京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋總體設(shè)計(jì)研究

曹偉星、汪蕊蕊、鄒韻

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋作為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程，對當(dāng)?shù)氐慕煌ū憷院徒?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。大橋跨越水路和城市地區(qū)，連接了運(yùn)河兩岸，不僅是一條交通要道，更是一座具有代表性的工程，體現(xiàn)了現(xiàn)代工程技術(shù)的高度成就。

本文著重介紹京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋的總體設(shè)計(jì)，以及在設(shè)計(jì)和施工過程中所面臨的一系列技術(shù)挑戰(zhàn)和地質(zhì)環(huán)境條件。該大橋的規(guī)模宏大，設(shè)計(jì)和建設(shè)涉及多個關(guān)鍵領(lǐng)域，如橋梁結(jié)構(gòu)、地質(zhì)工程、交通規(guī)劃等，因此，對其全面的總體設(shè)計(jì)是確保工程順利完成的關(guān)鍵。

大橋所在地區(qū)地勢復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，加之跨越的是京杭運(yùn)河這一重要水路，設(shè)計(jì)與施工面臨著許多挑戰(zhàn)。通過深入研究大橋的總體設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)，可以更好地理解這一杰出工程的背后故事，以及它對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和經(jīng)濟(jì)的積極影響。這一工程將為該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和交通改善做出突出貢獻(xiàn)，同時(shí)也為工程師和研究人員提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將對今后類似工程的實(shí)施產(chǎn)生積極的啟發(fā)作用。

1 工程概況

京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋位于泗陽主縣城的西南面，橋梁主橋長615m，北岸引橋長295m，南岸引橋長150m，呈南北走向。路線起自桃源南路與眾興路平交口，向南依次跨越濱河大道、京杭運(yùn)河、雙河路后與綠洲路平交，之后跨越古黃河與楊柳路相交，繼續(xù)向南繞城南植物園與水杉大道平交，項(xiàng)目全長2.084km。

該工程所在京杭運(yùn)河屬內(nèi)河水系，河道常年水流平緩，沖淤量不大。橋位處航道段在自然條件下較為穩(wěn)定，多年來河道邊界與河勢均沒有發(fā)生明顯變化。該項(xiàng)目區(qū)域構(gòu)造屬下?lián)P子準(zhǔn)地臺蘇北凹陷的泗陽(眾興—王集)隆起，北西側(cè)約24km 為陸集—劉集向斜盆地，南東側(cè)約16km 處為龍集—趙集向斜盆地，西側(cè)約40km 處為郯廬斷裂帶，此區(qū)域的斷裂均為非全新世活動斷裂，可不考慮其對該項(xiàng)目的影響。

該橋建設(shè)總里程1060m，主線車道數(shù)采用雙向六車道，輔道采用雙向四車道。項(xiàng)目區(qū)屬徐淮黃泛平原區(qū)，微地貌單元屬于黃河泛濫及沖積平原區(qū)決口扇平原，桃源大橋北側(cè)，現(xiàn)狀為濱河風(fēng)景區(qū)及市政道路（桃源路），路兩側(cè)主要為商鋪及住宅區(qū)。南側(cè)主要為旱地及密集的民房，地勢較為平坦。地面標(biāo)高一般在14.8～18.8m。橋址區(qū)位于黃淮沖積平原工程地質(zhì)區(qū)，近場區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征表明，該地區(qū)不存在全新世活動斷裂，因此工程場地的穩(wěn)定性得到了有效保障。場地地層的組成具有一定的特點(diǎn)，依次包括第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)、上新統(tǒng)的粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂以及黏土層。而在基巖層面，主要包括第三系的中砂（半成巖）和黏土巖（半成巖），以及太古界至下元古界的膠東群洙邊組綠泥石云母片巖。

在工程地質(zhì)方面，該地區(qū)的中下部巖土層具備較好的工程地質(zhì)性質(zhì)，使場地屬于Ⅱ類場地。場地的地基土主要為中軟土，而場區(qū)上部則分布著1～2 層軟土。這些地質(zhì)特征將在工程施工和設(shè)計(jì)中提供有力的支持，有助于確保工程的順利進(jìn)行和長期穩(wěn)定性。

2 主要技術(shù)規(guī)格

公路等級：城市主干路；設(shè)計(jì)速度：主路60km/h，輔道30km/h；橋面寬度：40.6m；汽車荷載等級：公路I 級（城-A 級驗(yàn)算）；橋位區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，地震特征周期為0.4s；通航標(biāo)準(zhǔn)：II 級航道，通航凈空不小于330m×9m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橋跨布置及結(jié)構(gòu)體系

綜合考慮橋址地理特征、地質(zhì)條件、地震潛在風(fēng)險(xiǎn)、氣象條件、水文狀況、航運(yùn)需求及堤防等因素，該項(xiàng)目對于實(shí)現(xiàn)單孔雙向通航提出了明確的要求。在進(jìn)行多項(xiàng)比選后，決定采用主跨385m 的雙塔中央雙索混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)[1]。該設(shè)計(jì)的主跨長度正好落在斜拉橋的經(jīng)濟(jì)跨度范圍內(nèi)，并且通過索塔的獨(dú)特造型，可使其成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑。京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋的主跨布局為95m+115m+385m+115m+150m，總長度為1060m。該大橋采用雙塔中央雙索混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，邊中跨比為0.2987。主塔的基礎(chǔ)采用了嵌巖樁技術(shù)，而引橋的上部結(jié)構(gòu)采用了預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，下部支撐則采用花瓶墩和鉆孔灌注摩擦樁。整個橋梁采用全漂浮體系設(shè)計(jì)，同時(shí)在索塔和過渡墩的位置設(shè)置了橫向抗風(fēng)支座，以及在索塔處配置了縱向阻尼及限位裝置，以確保橋梁在各種條件下的安全性和穩(wěn)定性（見圖1）。

圖1 京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋立面布置(單位：cm)

3.2 索塔

該橋位于泗陽縣城中心區(qū)域，橫跨京杭大運(yùn)河，與媽祖文化園相望，大橋建成后需與周邊環(huán)境相融合，景觀要求高。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、景觀、工程造價(jià)、耐久性等因素，采用獨(dú)柱異形混凝土塔。承臺以上總高100m，主梁橋面以下塔柱高度為13.844m，主梁橋面以上塔柱高度為86.156m。橫橋向?qū)挾?m，主梁位置漸變至塔底7.5m，均為直線變化。順橋向?yàn)楫愋危嗡扑位驅(qū)毱浚攲挾?m，通過直線段、圓弧段、直線段、圓弧段漸變至縱向最寬處12m，再通過橢圓段、直線段漸變至塔底寬度7.5m。

上塔柱和中塔柱采用空心薄壁斷面設(shè)計(jì)，上塔柱的壁厚為80cm，中塔柱的壁厚為100cm，在靠近主梁位置的部分，壁厚增加至120cm，下塔柱采用實(shí)心斷面設(shè)計(jì)。索塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖2 所示。

圖2 索塔構(gòu)造(單位：cm)

3.3 主梁

主梁主跨385m 采用鋼箱梁，兩側(cè)邊跨各115m 采用混凝土梁，中間跨度的鋼箱梁與兩側(cè)的混凝土梁之間通過鋼混結(jié)合段進(jìn)行連接，結(jié)合部長度2m。

3.3.1 邊跨混凝土箱梁

主梁邊跨采用混凝土箱梁，混凝土主梁梁高3m，采用單箱五室斷面，中間箱室寬度4.6m，次邊箱室寬度7.45m，邊箱室寬度8.15m；主梁頂板、底板、斜底板厚度30cm，頂板與腹板用120×30 倒角過渡，底板與腹板間倒角30×30。邊跨混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。

圖3 1/2 邊跨混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

3.3.2 中跨鋼箱梁

主梁中跨采用抗扭性能較好的單箱五室整體鋼箱梁斷面，索塔需從鋼箱梁中央穿過，在索塔位置鋼箱梁預(yù)留孔洞，全寬40.6m，梁高3m，頂面2% 橫坡，底面水平，采用Q345qD 鋼材。中間箱室寬度5.6m，次邊箱寬度8.2m，外側(cè)邊箱寬度9.3m。斷面由正交異形鋼橋面板，底板、斜底板、內(nèi)外腹板、橫隔板組成。鋼箱梁的標(biāo)準(zhǔn)段長度為12.8m，整座橋梁被劃分33 個這樣的標(biāo)準(zhǔn)段，每個標(biāo)準(zhǔn)段的重量約為291t，通過環(huán)焊縫連接。鋼箱梁的橫截面細(xì)節(jié)如圖4 所示。

圖4 1/2 鋼箱梁橫斷面（單位：mm）

鋼箱梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：頂板厚度為18mm，具有U 形橫向肋，間距為600mm，上口寬度為300mm，高度為280mm，厚度為8mm。底板的板厚為16mm，其中在索塔和輔助墩的局部區(qū)域進(jìn)行了加厚，采用U 形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，橫向肋的間距為800mm，上口寬度為400mm，高度為260mm，厚度為6mm。在內(nèi)腹板方面，板厚為24mm，而中間腹板的厚度為14mm，外腹板的板厚為16mm，這些板材均采用了板肋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。橫隔板采用實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，間距為3.2m。一般情況下，橫隔板的板厚為12mm，但在索塔兩側(cè)，橫隔板的板厚增加至20mm。

3.3.3 鋼混結(jié)合段

中跨鋼梁與邊跨混凝土梁間通過鋼混結(jié)合段連接，結(jié)合段鋼梁側(cè)在U 肋和板肋上進(jìn)行加強(qiáng)，混凝土梁側(cè)設(shè)置倒角和橫梁，使剛度過渡更加平穩(wěn)，應(yīng)力傳遞更趨平順。在鋼梁加勁過渡段與混凝土梁加強(qiáng)過渡段之間，引入鋼混結(jié)合部，其結(jié)構(gòu)采用了有格室后承壓板式構(gòu)造。鋼梁截面內(nèi)力一部分通過承壓鋼板傳至混凝土，另一部分通過抗剪連接件傳至混凝土，結(jié)合部長度2m。鋼混結(jié)合段構(gòu)造見圖5。

圖5 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造（單位：mm）

3.4 拉索

斜拉索采用扇形布置，中央雙索面，為適應(yīng)索塔內(nèi)部張拉空間有限的特點(diǎn)，該橋采用鋼絞線斜拉索，鋼梁段標(biāo)準(zhǔn)索距12.8m，拉索橫向間距為4.2m，混凝土梁段標(biāo)準(zhǔn)索距6.9m，在塔上的索距為2m。整座橋梁共設(shè)置了4 組×14 對斜拉索，這些索的長度在57～200m 之間變化，總共重約833t。

拉索與鋼箱梁的錨固采用鋼錨箱構(gòu)造，錨箱與中間腹板焊接傳遞拉索索力，錨箱布置于兩橫隔板之間，在腹板另一側(cè)設(shè)置縱橫向加勁，擴(kuò)散集中力。拉索與混凝土梁的錨固在橫梁與中間腹板交叉位置梁底預(yù)埋鋼盒，拉索錨頭置于鋼盒內(nèi)，并設(shè)置底封板密封。梁端錨固為固定端。拉索與索塔的錨固采用鋼錨梁，設(shè)置鋼牛腿。斜拉索通過錨梁兩側(cè)錨箱錨固于主塔上；恒載拉索水平分力由錨梁平衡，豎向分力通過設(shè)置于塔壁的焊釘連接件傳至主塔；錨梁上張拉斜拉索。

在拉索及主梁間設(shè)置減震阻尼裝置，起到減震效果，同時(shí)在斜拉索外層防護(hù)套上設(shè)置雙螺旋線以減小風(fēng)振的影響[2-3]。

3.5 過渡墩和輔助墩

一個輔助墩位置橫橋向設(shè)置兩個墩柱，墩柱間距22m，截面縱橫向尺寸均為2.5m。下接承臺樁基礎(chǔ)，承臺平面尺寸為6.25m×6.25m，厚度3m。單個承臺下接4 根樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.5m。

過渡墩構(gòu)造除墩柱頂部做成擴(kuò)大頭，同時(shí)提供主引橋支撐外，其余構(gòu)造同輔助墩。墩柱頂部縱向尺寸3.7m，變化段高度3.15m，橫橋向等寬2.5m。

4 施工方案

第一階段，首先施工索塔基礎(chǔ)、輔助墩、過渡墩基礎(chǔ)及承臺，然后施工過渡墩、輔助墩墩身，完成索塔塔柱施工。第二階段，在邊跨搭設(shè)支架并預(yù)壓，在支架上立模現(xiàn)澆邊跨混凝土梁端，并在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以后，張拉梁段預(yù)應(yīng)力鋼束，并安裝鋼混結(jié)合段，澆筑結(jié)合段混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以后，張拉結(jié)合段預(yù)應(yīng)力鋼束[4]。第三階段，首先，搭設(shè)塔區(qū)支架并進(jìn)行預(yù)壓操作，隨后利用浮吊吊裝主梁的梁端，同時(shí)對塔梁進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)。其次，組裝橋面吊機(jī)，以便進(jìn)行梁段的對稱懸臂施工。再次，使用橋面吊機(jī)吊裝主梁，并安裝第一對斜拉索，完成第一次張拉斜拉索。最后，將橋面吊機(jī)前移，進(jìn)行第二次張拉斜拉索，重復(fù)執(zhí)行前述兩個步驟，直至懸臂施工接近中跨合龍段。第四階段，進(jìn)一步延續(xù)懸臂施工至中跨合龍段，并隨后拆除兩側(cè)邊跨支架。中跨合龍完成后，解除對塔梁的臨時(shí)固結(jié)。第五階段，拆除橋面吊機(jī)，進(jìn)行鋼箱梁的涂裝整修工作，并安裝橋面系及縱向阻尼裝置。最后，進(jìn)行竣工加載試驗(yàn)，并完成橋梁的竣工通車。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

總體采用靜力計(jì)算，采用Midas Civil 軟件，斜拉索采用桁架單元，主塔和主梁采用梁單元。邊界條件采用塔底固定約束，暫不考慮基礎(chǔ)剛度，在塔梁處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座，所有的支座設(shè)置豎向約束，一側(cè)支座設(shè)置橫向約束。汽車荷載考慮按1～6 車道加載，取最不利，縱向折減系數(shù)為0.97。沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的規(guī)定計(jì)算[5]。人群荷載根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）按 照2.4kPa 加 載[6]。

橋梁在汽車和人群荷載作用下，最大豎向撓度之和為41.5cm＜L/400=96.3cm，滿足規(guī)范要求。

在橋梁完工狀態(tài)下，索塔的塔身承受最大的壓應(yīng)力為-11.7MPa。在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，索塔的最大拉應(yīng)力為5.0MPa，而最大壓應(yīng)力為16.9MPa。值得注意的是，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在斜拉索下方的截面。

基本組合下，鋼梁上緣最大壓應(yīng)力1.1×141=155MPa，位于主墩；鋼梁下緣最大拉應(yīng)力1.1×128=141MPa，位于中跨跨中區(qū)域。斜拉索標(biāo)準(zhǔn)組合下最大索力6963kN，為邊跨最外側(cè)拉索。京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋各主要受力構(gòu)件在E2 地震作用下的地震響應(yīng)均滿足要求。

鋼混結(jié)合段混凝土梁段最大主拉應(yīng)力約2.5MPa，最大主壓應(yīng)力約11.5MPa，滿足規(guī)范要求。鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低，如圖6 所示。在底板鋼束錨固位置，受模擬限制，局部應(yīng)力較大，但范圍較小，實(shí)際有錨墊板等鋼板進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散，受力滿足要求[7-8]。

圖6 鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力分布

6 結(jié)語

泗陽桃源大橋是《泗陽城市總體規(guī)劃（2011—2030）》中規(guī)劃的城市主干路桃源南路的重要組成部分，是泗陽縣干線交通網(wǎng)中的重要通道。

索塔塔形結(jié)合了當(dāng)?shù)匚幕厣捎锚?dú)柱形索塔方案，桃源大橋?yàn)橹骺?85m、邊跨115m 的邊中跨比將近0.3 的斜拉橋，最適合的主梁結(jié)構(gòu)形式為混合梁。

采用鋼-混凝土混合梁工程方案，其中邊跨部分選用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，而主跨段則通過架橋機(jī)吊裝方式進(jìn)行施工，可以充分利用施工控制條件，降低工程費(fèi)用，并且通過控制邊跨長度，減少主跨的變形和受力。考慮到該橋建設(shè)工期緊迫，采用全鋼箱梁施工速度快、施工質(zhì)量易控制、充分體現(xiàn)鋼材低碳環(huán)保的優(yōu)勢。

鋼箱梁頂板采用正交異性橋面板，橋面鋪裝擬采用3cm ECO 改性聚氨酯混凝土+4cm 改性瀝青混凝土方案。鋼混結(jié)合段兩側(cè)剛度差異大，受力復(fù)雜，采用有格室后承壓板式結(jié)合部，實(shí)現(xiàn)剛度、應(yīng)力傳遞平順。格室內(nèi)部布置焊釘、開孔板連接件，實(shí)現(xiàn)鋼混間連接；根據(jù)結(jié)構(gòu)受力，底板縱向預(yù)應(yīng)力錨固在鋼橫隔板上，并設(shè)置加勁構(gòu)造，確保鋼梁-混凝土梁緊密連接。