樂望紅水河特大橋初步設計方案比選研究

作者簡介：林子鑫（1995—），工程師，主要從事公路工程建設及技術管理工作。

摘要：文章以樂業至望謨高速公路控制性工程樂望紅水河特大橋主橋為例，通過對該橋在初步設計階段橋型方案進行比選，對剝蝕低山丘陵地貌下大跨徑橋梁的橋型比選方法進行探討，尋找適于此區域自然條件的特大型橋梁建設方案。通過對中承式鋼管混凝土拱橋、雙塔雙索面組合梁斜拉橋、變截面預應力混合連續剛構橋的方案進行對比分析，經地形地質、結構安全性、施工難度、工程造價、施工工期、環境保護評價、防洪通航、運營養護等多方面因素比較，最終確定該橋型為主跨495 m的中承式鋼管混凝土拱橋。

關鍵詞：山區大跨徑橋梁；橋型設計；中承式鋼管混凝土拱橋

中圖分類號：U442.5⁺4

0 引言

樂望紅水河特大橋是樂望高速公路跨越省界紅水河的一座特大橋，地處廣西西北部、云貴高原東南麓，且處于龍灘庫區內，連接廣西樂業縣和貴州望謨縣，是西部陸海新通道的重要部分。

項目具有技術標準高、建設難度大、地形地貌條件復雜、環保水保要求高等特點，在橋型方案的選擇上存在較多制約，需要綜合多方面因素對比選擇，確定最優設計方案。

1 主要建設條件

1.1 設計主要技術標準

設計標準為雙向四車道高速公路，設計速度100 km/h，采用公路-Ⅰ級荷載。橋址處為Ⅶ度區，地震動峰值加速度0.15 g。

1.2 工程地質及建設環境條件

根據地質鉆探資料，橋址區巖性為粉砂巖、粉砂質泥巖及其風化層，且存在互層情況。紅水河兩岸褶皺發育，地層層理變化較大。橋址區未見滑坡、泥石流、大型崩塌、巖溶、采空區等不良地質作用，現狀穩定，基本適宜橋梁的建設，但施工便道及平臺建設具有一定難度。

橋位所在區域屬剝蝕低山丘陵地貌，山嶺高聳峻峭、峰尖坡陡。紅水河河槽呈“U”形，寬度約為350～480 m。山體地形較陡，山體面斜坡度約為15°～45°。地表植被較發育，山體主要種植經濟林。

1.3 通航條件

擬建特大橋位于紅水河蔗香兩江口至曹渡河口航道段，目前橋址所在河段現狀為Ⅳ級航道。根據規劃，所在的紅水河段規劃為Ⅲ級航道，兼顧通航2 000噸級單船標準建設。通航凈空要求如下：單孔雙向通航時通航孔凈空尺度≥120 m（寬）×10 m（高）。

2 橋型設計方案

適應上述建設條件的橋型有懸索橋、斜拉橋、拱橋和剛構橋等。盡管懸索橋的景觀效果較好，但紅水河河面寬度約為400 m，河水最深約90 m，航道通航要求橋跨＞120 m，400 m級跨徑的懸索橋不是其經濟跨徑，且主纜防腐養護工作量、難度均較大，對其進一步研究的價值不高，不再進行比選。遂重點對斜拉橋、拱橋、剛構橋三種橋型進行研究，以選擇合理的結構形式和孔跨布置。

2.1 連續剛構方案

2.1.1 整體方案（圖1）

本方案擬采用混合梁連續剛構體系來優化受力結構，即采用鋼箱梁在中跨取代混凝土梁段以大大減少橋梁的內力及收縮徐變，提高其跨越能力。據現有資料表明，該新型結構體系適用跨徑為220～400 m，國內有多座已建成或在建同類橋梁可供參考。主跨為260 m混合梁連續剛構橋的方案具有可行性，有可借鑒的成功經驗和一定的理論研究基礎，遂作為備選橋型之一。

2.1.2 主要結構設計

結合地形，擬布置跨徑為115+260+115=490 m，其中跨中85 m為鋼箱梁。跨中鋼箱梁單幅寬13 m，箱體寬度為6.5 m，梁高按1.6次拋物線變化，范圍在4.362～4.02 m，并分7個梁段進行拼接。

主墩上段采用雙肢等截面矩形實體墩，截面尺寸單肢為2.5 m×6.5 m；下段箱形墩，截面尺寸為8.5 m×10 m。主墩臺截面尺寸為43.8 m×22.8 m×6 m，承臺下設18根樁徑為3 m的樁基，主墩樁基長為70 m和74 m。

2.2 斜拉橋方案

2.2.1 整體方案

橋址區地震動峰值加速度為0.15 g，擬采用具有重量輕、主梁耐久性能好、基礎規模較小、抗震性能好等優點的組合梁斜拉橋。

因主跨300 m斜拉橋主塔處水深約50 m，深水基礎施工技術難度大，施工風險高，基礎造價增勢較大；主跨450 m斜拉橋主塔位于山坡上，無水上施工風險，但貴州側地形受限，邊跨長度為85 m，邊中跨比為0.189，結構不合理；主跨350 m左右跨徑布置時主塔水深15 m，水上施工難度相對較小，施工風險較低，造價適中。因此組合梁斜拉橋方案選擇350 m主跨跨徑。

2.2.2 主要結構設計

本方案為主跨350 m雙塔雙索面組合梁斜拉橋，邊跨長度為135 m，邊中跨比0.386。邊跨主梁采用混合式組合梁，同時結合橋址區地形條件，將鋼混結合段位置設在邊跨側距橋塔57.9 m位置。

主橋為半漂浮體系，斜拉索為平行鋼絲斜拉索，并由鋼錨梁錨固。主塔采用H形橋塔方案。北塔高為192.6 m，南塔高為200.8 m。承臺截面尺寸為43.8 mm×22.8 mm×6 m，下接群樁基礎，每承臺下設24根樁徑為2.8 m的樁基，北塔樁基長為55 m，南塔樁基長為90 m。

2.3 拱橋方案

2.3.1 整體方案

該項目兩岸自然坡體穩定且坡度在40°～50°，較適合中承式拱橋方案。綜合考慮工程經濟性，采用鋼管混凝土拱橋進行方案比選較合理。

拱跨為450 m拱橋方案的拱腳標高387 m，低于最高通航水位400.29 m，拱腳處鋼管耐久性差，不利于結構受力；本方案的橋面系位于矢高1/3處，建筑景觀效果較差。拱跨為450 m拱橋方案的橋梁長度為465 m，拱跨為480 m拱橋方案的橋梁長度為495 m，兩個方案工程規模僅相差6%。在綜合考慮結構受力、景觀效果及工程規模等因素，拱橋方案采用主跨495 m進行進一步的分析研究。

2.3.2 主要結構設計

本方案采用計算跨徑為480 m的中承式鋼管混凝土拱橋，拱軸線采用懸鏈線。矢高120 m，矢跨比f=1/4，拱軸系數m=1.5，拱腳固結。

兩岸采用分離式擴大基礎加豎樁、斜樁的方案，平面尺寸均為14.5 m（橫橋向）×34 m（順橋向），高分別為17.476 m和13.516 m。基底呈臺階狀，接3.2 m豎樁和4 m×5 m斜樁基礎，用于提高基礎承載力。

主拱圈為桁架式斷面，高度從拱頂8 m變化到拱腳15 m，肋間設置橫聯和斜撐。上、下弦拱肋均采用變厚度鋼管，鋼管直徑1 320 mm，壁厚根據受力需要包含22 mm、24 mm、28 mm和32 mm四種。鋼管內灌注C70高強微膨脹混凝土。拱肋接頭采用內法蘭盤栓接，管外進行焊接。

鋼格子梁由2道主縱梁、5道次縱梁與主橫梁及4道次橫梁組成，鋼格子梁均采用工字形截面，主縱梁、主橫梁采用Q420qD，其余構件采用Q345qD。鋼-混凝土組合橋面板采用C40鋼纖維混凝土，橋面鋪裝為10 cm厚的瀝青混凝土。

3 橋型方案比選

3.1 比選原則

樂望紅水河特大橋作為桂黔兩省共建“門戶”橋梁，其橋型的選擇不僅需要考慮經濟性、地形適用性、安全性、技術可靠性、施工工期、行車舒適性、景觀協調性、后期運營養護等因素，還應滿足航道通航的需求，以及龍灘庫區環保的現實要求。

綜合以上各橋型初步擬定方案，現就以下三種方案進行深入比選，如表1所示。

3.2 經濟性比較分析

三個方案的建安費見表2，拱橋、剛構橋的造價較低，斜拉橋造價較高，建安費最低的拱橋相比最高的斜拉橋方案節省約7 246.5萬元，連續剛構橋與拱橋造價相當；根據經濟性指標可知，即使在同等跨徑下拱橋的造價也優于另兩個方案。

3.3 技術難度及施工過程風險預測

總體上來講，三種橋型均已在我國的橋梁建設中得到大量應用，設計和施工經驗成熟，技術難度基本可控。近年廣西在大跨徑鋼管混凝土拱橋、斜拉橋的建設成果頗多，如平南三橋、相思洲大橋。針對本文依托項目，三種橋型均有一定的優劣勢，在具體實施過程中將會遇到一定的困難。

（1）結合“世界第一拱”平南三橋的成功經驗，山區條件較適宜建設大跨徑鋼管混凝土拱橋，但需要注意的是兩側岸坡較陡，對纜索吊裝系統特別是塔架的施工提出了較高的要求。廣西岸一側有村莊，對塔架的地錨、纜風繩設置產生障礙，且拱肋吊裝、斜拉扣掛、索力調整、拱內混凝土灌注質量控制難度較大。鋼管混凝土拱橋預制件較多，具備進行平行施工的條件，可大大縮短工期，經核算整體建設工期在32個月左右。

（2）斜拉橋也是一種景觀較好的橋型，350 m的主跨跨徑在同類橋梁中并不突出。但受地形和線位的影響，兩側主塔高度較高，分別達到196.2 m和200.8 m，對塔身垂直度控制有較高的要求，可采用現廣泛應用的爬模施工。同時，該橋型涉及深水基礎施工，需架設鋼棧橋和鋼平臺，一側主墩樁基長達90 m，成樁質量控制難度大，承臺施工需先施作雙壁鋼套箱圍堰，水下封底過程存在安全風險。以上幾道工序均需銜接無法做到同步施工，經核算工期在36個月。

（3）主跨260 m在連續剛構橋中屬于跨徑較大的，同樣涉及深水基礎施工，需搭設鋼棧橋和平臺，兩主墩樁基長達70 m和74 m，施工質量控制難度大。考慮到紅水河為Ⅲ級航道，并兼顧通航2 000噸級單船標準建設，施工過程對航道通航產生一定影響。另外，混合梁線形控制難度相對傳統剛構橋更高，鋼-混結合段在行車荷載、溫度作用下的耦合情況需開展專題研究。跨中鋼箱梁可在工廠預制，經核算工期在33個月左右。

山區河谷大跨徑橋梁建設環境條件復雜，就施工安全風險方面考慮，拱橋主要面臨拱座基坑開挖后岸坡穩定及纜索吊裝的風險；連續剛構橋主要面臨深水基礎施工和高墩施工的風險；斜拉橋主要面臨深水施工和高塔柱施工的風險。就該項目而言，水上施工的制約影響因素較多，對項目如期推進造成干擾。同時，橋址區位于地震烈度Ⅶ度區，抗震性能較好的斜拉橋和鋼管混凝土拱橋更具優勢。

3.4 橋梁景觀及行車舒適性

拱橋方案拱軸線形優美，景觀效果較好；斜拉橋方案橋塔高聳挺拔、氣勢磅礴，比例合適，景觀效果也較好；連續剛構橋方案造型簡單，景觀效果相對前兩個方案較一般。三者的整體剛度較高，行車較平穩舒適。

3.5 運營養護分析

橋梁兩岸氣候多雨、濕度大、雨熱同季，要求橋梁具備良好的耐久性，且運營養護難度和費用不能過高。運營期間，拱橋需定期對吊索、拱圈鋼管、鋼格子梁等進行維護，養護費用較少；連續剛構橋需定期進行箱梁、鋼梁維護，費用較少；斜拉橋需對斜拉索、鋼梁定期維護，甚至進行換索作業，所需費用較高。

3.6 環境影響對比分析

紅水河為西江水系重要干流，該段屬于龍灘梯級水電站淹沒庫區范圍，水質功能為灌溉和發電，兩岸林地為一、二級林地，環保要求較高。拱橋施工對岸坡的開挖以及砍伐林木會造成水土流失；斜拉橋、連續剛構橋涉及深水基礎施工，水中樁基施工泥漿處理不慎易造成水體污染。相比之下拱橋施工對環境的影響較小且可控。

4 橋型方案的確定

綜上比選情況，結合項目實際，選擇地形適用性、經濟性、后期運營養護成本、技術可行性作為最終確定橋型的重要因素。

（1）選用中承式鋼管混凝土拱橋造價最低。通過經濟性比選，拱橋方案建安費最低。拱橋方案相較斜拉橋方案節約造價7 246.5萬元，經濟效益顯著。

（2）最不利情況下拱橋一次更換吊索的工程量在54.7 t，費用在157萬元左右；斜拉橋方案一次更換斜拉索工程量為917.8 t，總花費2 394.3萬元，相比之下對斜拉橋的運營養護開支巨大，而對拱橋的運營養護投入則少很多。

（3）剝蝕低山丘陵地貌的河谷兩岸，不論是從結構受力情況還是對岸坡的穩定性考慮，該處地形條件非常適合拱橋的建設。同時，下游天峨龍灘特大橋有現成的鋼結構加工廠可供使用，鋼構件的加工和運輸都很方便。在三個方案均具備較高的技術成熟度的情況下，基于盡量避免水上施工的考慮，可優先采用中承式鋼管混凝土拱橋方案。

經綜合比選，樂望紅水河特大橋橋型初步設計最終選用經濟性優、技術成熟、造型宏偉、環境協調，且運營養護成本較低的主跨徑為495 m的中承式鋼管混凝土拱橋方案。

5 結語

同等跨越條件下，鋼管混凝土拱橋相對于斜拉橋、混合梁連續剛構橋，更經濟且易于養護，是一種經濟實用的橋型。

拱橋的跨徑不斷刷新紀錄，如已建成主跨575 m的平南三橋、在建計算跨徑600 m的天峨龍灘特大橋，建造技術已達到世界先進水平。同時，作為更利于保持庫區岸坡穩定的一種結構形式，鋼管混凝土拱橋在山區剝蝕低山丘陵地貌的應用前景廣闊。

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