金 令

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

貴陽環(huán)城高速公路花溪大橋設(shè)計(jì)

金 令

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

花溪大橋?yàn)橘F陽環(huán)城高速公路南環(huán)線跨越花溪水庫的一座特大型橋梁，主橋?yàn)?92 m的中承式鋼管混凝土拱橋，大橋全寬29.3 m(雙向四車道+人行道)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，是全線重點(diǎn)橋梁和控制性工程。介紹該橋的總體設(shè)計(jì)情況，包括橋式選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)造細(xì)節(jié)、施工方法。根據(jù)橋址處的條件大橋在貴州地區(qū)首次采用了三角形空間桁架拱、挖井基礎(chǔ)、自密實(shí)鋼管混凝土等技術(shù)，對(duì)多山巖溶地區(qū)同類型橋梁建設(shè)具有參考意義。

公路橋;拱橋;三角形空間桁架;挖井基礎(chǔ);自密實(shí)鋼管混凝土;結(jié)合梁;設(shè)計(jì)

1 概述

花溪大橋?yàn)橘F陽環(huán)城高速公路南環(huán)線跨越花溪水庫的一座特大型橋梁，是全線重點(diǎn)橋梁和控制性工程。花溪水庫位于南明河上游花溪河段，地處貴陽市花溪區(qū)，下游距花溪僅3 km，距貴陽市市區(qū)僅20 km，線路在此以斜交角度68°跨越花溪水庫，最大洪水位時(shí)水面寬約88 m，路面距離水面高約50 m，兩側(cè)地勢(shì)陡峭，地質(zhì)主要為石灰?guī)r，巖溶發(fā)育。由于花溪水庫為貴陽市飲用水水源地，為減少污染決定采用跨越能力大、施工污染少的鋼結(jié)構(gòu)橋梁。

2 橋式的選擇

結(jié)合橋址處的地形條件，200 m左右的峽谷橋梁，拱橋是經(jīng)濟(jì)的跨度，兩岸巖體雖然有巖溶發(fā)育，但地質(zhì)條件尚可，適于修建推力拱。并且拱橋線條柔美，與自然環(huán)境匹配性好。因此提出鋼管混凝土和鋼箱2種拱橋方案。

考慮到橋址處交通條件不適宜較大型箱式構(gòu)件的運(yùn)輸，最后選用了鋼桁拱方案。其優(yōu)點(diǎn)是可以以較小的桿件單元組織運(yùn)輸，到工地后再組裝。圖1為竣工后的花溪大橋，桁架拱輕盈通透的外觀與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

圖1 竣工后的花溪大橋

3 設(shè)計(jì)

3.1 概述

橋梁總體結(jié)構(gòu)見圖2，其設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

(1)橋梁基本情況

結(jié)構(gòu)類型:中承式拱橋

拱肋形式:三管桁架式鋼管混凝土拱肋

跨度:192 m

拱肋計(jì)算跨徑:175 m

矢高:40 m

拱肋間距:拱頂處高度為4.0 m，拱腳處高度為6.0 m，拱肋沿拱軸線等寬度

橋梁寬度:0.35 m防撞護(hù)欄+1.5 m人行道+0.3 m防撞護(hù)欄+11.75 m行車道+1.5 m中央分隔帶+11.75 m車行道+0.3 m防撞護(hù)欄+1.5 m人行道+0.35 m防撞護(hù)欄，全寬29.3 m

道路線形:平面 直線

立面 縱坡0.6%，雙向橫坡2%

道路:8 cm厚中粒式改性瀝青

橋面系:格子梁結(jié)合橋面

橋面板:14 cm厚的C50鋼筋混凝土預(yù)制板+10 cm厚C50后澆混凝土層

吊桿類型:平行鋼絲束

圖2 花溪大橋全橋布置(單位:m)

(2)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí):高速公路

設(shè)計(jì)速度:100 km/h

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:主體結(jié)構(gòu)100年，支座及吊桿15～20年

最大洪水位高程:1 146.0 m(1/1 000)

環(huán)境類別:Ⅰ類

環(huán)境作用等級(jí):B

抗震基本烈度:6度

(3)設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載:公路Ⅰ級(jí)，人群荷載

溫度荷載:體系溫差 鋼結(jié)構(gòu)考慮全年最高和最低氣溫取ΔT=±30℃，混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)考慮全年最高和最低月氣溫取ΔT=±20℃，鋼-混凝土溫差 ΔT=±15℃，鋼梁日照不均勻溫差 ΔT=±30℃，混凝土梁上、下緣溫差 道碴橋面采用±5℃，框架墩身左右側(cè)溫差 ΔT=±5℃

設(shè)計(jì)風(fēng)速:25.1 m/s

3.2 基礎(chǔ)

貴陽地區(qū)為喀斯特地貌，地質(zhì)情況復(fù)雜，溶洞和巖溶裂隙較發(fā)育，鉆孔揭示的溶洞頂?shù)装搴穸?.20～4 m，溶洞為無充填、半充填或全充填，充填物為黏土和灰?guī)r巖屑。工點(diǎn)范圍內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為灰?guī)r區(qū)巖溶。根據(jù)鉆探和物探結(jié)果，牛郎關(guān)岸的主拱位置為巖溶最發(fā)育區(qū)，溶洞和溶蝕裂隙較發(fā)育，金竹鎮(zhèn)岸主要為巖溶影響區(qū)，溶洞分布在地表淺部，其下主要為巖溶影響的強(qiáng)風(fēng)化層，以溶蝕裂隙為主要特征。溶洞對(duì)基礎(chǔ)設(shè)置和工程穩(wěn)定有較大影響。

巖溶地區(qū)的工程建設(shè)，基礎(chǔ)一直是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，本橋設(shè)計(jì)時(shí)除了需要考慮橋址處高度發(fā)育的溶洞、溶隙外，還需考慮工期的因素，最終開創(chuàng)性的將挖井基礎(chǔ)用于本橋。挖井基礎(chǔ)尺寸較大，利于機(jī)械施工，對(duì)于溶洞、溶隙的探明、處理也提供了良好的條件。施工過程也比人工挖孔樁更為安全。

相比初步設(shè)計(jì)的群樁基礎(chǔ)，挖井基礎(chǔ)雖然尺寸較大，但是樁數(shù)上卻比群樁基礎(chǔ)大有優(yōu)勢(shì)，結(jié)果是就承臺(tái)的體型來說，挖井基礎(chǔ)比群樁基礎(chǔ)遠(yuǎn)為小。承臺(tái)體型的縮小，使得基礎(chǔ)布置有更大的靈活性，跨度因此得以縮小。并且基礎(chǔ)范圍比群樁基礎(chǔ)小，遇到不良地質(zhì)的可能性也大大降低了，見圖3。

挖井基礎(chǔ)尺寸為10 m×5 m，根據(jù)地質(zhì)情況的不同，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為24 m及21 m，承臺(tái)尺寸為15 m×7 m。施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)金竹鎮(zhèn)岸的地質(zhì)條件比鉆探結(jié)果要好，又將樁長(zhǎng)縮短到15 m;牛郎關(guān)岸下游拱座基礎(chǔ)開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)一未探明的較大的溶洞，由于作業(yè)面夠大，也得到了快速的處理。

3.3 拱肋

桁架拱肋的采用雖然有效地解決了交通運(yùn)輸?shù)膯栴}，卻給橋梁的美學(xué)設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鋼管混凝土拱橋多采用矩形的四管桁架，各自組成啞鈴形的截面在上下弦，但這種桁架桿件相互遮擋，視覺上較為凌亂，難以得到通透、變化的效果?；ㄏ髽虿捎昧四壳皣?guó)內(nèi)較為少見的三角形空間桁架，桁架由上弦1根較大的鋼管和2根較小的鋼管組成品字形截面。桁架在透視上富于變化、視覺上也通透很多。通過計(jì)算，證明三角形桁架在橫向穩(wěn)定性方面也無任何問題。設(shè)計(jì)中詳細(xì)研究了腹桿、下弦平聯(lián)桿、吊桿錨管與主桁弦桿的相貫線干涉問題，使之皆能得到合適的布置而不影響焊縫的受力，拱肋結(jié)構(gòu)詳見圖4。

最終大橋采用中承式鋼管混凝土平行拱，計(jì)算跨度為175 m，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.2，拱肋軸線理論矢高40 m，矢跨比為1/4.375;拱肋橫向中心距為29.5 m，拱肋采用鋼管混凝土截面，每肋由1個(gè)φ1 000 mm的鋼管和2個(gè)φ700 mm的鋼管組成，外寬3 m，下弦管中心距2.3 m。拱肋高度沿拱軸變高，拱頂處高度為4.0 m，拱腳處高度為6.0 m，拱肋沿拱軸線等寬度。

拱腳、拱頂段上弦管壁厚為34 mm，二者之間區(qū)段壁厚為30 mm;拱腳、拱頂段下弦管壁厚為24 mm，二者之間區(qū)段壁厚為20 mm。上下拱肋之間的腹桿除吊桿處采用φ299 mm×16 mm外，其余采用φ400 mm×12 mm鋼管。兩個(gè)下弦鋼管之間由截面為φ203 mm×12 mm鋼管組成。

在拱肋的上下弦管內(nèi)泵送混凝土采用流動(dòng)性好、緩凝、水化熱低的C50自密實(shí)混凝土，其余腹桿和橫撐鋼管內(nèi)除拱腳特別指明者外不灌注混凝土。

3.4 自密實(shí)鋼管混凝土

本橋拱肋內(nèi)混凝土采用目前世界上先進(jìn)的施工工藝:倒灌頂升泵送施工法。過去的鋼管拱混凝土澆筑施工中，由于缺乏超長(zhǎng)時(shí)間保持流動(dòng)性混凝土配制技術(shù)，若采用倒灌頂升泵送施工工藝，往往無法一次性連續(xù)泵送，不僅施工效率低，甚至還易出現(xiàn)泵壓過大、泵管爆裂、鋼管內(nèi)混凝土密實(shí)度低等工程質(zhì)量事故。自密實(shí)鋼管混凝土通過摻入適量的外加劑、合適的膠凝材料用量，以及粗細(xì)集料的選擇經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，在拌和后具有高流動(dòng)度而不離析、不泌水和高均勻性，在免振搗的成型條件下，能夠在拱橋的鋼管中充分填充空隙，形成了密實(shí)、均勻的組合結(jié)構(gòu)材料。

采用自密實(shí)鋼管混凝土具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)保證混凝土良好的密實(shí)性。

(2)提高生產(chǎn)效率，縮短施工期限，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低。

(3)改善工作環(huán)境和安全性。沒有振搗噪聲，避免工人長(zhǎng)時(shí)間手持振動(dòng)器導(dǎo)致的“手臂振動(dòng)綜合癥”、消除高噪聲振動(dòng)引起的工人健康的風(fēng)險(xiǎn)等。

(4)避免了振搗對(duì)拱肋鋼管、施工支架產(chǎn)生的振動(dòng)、磨損，增加安全性，延長(zhǎng)施工機(jī)具其使用時(shí)間。

(5)可降低工程整體造價(jià)。從提高施工速度、環(huán)境對(duì)噪聲限制、減少人工和保證質(zhì)量等諸多方面降低成本。

根據(jù)計(jì)算，灌注順序按照先上弦管，后下弦管;先外弦管，后內(nèi)弦管的原則。

鋼管拱自密實(shí)混凝土的應(yīng)用可降低工程風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約工程投資，提高工程施工及運(yùn)行質(zhì)量，并使我國(guó)、尤其貴州地區(qū)混凝土工程的施工技術(shù)達(dá)到新的水平，對(duì)貴陽市環(huán)城高速南環(huán)線建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展起到示范與推動(dòng)作用。

3.5 橋面系

圖3 挖井基礎(chǔ)(左)與群樁基礎(chǔ)(右)的承臺(tái)尺寸比較(單位:m)

圖4 拱肋截面及拱肋節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(單位:mm)

橋面系為鋼縱橫梁和鋼筋混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)，在鋼縱、橫梁頂面上布置φ22 mm圓柱頭焊釘與鋼筋混凝土橋面板形成結(jié)合梁結(jié)構(gòu)。共設(shè)置9道縱梁，其中2道為主縱梁，高度2 m;其余鋼縱梁為次縱梁，高為0.8 m。鋼橫梁間距12 m，在行車道范圍設(shè)2%橫坡而變高，梁高從端部的1.9 m變?yōu)榭缰械?.165 m。橋面布置和橋面系構(gòu)造分別見圖5、圖6。

在拱上立柱和橋面第1根吊桿之間采用4道主縱梁+5道次縱梁，該處橫梁不與主拱連接，橫梁截面為箱形截面，見圖7。

圖5 橋面布置(單位:mm)

圖6 橋面系構(gòu)造(單位:mm)

圖7 橋面系縱橫梁布置(僅示下游半幅)(單位:mm)

橋面板由厚14 cm的C50鋼筋混凝土預(yù)制板+10 cm厚后澆混凝土層+8 cm厚中粒式改性瀝青混凝土組成(在橋面混凝土與瀝青混凝土間噴涂1.2 mm厚BCW-G高性能橋面防水涂料)，預(yù)制混凝土板間的橫向接縫寬為0.5 m，縱向接縫寬0.3 m，接縫混凝土采用C50補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土。

組合橋面相比鋼橋面的優(yōu)勢(shì)在于減少噪聲和易于養(yǎng)護(hù)，橋面采用鋼纖維混凝土后澆層能更好地控制裂縫。

花溪水庫為二級(jí)水源保護(hù)區(qū)，為保護(hù)水源不受橋面雨水污染在主橋橋面處設(shè)泄水管、通過設(shè)在人行道板下的順橋向排水管排至橋墩處集水管，利用兩岸集水設(shè)施收集橋面雨水，雨水集中處理后以供綠化使用。為防止交通事故對(duì)水源造成重大污染，在車行道外側(cè)設(shè)置高等級(jí)防撞金屬護(hù)欄，金屬護(hù)欄外設(shè)置人行道欄桿，欄桿比護(hù)欄高出約0.5 m并經(jīng)過強(qiáng)度檢算足以承受設(shè)計(jì)車輛重力，以阻止發(fā)生交通事故后車輛側(cè)傾落入水庫中。

為方便檢修，在橋面系下方設(shè)置檢查車2臺(tái)，分左右幅檢查橋面系鋼結(jié)構(gòu)部分，如圖8所示。

圖8 橋面系及檢查車

3.6 橫撐

初步設(shè)計(jì)時(shí)橫撐為“米”字形橫撐，由于是風(fēng)景區(qū)，凌亂的“米”字撐破壞了大橋的整體形象，在施工設(shè)計(jì)時(shí)橋面以上改用“一”字撐，橫撐的腹桿布置采用與主桁相近的三角桁架，以取得與全橋協(xié)調(diào)的效果。由于“一”字撐剛度較弱，共設(shè)置了7道。第1道“一”字撐做成了平面桁架，減輕其作為橋門架時(shí)對(duì)過往車輛造成的壓抑感;其余“一”字撐為“∧”形，去掉底部的平聯(lián)桿也是為了達(dá)到更整齊的視覺效果。

4 施工

此橋橋面距離常水位水面超過60 m，拱頂距離水面更是接近100 m，且花溪水庫為飲用水源地，除水庫管理船只外，不必考慮通航條件制約，因此選擇了纜索吊安裝拱肋、同步扣索的施工方案。

纜索吊機(jī)跨度283 m，塔架使用萬能桿件拼成，高度58～70 m，主索由8根6×37+FC型抗拉強(qiáng)度1 770 MPa的φ56 mm鋼絲繩組成，垂度19 m，設(shè)計(jì)起重能力1 000 kN，實(shí)際最大吊重691 kN。

每側(cè)主拱分成9個(gè)吊裝節(jié)段，包含2個(gè)拱腳段、6個(gè)主要節(jié)段和1個(gè)合龍段，每岸各設(shè)3道扣索，每節(jié)段安裝后先以臨時(shí)連接固定，調(diào)整扣索索力后完成焊接。同步安裝橫撐。全橋主要施工步驟見圖9。對(duì)每個(gè)施工步驟，均進(jìn)行了有限元分析以控制變形和索力，見表1。

圖9 全橋主要施工步驟

表1 索力計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kN

拱肋合龍后，分階段拆除扣索，封鉸，上下弦管對(duì)稱灌注C50自密實(shí)混凝土。先灌上弦，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再灌下弦。

安裝吊桿、拱上立柱，安裝橫梁，安裝縱梁，鋪設(shè)預(yù)制橋面板，施工橋面板后澆層。

5 結(jié)語

花溪大橋作為南環(huán)線工程的重中之重，不但成為環(huán)城高速路的標(biāo)志性建筑，也創(chuàng)造了貴陽市政橋梁跨度的紀(jì)錄。大橋在貴州地區(qū)首次采用了三角形空間桁架拱、挖井基礎(chǔ)、自密實(shí)鋼管混凝土等技術(shù)，對(duì)多山巖溶地區(qū)同類型橋梁建設(shè)具有參考意義。

目前花溪大橋已建成2年，運(yùn)營(yíng)情況良好。全面完工后的花溪大橋猶如一道靚麗的彩虹鑲嵌在花溪水庫上，是貴陽人民智慧的象征，更為自然景色密布的高原明珠——花溪再添人文一景。

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Design for Huaxi Bridge in Highway around Guiyang City

JIN Ling
(China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China)

Huaxi Bridge is a super large bridge across above Huaxi reservoir in the south line of Guiyang City Highway.The main bridge，which is a 192 m half-through concrete-filled steel tube arch bridge with 29.3 m in full width(bi-direction four lanes plus sidewalks)and 100 km/h design speed，is the key bridge and controlling project of the whole line.The author illustrates the general design situation of the bridge，including bridge-type selection，design parameters，structure details and construction methods.According to the situations at the bridge site，Huaxi Bridge is the first bridge using the technologies such as triangular space truss arch，cutting caisson foundation，self-compacting concrete-filled steel tube in Guizhou region，which can give some references for the same type of bridge constructions in mountainous karst area.

highway bridge;arch bridge;triangular space truss;cutting caisson foundation;selfcompacting concrete-filled steel tube;composite beam;design

U442.5

A

1004-2954(2012)07-0082-05

2011-10-31

金 令(1979—)，男，工程師，2002年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。