清江特大橋橋型方案技術論證（交通）

                         饒西平¹  孫  旋¹  林志棟²

（1．中交第二航務工程勘察設計院有限公司  武漢430071;  2．中交第一公路勘察設計研究院有限公司  武漢430056）

摘要清江特大橋為庫區大跨度橋梁結構，橋位處兩岸地形陡峻，成“V”字形峽谷。庫區水深較大，庫底深度近200 m。受峽谷風影響，橋面設計風速達31 m／s。交通運輸條件較差，受下游大壩限制，大型船只無法進場輔助施工。針對清江特大橋特殊的地形、地質、水文、通航、氣象、交通運輸條件等因素，對懸索橋、斜拉橋、拱橋方案進行技術論證，分析了不同橋型的結構受力特點及技術難度、施工難度及風險，以及養護難度、景觀效果及工程造價等問題。

關鍵詞  庫區大跨度橋梁方案設計方案比選

    清江特大橋位于水布埡水庫庫區內，距水布埡大壩約1.8 km，見圖1。橋位處河谷深切，地形上構成了“V”字形峽谷（見圖2），起點長嶺岸坡度約為50⁰，終點泗淌岸上緩下陡，水面以上坡度約為40⁰。

    橋位處地形陡峻，水深較大(水庫底深度近200 m)，通航凈寬要求高(不小于210 m)，若橋梁下部構造及基礎設置于水中，施工難度極大，且運營期間不得影響通航，因此必須采用一跨直接跨越水面，要求主跨跨徑大于380 m。

    縱觀國內已建成的連續剛構、連續梁、矮塔斜拉橋等橋梁實例，2008年建成的重慶長江大橋復線橋采用了連續剛構，主梁采用鋼一混結合梁，跨徑為330 m，而1997年建成通車的虎門大橋航道橋，為國內建成的跨徑最大的預應力混凝土主梁連續剛構橋，跨徑僅為270 m，且存在不同程度的主梁開裂、下撓等弊端，而連續梁、矮塔斜拉橋跨越能力更難達到本橋跨徑要求。因此橋型方案未選擇連續剛構、連續梁、矮塔斜拉橋。

    跨越能力大于380 m的橋型，可供選擇的包括懸索橋、拱橋和斜拉橋及其適當變化后的組合橋型。因此，結合現場實際提出了懸索橋、拱橋和斜拉橋3種橋型方案。懸索橋可采用鋼桁架懸索橋和鋼箱梁懸索橋2種結構類型；拱橋方案可采用上承式和中承式，按380 m施工水位設置拱座位置，若采用上承式拱橋，矢跨比需1／7.2，拱腳受力較大，故拱橋方案僅考慮中承式拱橋方案?；�于上述分�?，橋型方案重點研究懸索橋方案、中承式拱橋方案、斜拉橋方案。

1  跨徑擬定及橋型方案選擇

1.1懸索橋方案

    懸索橋方案按380 m施工控制水位設置主塔基礎，對應跨度為390 m，但由于兩岸地形陡峭，高差較大，引橋設置困難。為減少引橋孔數，降低墩高，懸索橋主跨適當增加，擬定為420 m。同時，主塔基礎位于泗淌岸緩坡平臺處，便于施工。

    懸索橋初步擬定了4種加勁梁方案，分別為：混凝土板式、鋼混疊合板式、鋼桁架、鋼箱梁，見圖3。

    由于橋面設計基準風速較大(31 m/s)，橋寬較窄（結構寬度12 m，吊索橫向間距13.3 m），寬跨比較小(1：31.6)，加勁梁選擇主要由抗風穩定控制。

    混凝土板式加勁梁和鋼混疊合板式加勁梁抗風顫振穩定指數分別為9.0和9.5，顫振穩定安全等級均為4級，抗風性能不夠理想。

    因此選擇抗風性能較好的鋼桁架和鋼箱梁懸索橋方案，進行同深度比較，見表1。

    根據現場場地及運輸情況，鋼箱梁由于構件大，運輸困難，需要大型拼裝場地等缺點，故設計優先考慮鋼桁架懸索橋方案。具體孔跨布置為2×25 m(T梁)+420 m(單跨雙鉸懸索橋)+3×25 m(T梁)。橋梁全長561 m，橋梁凈寬：1.5 m（人行道）+8m（車行道）+1.5 m（人行道），橋型整體布置見圖4。

1.2拱橋方案

    根據經驗，本類橋梁的矢跨比一般在1／4～1/5之間，矢跨比越大，拱腳彎矩越小。經試算，本橋拱肋受力主要由拱腳彎矩控制，因此，宜選用較大矢跨比。

    為盡量減小主跨跨度、降低橋梁建設規模、節約工程造價，在滿足結構受力合理性前提下，采用橋面處于拱肋矢高相對較高位置，拱肋橋面系上矢高／拱肋矢高=0. 43～0. 44，根據論證的橋面高程，分別擬定了1／4，1／4.5，1／5矢跨比對應的孔跨布置。

綜合考慮受力情況、主橋建設規模，選取1／4矢跨比，主拱肋對應凈跨度為410 m，起拱線高程393 m，拱座底高程為385.0 m，滿足施工水位 (380 m)的要求。

    拱橋方案為凈跨410 m的中承式拱橋，拱肋形式可采用鋼管拱或鋼箱桁架拱。但由于鋼箱桁架拱用鋼量較大、造價較高、技術難度大，設計優先考慮中承式鋼管拱方案。

1.3斜拉橋方案

    斜拉橋受邊跨地形限制，宜盡量減少主跨跨徑，增加邊中跨比，以利于結構配重需要。按380m施工控制水位設置承臺底高程，對應主跨為390 m。邊跨長度受路線直線段長度限制，可采用的最大邊跨長度為140 m，此時，斜拉橋邊中跨比為0. 36，略小于常用的0.4～0.45的邊中跨比，但通過適當增加邊跨截面、設置壓重可進行平衡。因此，斜拉橋孔跨擬定為140 m+390 m+140 m。

    斜拉橋方案主跨為390 m，處于混凝土斜拉橋的經濟跨度，且鋼結構主梁存在造價較高、后期養護維修量大等問題，設計優先考慮混凝土斜拉橋方案。

2方案比選

    根據鋼桁架懸索橋方案、中承式拱橋方案、混 凝土斜拉橋方案，將從結構受力及技術難度、施工難度及風險、養護難度、景觀效果及工程造價等方面進行綜合比較。

2.1結構受力及技術難度

    主跨420 m鋼桁架懸索橋，在懸索橋中屬較小跨徑，技術難度最低，同時主纜自平衡狀態下橋塔在成橋狀態下主要承受豎向荷載，對地質適應能力較好。綜合考慮活載最大豎向撓度、抗風穩定性、主纜用鋼量，通過比選，主纜垂跨比選擇1/10，矢高為42 m。主纜邊跨散索點至主塔中心線距離為130 m，邊中跨比為0.309 5，恒載平衡狀態時，主索鞍兩側主纜夾角相同，主纜張力相同，可充分保證主纜抗滑要求。邊中跨比對橋梁剛度也有一定影響，邊中跨比越小，橋梁剛度越大。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)的規定，在成橋階段主要考慮的6種荷載組合作用下，結構整體變形均能滿足規范要求。

    主跨410 m中承式鋼管拱，屬同類橋型中較大跨徑，技術難度相對較高，同時主拱座產生較大的推力，對地質要求較高。由于本方案跨度較大，寬度相對較小，因此，橫向穩定是制約本橋設計的一個關鍵問題。穩定分析模型在空間計算模型的基礎上進行修改，活載采用等效均布荷載十跨中集中力的方式，分析以下工況的穩定系數：①成橋恒載的穩定系數；②恒載十全幅車輛及人群荷載的穩定系數；③恒載十全幅車輛荷載十風荷載的穩定系數。計算表明，恒載占全部荷載的比例最大，活載的影響相對較小，風載對穩定的影響幾乎可以忽略不計，計算結果見表3。

    主跨390 m斜拉橋，跨度適中，技術難度相對較低，但橋塔基礎需承受一定的水平力作用，對邊坡穩定要求較高。由于本方案的橋面寬度較窄，經計算，所需的主梁橫梁截面高度較低。在同高度的主梁截面條件下，雖然實心邊主梁截面較箱型邊主梁截面在混凝土用量上稍有增加，但實心邊主梁易于施工。箱型邊主梁截面由于施工需要，要求截面高度不能取得太低，在與實心肋截面面積相同的條件下，其剛度遠大于實心肋截面，意味著主梁上分配的彎矩將大于實心肋截面，而且其箱內構造復雜，施工的困難程度和耗費的時間、費用將大于實心邊主梁截面。綜合比較，本橋主梁采用實心邊主梁截面較為合適。為確保橋梁在各個施工階段以及運營狀態下的結構穩定性，通過建立空間有限元模型，對主橋的最不利施工階段以及成橋階段進行總體靜力穩定驗算。驗算的4個最不利階段為：①階段1-裸塔；②階段2-最大雙懸臂；③階段3-最大單懸臂；④階段4-成橋。荷載工況：進行穩定性分析時，外荷載類型有：永久作用以及風荷載。施工階段進行穩定性驗算時，施工期設計基準風速取10年重現期的設計風速。在成橋階段穩定分析時，外加荷載為永久作用和風荷載。結構在上述4種狀態下的失穩形態及相應的安全系數見表4。

 2.2施工難度及風險

    鋼桁架懸索橋方案主桁架采用工廠焊接成桁片，再經由陸路或水路運輸至現場拼裝場地，在場地拼裝為節段后由纜索吊吊裝。采用這種方式可以大大降低運輸風險，化整為零，由于鋼桁架節段重量較輕，吊裝過程風險較低，本方案施工難度及風險均較低。

    中承式拱橋方案主拱肋采用散件運輸，工地拼裝成節段，纜索吊吊裝。由于節段重量加大，施工過程中穩定要求較高，主拱肋在成拱過程中焊接質量及線形控制較難。因此本方案施工難度及風險較高。

    混凝土斜拉橋方案主梁采用前支點掛籃懸澆施工。目前國內在390 m左右跨度范圍內的類似橋梁較多，施工工藝成熟，施工風險和難度較低。

2.3養護難度及運營風險

    鋼桁架懸索橋方案主纜、吊桿、鋼桁架需要后期養護，在設計中由于有貓道及檢修車，所以其養護工作量及養護難度一般。運營階段，由于主要構件受力明確，風險較低。

    中承式拱橋方案拱肋、吊桿、橋面系需要養護，尤其是拱肋采用組合桁式結構，增加了養護難度。運營階段由于存在鋼管與管內混凝土脫空風險、短吊桿疲勞風險、橋面系開裂風險，因此其整體運營風險較高。

    混凝土斜拉橋方案其后期養護難度最低，根據目前國內已建成的類似跨徑橋梁，主要存在后期橋面開裂問題，運營階段結構本身不存在類似拱橋方案的風險，風險較低。

2.4景觀效果

    3種橋型方案整體景觀效果均較好，可很好地與橋位適應，與周邊環境構成了各具特色的景觀效果。其中鋼桁架懸索橋方案造型纖細輕盈，優美而富有氣勢；中承式拱橋方案造型具有古典美，與水面倒影交輝相映；混凝土斜拉橋方案造型簡潔明快，具現代氣息。因此從景觀效果來看，3種橋型方案各具特色，不分伯仲。

2.5工程造價

    工程造價是影響橋型方案選擇的重要因素之一。初步計算3種橋型建安費見表5，其中鋼桁架懸索橋最高，混凝土斜拉橋次之，中承式拱橋最低。

3結語

    (1)鋼桁架懸索橋方案雖造價稍高，但運輸、吊裝方便，施工、運營風險較低，后期養護維修量適中，故予以優先推薦。

    (2)中承式拱橋方案雖造價較低，但施工及運營風險相對較高，后期養護維修量相對較大，全壽命周期成本較高。

    (3)混凝土斜拉橋方案雖造價稍高，但施工期間無大構件的運輸、拼裝、吊裝，施工便利，運營風險相對較低，主梁后期無需定期刷漆，養護維修量相對較小。

    本文通過對清江特大橋3種橋型方案的比選，為今后在類似地形條件及類似橋梁跨徑的設計，提供了一定的經驗及參考。