遵余湘江大橋橋位橋型方案設計研究

王文濤

中鐵二院工程集團有限責任公司 四川 成都 610031

1 概述

貴州省遵義至余慶高速公路是《貴州省交通運輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》重點實施項目。項目便捷的連接了黔中經(jīng)濟區(qū)遵義和凱里兩個中心城市，同時也開辟了遵義市南下珠三角新的高速公路通道。項目實施是對黔中經(jīng)濟區(qū)高速公路網(wǎng)的有益補充和完善，充分發(fā)揮黔中經(jīng)濟區(qū)的輻射帶動作用，加強與黔北經(jīng)濟協(xié)作區(qū)與“三州”（黔東南州、黔南州、黔西南州）民族地區(qū)的經(jīng)濟聯(lián)系，為加快區(qū)域旅游、礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，促進區(qū)域工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展提供交通保障。

遵余湘江大橋跨越貴州省黔南州甕安縣與遵義市播州區(qū)交界的湘江峽谷，是遵余高速公路最重要的控制性工程。大橋為跨越湘江而設，湘江兩岸峰叢密集，深窄陡峻，懸崖壁立，峽谷呈“W”形，橋面距離谷底高度超過300m。現(xiàn)場地形地質條件復雜，運輸條件受限，施工場地狹窄。

大橋主要技術標準為：道路等級雙向四車道高速公路；設計速度80km/h；設計荷載：公路-I級；橋面寬度主橋采用27.5m，引橋2×12.125m；橋面橫坡2.0%，縱坡0.5% ～-0.5%；設計基本風速24.9m/s；抗震設防烈度VI度，地震動峰值水平加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35s。

2 設計思路

分析影響大橋建設的地形地貌、水文、地質、施工運輸?shù)戎T多因素，選定適合的橋位、橋型方案，通過結構受力、設計施工風險程度、施工難易程度、工程造價、景觀性等多方面對比[1][2]，最終確定實施方案。

3 建設條件

3.1 地形地貌

擬建橋地處貴州黔北山地，區(qū)域地形屬構造侵蝕深切割中低山河谷地貌區(qū)，整體上呈東高西低之勢，具兩山夾一溝的宏觀地形。兩岸斜坡坡度15～54°，其兩岸山體大致對稱，跨越段地形呈寬W型，沿線多為灌木林地及荒地，橋址區(qū)最低點為湘江河床，地面標高為612.00m，最高點為余慶岸，地面標高為896.23m，相對高差約284.23m。

3.2 水文

項目區(qū)屬長江流域的烏江水系，湘江為烏江支流，河長155km，流域面積4913km2。橋位處位于烏江構皮灘水電站庫區(qū)內，構皮灘水電站最大回水高程為630.00m，歷年最高洪水位標高為628.28m，由于橋面較高，主墩及其他橋墩處于較高的位置，洪水位不控制設計。

3.3 地質條件

橋址區(qū)不良地質主要為崩塌體位于余慶岸主橋墩下方約51m處的崩塌體、巖溶及次生紅粘土。

橋址區(qū)內地震基本烈度為Ⅵ度，無斷裂構造通過，區(qū)域穩(wěn)定性好。橋址區(qū)基巖為灰?guī)r、白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖組成，地層連續(xù)穩(wěn)定，地整體性較好，土層為坡殘積層、崩積層塊石碎夾土、次生紅粘土Ⅱ、Ⅲ類場地土等組成的場地，總體穩(wěn)定性較好。

3.4 運輸條件

湘江特大橋橋位區(qū)既有陸運、水運條件有限，且橋址局部區(qū)域范圍內地形復雜，在很大程度上限制了結構成品、半成品的尺寸，特別是構件的橫向尺寸，大橋的加勁梁宜采用布置靈活、運輸方便的組合梁和鋼桁加勁梁。

4 橋位選擇

4.1 橋位選擇原則及控制

⑴大橋的建設嚴重受制于橋位地質和地形條件，走廊帶所經(jīng)湘江沿岸普遍存在各種地質病害：崩塌、滑坡、泥石流等。所選橋位應盡量遠離不良地質，無法避開時應選取病害較少的橋位，同時確保相關病害可以治理或通過分析認為對橋梁安全的影響在允許范圍以內。

⑵橋位地形地質條件有利于墩臺布設，并降低橋梁規(guī)模。

⑶本橋規(guī)模較大，推薦方案的跨徑在500m以上，適用的橋型以懸索橋、斜拉橋方案為主。所選橋位區(qū)的岸坡傾角、形態(tài)等地形條件和覆蓋層、下伏基巖等地質分布條件，應盡可能有利于減小橋梁跨徑、適宜索塔和錨碇基礎的布設、方便加勁梁和纜索結構的安裝。合適的地形地質條件往往會大大降低橋梁規(guī)模、節(jié)約工程造價。

⑷橋位選擇應兼顧接線的平、縱面指標控制和工程規(guī)模，以節(jié)省全線總造價為目標，在合理的情況下，盡可能限制湘江特大橋的建設規(guī)模，降低特大橋技術難度和建設風險[3]。

4.2 主要制約因素

針對湘江大橋橋梁較長，主跨跨徑大，主塔橋墩高的特點以及區(qū)域水文氣象條件，為降低工程規(guī)模和建設風險，本階段對湘江特大橋橋位、橋梁規(guī)模在以下幾個方面控制因素進行綜合比選。

4.2.1 地形條件

湘江兩側山高溝深，地勢北高南低，地形起伏變化大，山體陡峭。總體而言上游峽谷較狹窄，下游峽谷較寬闊。往上游選擇橋位，橋梁規(guī)模會減小，往下游選擇橋位，橋梁規(guī)模增大。

在保證與工可推薦橋梁主跨接近、橋面下主墩高度在160m左右的條件下，在地形圖上標出承臺標高的等高線（湘江兩側770m等高線的位置），從等高線的形態(tài)看，工可橋位處較窄，上游橋跨小幅增加，下游橋跨增加較大。橋位越往下游移動，路線順直失去展線條件，橋位處設計高程越來越高，大橋的長度、主跨跨徑和主塔、橋墩高度都在增加；若線位向上游移動，路線繞行較遠，橋梁和隧道規(guī)模都有所增大。

4.2.2 地質條件

總體而言，湘江為沖切兩層硬質巖（灰?guī)r）中夾得厚層軟質巖（泥灰?guī)r）形成，巖層的基本沿河流方向，產(chǎn)狀為沿著路線方向逆向。湘江左岸（小樁號側）上層為灰?guī)r，下層為泥灰?guī)r，湘江右岸（大樁號側）為厚層灰?guī)r。即主橋小樁號側主墩樁基很可能落在泥灰?guī)r巖層中，大樁號側主墩樁基落在灰?guī)r中。

4.2.3 不良地質

比選范圍內湘江上游有個較大的滑坡體、有陡峭的坡積體和平緩的坡積體，下游未見不良地質體。湘江右岸鉆探揭示有巖溶發(fā)育。

4.2.4 橋梁結構要求

受小樁號側珠藏互通和大樁號側鐵廠互通設置高程和縱坡的影響，湘江大橋的設計高程較高，距離最低水面的高差280多m，導致本橋橋梁長，主跨跨徑大，主塔高度較高，結構受力復雜，設計難度大，風險較大。根據(jù)區(qū)域水文、氣象條件，為降低工程規(guī)模和建設風險，宜將斜拉橋主塔橋面以下橋墩高度控制在160m左右。

4.2.5 施工條件

本橋為較大的特殊結構橋梁，上部結構施工需要較大的施工場地，特別是鋼構件的拼裝、吊裝場地，從地形圖上看，施工條件較差。

4.3 橋位選擇結論

經(jīng)過綜合比選，確定的橋位具有如下優(yōu)點：

⑴橋位處橋梁規(guī)模相對較小；

⑵地形條件較好，有較平坦的場地作為施工場地，距離橋位近，加工后的構件轉運距離小，施工功效高，主梁有拼裝場地；

⑶橋梁設計標高能通過一定的展線長度控制，主橋段可以設計成人字坡，對橋梁縱向排水、雨水收集有利；

⑷地質條件相對較好，不存在重大不良地質體，橋位處雖有一坡積體，但坡積體較為平緩，且體積不大，相對穩(wěn)定，且位于主墩的下側，對主墩無影響；

⑸橋面下主墩高度較其他橋位低，設計和施工風險相對較小，風險可控。

本橋位優(yōu)點明顯，但也有一些不足：

⑴余慶岸主墩樁基位于灰?guī)r和泥灰?guī)r交接地層中，沒有遵義岸主墩樁基完全處于灰?guī)r地層中的條件好。

⑵余慶岸主墩放置于較陡峭的山坡，承臺施工平臺基坑開挖方量加大，需要進行防護。

5 橋跨布置及橋型方案

5.1 橋型方案設計原則

設計原則的制定，需執(zhí)行“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟、美觀”的基本技術方針。同時結合本項目的工程實際特點，制定了以下設計原則：

⑴橋型的選擇需服從路線總體走向、兩側接線的設計指標，降低工程綜合規(guī)模，選擇合理的橋梁跨徑，認真分析橋梁的建設條件，選取合理并切實可行的設計方案。

⑵為進一步推動新技術、新材料、新工藝在工程中的應用，在保證橋梁結構安全，并滿足使用功能的前提下，可通過借鑒、類比的方式，采用成熟、可靠的新技術、新材料、新工藝。

⑶耐久性設計上，確保除隱蔽工程外的橋梁構件能做到“可達、可檢、可修”，并盡量做到在不影響正常通車運營的前提下構件的可更換。

⑷重視橋梁景觀設計，結合當?shù)芈糜伟l(fā)展的需求，講究橋梁自身的結構特點與人文、自然、周邊環(huán)境的融合，不刻意追求造型上的新奇、怪異[4]。

5.2 橋型選擇關鍵因素

綜合考慮本項目建設條件，本項目橋跨布置、橋型方案主要考慮以下因素：

5.2.1 結合地質情況，合理選擇索塔和橋墩位置

湘江大橋工程地質情況相對較好，不良地質較少，主要的不良地質為崩塌體，為了確保索塔安全，應盡量遠離不良地質，崩塌體主要位于余慶岸側湘江岸邊以上部分，堆積體軸向方向與擬建橋軸線延伸方向大致呈10°夾角，橫向寬約205m，縱向長約177m，面積約0.04km2，崩積物的主要成分以具有一定磨圓度的塊、碎石土及粘土為主，堆積體呈稍濕致密狀態(tài)，根據(jù)鉆探揭露，堆積體最大厚度約為25.90m，屬小型崩坡積體，目前堆積體變形跡象不明顯，現(xiàn)狀較穩(wěn)定。為了橋位的安全，索塔位置應布置在崩塌體之上的位置。

5.2.2 結合地形情況，合理選擇索塔位置

如圖1所示，湘江特大橋橋位，均為“W”型山谷，湘江位于較深V谷內，較淺V谷位于湘江遵義側，兩深谷谷底高差約為116m。兩V谷之間，K69+470處有一座高程790m的山峰（位置3），此山峰是設置索塔的理想位置，K線橋位從山峰左側穿過，左側山坡地勢較其他位置平緩，設索塔開挖量不大，并且坡下為一塊平地，適合作為施工場地，也可以作為周轉構件的場地。另外一側較緩山坡位于崩塌體K69+000上側附近（位置2），坡體大概30°左右，此處巖石為中風化的白云巖和中風化灰?guī)r，雖然有些破碎，但設置樁基礎還是比較合適的。在K68+860以上山坡，山坡雖然有些陡峭，但巖石情況較好，均為中風化灰?guī)r，整體性好，也可作為索塔的設定位置。在余慶側山頂，K68+740附近有一塊平地（位置1），雖然很平整，但由于距離路基挖方段較近，距離僅為100m，對于500m以上大跨斜拉橋和懸索橋來說，邊中跨比過小，結構整體受力不合理，因此此處不適合設置索塔。

圖1 橋位地形概況圖（單位：m）

5.2.3 索塔位置選擇，應考慮上部主梁施工平臺的設置

索塔塔位的選擇要考慮加勁梁架設中，因施工方案需要，須在塔前預留二級臺地或可供搭設臨時支架的較緩坡以作為加勁梁端梁段裝配需要；同時，要盡量減少開挖、保護環(huán)境，并能方便施工便道的布設。

5.3 跨徑選擇

根據(jù)橋面縱坡和地形具體情況，詳見圖3，在W型山谷中間山峰K69+470處，地面距離橋墩高度為130m，此處適合設塔，可以減小塔高和主跨徑，降低工程造價和施工風險；在樁號K68+910處，地面距離橋面高度為190m，為了降低施工和運營風險，建議索塔下塔柱高度控制在160m以內，由此看來，本橋最小跨徑設為550m以上較為合適。

由于本橋K線橋位在余慶側山體存在崩塌體，并且表面巖層風化程度較高，較為破碎，在K68+960以下，地質巖性為泥灰?guī)r和泥巖。根據(jù)地形條件，拱橋施工困難，且對地基要求較高，故不予考慮。拱橋外適合主跨在550m以上的橋型有斜拉橋、懸索橋，以下僅對斜拉橋、懸索橋兩種橋型進行布跨和比選。

5.3.1 斜拉橋方案

按既定設計原則，引橋橋高控制在80m以內，由圖1可以看出，主橋長可以控制在370+500+250=1120m左右，根據(jù)主橋跨越的地形特點，邊跨需要跨越深谷，需采用大跨跨越，在遵義側深谷處，不具備搭設支架的條件，所以斜拉橋邊中跨比在遵義側盡可能采用大的比例，采用0.5，采用對稱的懸臂施工方式。在余慶側邊跨，主橋起點側有一塊相對比較平整區(qū)域，有條件搭設主梁施工平臺，余慶側邊跨可以采用相對小的邊中跨比，但應根據(jù)實際布跨形式，設置兩側邊中跨比。

如果兩側均采用相等的邊中跨比，根據(jù)遵義側的邊中跨比0.5，主跨應為1120/（1+0.5+0.5）=560m，主跨采用560m的跨度。根據(jù)實際地形情況，按照橋墩橋面以下控制在160m以下，索塔盡可能設置在坡度較緩的山坡上的原則，兩個索塔分別設置在相對地勢比較平緩處，利于施工，并且兩側均有塔前預留二級臺地，可供搭設臨時支架的較緩坡以作為加勁梁梁段裝配需要的場地，主橋跨徑布置為72+212+560+212+72=1128m。見圖2。

圖2 布孔方式示意圖（單位：m）

考慮施工運輸、安裝的可操作性，適應560m跨的主梁型式有工字鋼組合梁和鋼桁梁兩種，鋼箱梁和鋼箱組合梁因運輸和安裝困難不再進行比選。

5.3.2 懸索橋方案

對于懸索橋，應盡可能減小主橋長度和主跨跨徑。

⑴利用中間山峰，設置索塔。

跟斜拉橋情況類似，我們選擇樁號為K69+470處的山峰，設置索塔，減小主跨跨徑。

將索塔選在與斜拉橋位置相同的地方，如圖3單跨560m懸索橋的布跨情況。懸索橋采用單跨560m，余慶側主纜錨固在邊跨223m處，采用重力式錨碇，邊中跨比為0.398，遵義側主纜錨固在邊跨294m處，采用隧道錨，邊中跨比0.525，余慶側引橋，由于主橋索塔附近的山坡較陡，如果布置40mT梁，橋墩過高，并且主橋索塔基礎開挖放坡，直接影響到引橋橋墩，因此，余慶側索塔附近引橋接2x70mT構，其余引橋采用40m裝配式T梁；遵義側引橋，由于需要跨越深溝，需設置55+100+55連續(xù)剛構，剛構墩高146m；隨后接40m裝配式T梁。

圖3 單跨560m懸索橋布跨圖（單位：m）

⑵不利用中間山峰，索塔設置在兩側山坡上。

如圖4所示，一跨跨越W型山谷，索塔設置在山坡上，基本上可以避免由于邊跨主纜長度過長帶來的受力問題，一跨跨越山谷，需綜合考慮錨碇和索塔位置，既要保證索塔施工方便，又要考慮錨碇設置位置受力合理，而且錨碇開挖量不能過大等問題，余慶側索塔為了便于施工，選擇跟斜拉橋位置一致的位置，遵義側索塔為了保證施工方便，盡可能選擇在坡度比較平緩，便于施工和二級平臺搭設的位置（位置4），對于錨碇位置（位置5），綜合考慮兩側地形，邊跨散索鞍距離主索鞍水平距離取210m，減少兩側錨碇開挖量，降低工程造價。見圖4。

圖4 單跨802m懸索橋布跨圖（單位：m）

圖5 遵余湘江大橋橋型總體布置圖（單位：m）

對于余慶側引橋，由于余慶側索塔下塔柱高度152m，相鄰引橋的墩高比較高，為了降低工程造價，選擇為2x70mT構的結構形式，可減下基礎開挖量，又可以跨越比較陡峭的山坡，其余引橋墩高均適合布置裝配式40mT梁。遵義側引橋均布置為裝配式40mT梁。

單跨560m懸索橋和單跨802m懸索橋相比，由于單跨560m懸索橋遵義側邊中跨比較大，邊跨主纜長度過長，剛度小，后期運營時，易發(fā)生纜索風振和吊桿疲勞等現(xiàn)象，對結構構件受力不利，發(fā)生病害的概率較大，對大橋安全有一定影響，因此，為了降低設計、施工和運營風險，本次初步設計推薦采用單跨802m懸索橋與斜拉橋進行同深度比選。

5.3.3 比選結論

從表1 橋型方案比較表的各項對比可知，方案一在抗風性能、抗震性能以及工程造價上占據(jù)優(yōu)勢，施工周期略長于主跨802m組合梁懸索橋，故最終將方案一：主跨560m組合梁斜拉橋作為本項目推薦方案。

表1 橋型方案比較表

6 推薦方案主要結構設計

6.1 總體布置

推薦方案也是實施方案，主橋為組合梁斜拉橋，跨度布置為（72+212+560+21+72）m，主橋主梁采用鋼-混組合梁，索塔采用菱形混凝土塔，輔助墩和過渡墩采用薄壁空心結構；起點不設引橋，遵義側主橋終點接裝配式預應力混凝土40mT梁，引橋跨徑組合為4×40+4×40+3×40+3×40=560m，引橋橋墩采用空心薄壁墩和柱式墩兩種，橋臺采用重力式橋臺。

6.2 結構體系

采用半飄浮體系，索塔處設豎向支座及橫向抗風支座，主梁縱向漂浮；輔助墩和過渡墩或者橋臺處設一個單向活動支座和一個雙向活動支座，橫向設擋塊；索塔和主梁交界位置全橋設置八套粘滯阻尼器。

6.3 主梁

如圖6所示，主梁采用工字型鋼混組合梁，鋼主梁與混凝土橋面板共同受力，通過用剪力釘將二者結合。鋼主梁為雙工字型截面，橋面全寬27.5m，橫橋向兩個鋼主梁的中心距為25.5m，橋面混凝土板厚橫向中間部分采用28cm，在工字鋼上局部加厚至50cm。

圖6 主梁標準橫斷面圖（單位：cm）

6.4 索塔及基礎

菱型索塔具有整體受力好、抗風抗震好、比例協(xié)調、挺拔有力穩(wěn)定均衡的優(yōu)點。綜合結構受力和景觀效果，采用菱型索塔。2號索塔總高288m，其中上塔柱高71m，中塔柱高77m，下塔柱高55.5m，塔墩高84.5m；3號索塔總高268m，其中上塔柱高71m，中塔柱高77m，下塔柱高55.5m，塔墩高64.5m。索塔基礎采用矩形承臺，下接24根直徑3.3m樁基。

6.5 斜拉索

本橋斜拉索采用平行鋼絲體系，鋼絲標準強度為1770MPa。斜拉索采用空間扇形雙索面布置，全橋共8個索面、176根斜拉索。斜拉索在塔端及梁端均安裝內置式斜拉索減震器，其中4～22號斜拉索在下端均設置外置式粘滯阻尼器。

7 結語

遵余湘江大橋橋梁跨度大，建筑高度高，為雙塔雙索面組合梁斜拉橋世界第一高混凝土索塔，結構受力復雜，設計難度大，施工風險大。作為貴州遵余高速公路項目最重要的控制性工程，為降低工程規(guī)模和建設風險，項目在各階段均進行了大量的方案研究對比工作，最終的實施方案也是本文中推薦的方案一。同時本橋作為工期控制性工程，施工圖設計階段還采取了“每架設兩個鋼梁節(jié)段及預制橋面板后，再同時澆筑兩個節(jié)段濕接縫”的組合梁快速施工技術、主梁現(xiàn)場全栓接等技術有效縮短了施工工期。可為其它類似項目提供參考。