濟、美觀”的原則，力求采用技術先進、施工工藝成熟、安全耐久、造價經濟的橋型方案。

橋平面位于緩和曲線上，橋寬按整體式路基設計，橋型選擇受到的限制較大，懸索橋、斜拉橋、拱橋方案受廈深鐵路、橋下通航、防洪及造價的影響，顯然不合理，而梁橋常用于跨度小于200 m的橋梁，造價低，各種技術成熟，便于施工等優點，因此對梁橋展開比選[1]。常用的梁橋有：預應力混凝土梁橋、鋼箱梁橋等。

結合縱坡、地形，考慮項目的施工可行性、安全性和經濟性等因素，初步設計方案具體為：

主橋方案一：(89+160+89)m預應力混凝土剛構組合連續梁；

主橋方案二：(89+160+89)m變截面連續鋼箱梁。

4 橋型方案設計

4.1 主橋方案一：(89+160+89)m預應力混凝土剛構組合連續梁

(1)橋型布置

主橋跨徑布置：(89+160+89)m，全長338 m。主梁總寬43 m，梁高為9.5～3.5 m；小樁號主墩高12 m，大樁號主墩高16 m。

(2)結構體系

主橋結構縱坡受下穿鐵路凈空控制高度較低，導致下部結構墩高較低，小于跨徑的1/10，常規設計考慮上部結構采用連續梁，但由于設計洪水位7.5 m，已高出小樁號主墩(較矮主墩)支座墊石頂面標高，不符合規范要求，且支座在洪水位被水淹沒直接影響了支座耐久性，而本橋所需支座噸位大，后期更換難度大，因此連續梁不可行。若采用剛構體系設計，由于兩個主墩墩高矮，因墩梁固結導致的溫度荷載對主梁和橋墩設計均非常不利，經結構驗算，主墩無法滿足設計要求。

為解決連續梁主墩支座標高低于設計洪水位、矮墩剛構橋溫度內力大的問題，主橋結構采用剛構組合連續梁的結構體系，矮墩固結(小樁號主墩)、高墩釋放(大樁號主墩)[2-4]。

橋地震荷載較大，一墩固結一墩釋放導致地震荷載集中到固定墩上，不利于抗震，因此釋放墩位置設置摩擦擺支座，并設置縱向鎖定器對汽車制動﹑脈動風、船撞和地震等沖擊荷載作用下的動力響應進行約束而釋放溫度、收縮徐變等荷載。

(3)主橋上部結構

上部結構箱梁采用單箱雙室截面，頂寬21 m，底寬14 m，懸臂長度3.5 m。頂板懸臂端部、根部厚分別為20 cm和70 cm。主梁根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，頂板厚40/32 cm，底板32～100 cm，腹板從跨中至根部分兩段為65 cm、100 cm，箱梁高度以及底板厚度均按2次拋物線變化。箱梁0號節段長13 m，每個懸澆“T”縱向劃分為19個節段，梁段數及梁段長從根部至跨中分別為9 m×3.5 m、8 m×4.0 m、2 m×4.5 m，節段懸澆總長72.5 m，最大懸澆節段重量391 t。邊、中跨合攏段長均為2 m，邊跨現澆段長8 m。箱梁0號塊橫隔厚3 m，跨中橫隔厚0.3 m，端橫隔厚1.6 m。主梁采用三向預應力設計，縱向全預應力混凝土構件。

(4)主橋下部結構

主墩墩身采用單肢等截面矩形實心墩，截面尺寸14.0×5.0 m。主墩承臺厚4.0 m，基礎采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁，基樁按梅花形布置，單個墩共10根樁。根據抗震計算結果，主墩樁基在地震作用下承受較大拉力，因此承臺底往下33 m和27 m樁長范圍內樁基外包厚25 mm鋼管，鋼管伸入承臺2.5 m。根據地質資料，本次橋梁樁基均采用端承樁設計，為減少施工時對鐵路橋墩基礎的影響，采用旋挖鉆孔樁進行施工。

(5)主墩防撞設施

擬建工程跨越內河Ⅶ級航道，通航50 t級船舶，據調查，工程河段有300 t船舶航行，主墩按300 t級船舶設防。大橋防撞設施應采用柔性較好的材料以保障船、橋的安全。

橋所處水域對通航要求較高，針對橋的具體特點和要求，主墩采用鋼-復合材料固定式防撞設施，該結構具有良好的耐撞性指標(即單位質量防撞體與所能吸收能量的比值)，其內部填充有高分子緩沖吸能材料。

4.2 主橋方案二：(89+160+89)m變截面連續鋼箱梁

(1)橋型布置

主橋跨徑布置：(89+160+89)m，全長338 m。主梁總寬43 m，梁高為7.5～3.5 m；小樁號主墩高10 m，大樁號主墩高18 m。

(2)結構體系

采用連續梁體系，主墩、過渡墩均設置豎向支座，考慮場地地震烈度較高，豎向支座采用縱、橫向均能耗能的雙向摩擦擺減隔震支座。

(3)主梁

主梁采用單箱雙室箱型截面，梁高3.5～7.5 m，單幅全寬21 m，底板寬14 m，懸臂3.75 m。鋼箱梁由頂板、底板、腹板及橫隔板等部分組成，頂板厚16～24 mm，底板厚16～42 mm，腹板厚16～32 mm。頂板主要布置間距600 mm的U肋，底板布置間距800 mm的U肋；腹板使用扁鋼加勁，扁鋼高180 mm，厚度12～16 mm。

鋼箱梁橫隔板主要有實腹式和空腹式兩種形式，標準間距2.8 m，增加鋼箱梁橫向剛度、抗扭剛度以及頂板局部剛度。主墩墩頂、過渡墩梁端設2道、中跨跨中設1道實腹式橫隔板，其余位置設空腹式橫隔板，兩橫隔板間腹板設置1道腹板加勁肋。鋼箱梁全部采用Q355D級鋼材。

根據施工的需要，全橋鋼箱共劃分為32個節段，其中邊跨S1～S8、SM及中跨M1～M3采用支架拼裝，浮吊懸臂拼裝M4～M6節段鋼箱梁，浮吊吊裝中跨合龍段M7鋼箱梁。

(4)主橋下部結構

主橋主墩墩身采用單肢等截面圓形實心墩，墩身直徑6.0 m。主墩承臺厚4.0 m，基礎采用樁徑2.2 m的鉆孔灌注樁，基樁按縱向三排、橫向三排布置，單個墩共9根樁。橋梁樁基均為端承樁。

4.3 橋梁方案綜合比選

采用綜合因素比較法，根據橋型方案的施工難度、耐久性、養護維修、抗震性能、下穿鐵路適應性、工期和建安費等對提出的兩個方案進行初步設計階段比選[5，6]，比較見表1。

表1 方案比較表

經綜合比較，方案一(89+160+89)m預應力混凝土剛構組合連續梁方案主橋在工程造價、施工難度、后期養護等方面均具有較大優勢，雖然方案一抗震性能稍差，增加結構設計難度，但可以通過適當增加下部結構尺寸，樁基采用外包鋼管等措施確保結構地震作用下的安全，因此推薦方案一作為實施方案。

5 總 結

以西溪特大橋改擴建為依托，從建設條件、橋型方案研究、方案比選等方面對橋梁設計進行了研究。大橋上跨西溪Ⅶ級航道，下穿廈深鐵路，橋梁梁高和縱面標高均嚴格受限，建設條件非常復雜，通航尺度、鐵路、防洪等均影響大橋橋型和跨徑布置；通過造價、施工難易程度、全壽命周期耐久性、可維護性等內容比選，推薦采用預應力混凝土剛構組合連續梁方案；針對剛構組合連續梁方案抗震性能稍差的問題，通過合理的約束體系布置、優化下部結構尺寸、樁基外包鋼管等措施確保結構地震作用下的安全。