饒海庚　華　波　朱安靜

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司　武漢　430056)

巴溪洲湘江橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

饒海庚華波朱安靜

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司武漢430056)

摘要飛燕式拱橋的結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜。以巴溪洲湘江橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)系桿拱和推力拱結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了研究比選，并設(shè)計(jì)了一系列的構(gòu)造措施。實(shí)踐證明，推力拱結(jié)構(gòu)體系在該橋的應(yīng)用取得良好的效果，設(shè)計(jì)采取的構(gòu)造措施有效可靠，為飛燕式拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞飛燕式拱橋推力拱

1工程概況

巴溪洲湘江橋跨越湘江副河汊，河道寬約300 m，是長沙市巴溪洲水上公園與市區(qū)聯(lián)系的唯一通道。

1.1　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1) 道路等級(jí)：城市支路。

(2) 荷載等級(jí)：城-B級(jí)。

(3) 設(shè)計(jì)使用年限：100年。

(4) 結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)。

(5) 橋面寬度：橋?qū)?.5 m，雙向2車道。

1.2　橋位地質(zhì)情況

從樁頂往下土層依次為：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚2～2.5 m；中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度2.5 MPa，層厚30～35 m；微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度4.0 MPa，屬極軟巖。

經(jīng)過對(duì)多種橋型方案的比選論證后，選用飛燕式鋼箱提籃拱橋型，孔跨布置為50 m+180 m+50 m，見圖 1，外觀效果見圖 2。

圖1　橋型立面布置圖(單位：m)

圖2　橋梁外觀效果

2結(jié)構(gòu)體系方案及比選

飛燕式拱橋是拱橋中富有特色的一種橋型。此類橋型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于采取有效可靠的構(gòu)造措施，平衡主拱推力。結(jié)構(gòu)體系分為系桿拱與推力拱2種方案。

我國已建飛燕式拱橋一般采用系桿拱體系, 見表 1。

表1　我國已建成的飛燕式拱橋?qū)嵗?/p>

根據(jù)該橋地質(zhì)條件，樁側(cè)土換算地基比例系數(shù)m值可達(dá)30 000～50 000 kN/m4，水平抗力系數(shù)較高，推力拱結(jié)構(gòu)體系可能是更合理的選擇，因此設(shè)計(jì)對(duì)系桿拱與推力拱系進(jìn)行了研究比較。

2.1　系桿拱結(jié)構(gòu)體系方案

系桿拱體系主要由主跨、邊跨、主拱墩、縱向系桿4大部分組成(見圖 3,圖 4)，四位一體，相互影響，相互依存[1]，通過張拉錨固于邊跨端部的系桿索來平衡主跨拱肋水平推力，可有效地降低下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的工程量和造價(jià)。

圖3　系桿拱體系結(jié)構(gòu)總體布置(單位：m)

圖4　系桿拱體系橫斷面圖(單位：m)

主跨上拱肋采用鋼箱拱，下拱肋和邊跨拱肋采用混凝土拱。全橋共設(shè)6根可換索式系桿，規(guī)格為43股Φs15.2無粘結(jié)高強(qiáng)低松弛鋼絞線拉索，單個(gè)主拱墩基礎(chǔ)采用6根直徑1.8 m灌注樁。

2.2　推力拱結(jié)構(gòu)體系方案

推力拱體系是通過加強(qiáng)主拱墩基礎(chǔ)的抗推能力，來抵抗主跨拱肋的推力效應(yīng)，相對(duì)系桿拱來說需增加基礎(chǔ)工程量，但省去了縱向系桿索。該橋推力拱體系結(jié)構(gòu)總體布置見圖 5。

圖5　推力拱體系結(jié)構(gòu)總體布置(單位：m)

與系桿拱相比，主拱墩基礎(chǔ)采用6根φ3.0 m的大直徑灌注樁，其余構(gòu)造基本相同。

2.3　結(jié)構(gòu)體系比選

2種結(jié)構(gòu)體系方案，橋型外觀相同，但在結(jié)構(gòu)受力性能、安全性風(fēng)險(xiǎn)、主體工程量、建安費(fèi)、橋梁全壽命周期成本等方面存在一定的差異。

(1) 結(jié)構(gòu)受力性能及安全性風(fēng)險(xiǎn)比較。推力拱體系由樁基承受拱腳推力，結(jié)構(gòu)受力相對(duì)簡(jiǎn)單可靠。

系桿拱體系由系桿與樁基共同承受拱肋推力，系桿承擔(dān)了絕大部分水平推力，是全橋的生命線。系桿索在施工期間張拉時(shí)序的控制和后期更換過程的控制，都要求每一步將拉力控制得恰到好處，過大、過小都會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來一定損傷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危機(jī)橋梁安全。運(yùn)營期間，若系桿因銹蝕而斷裂，也將影響橋梁安全。因此系桿拱結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜，且增加了較大的安全性風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 主體工程量及建安費(fèi)比較。2種體系工程數(shù)量差異主要表現(xiàn)在主墩基礎(chǔ)、系桿索方面。系桿拱方案工程建安費(fèi)4 530萬元(其中系桿索建安費(fèi)約250萬元)，推力拱方案工程建安費(fèi)為4 650萬元，僅比系桿拱方案增加120萬元。工程量比較見表 2。

表2　工程量比較表

(3) 橋梁全壽命周期成本。橋梁全壽命周期成本包括從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營和最后拆除整個(gè)生命周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)所需的一切費(fèi)用，與新建成本相比，它還需考慮運(yùn)營期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和拆除回收期的費(fèi)用[2]。目前，基于全壽命觀點(diǎn)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)理念，開始逐步引起各行業(yè)的重視。

運(yùn)營期間，2種方案的鋼箱拱和吊桿均需定期維護(hù)，而系桿拱方案另外增加了系桿的維護(hù)、更換費(fèi)用。系桿必須定期和不定期檢查養(yǎng)護(hù)，且使用一定年限后，根據(jù)損傷、腐蝕及斷絲狀況，需考慮更換，如廣東佛陳大橋運(yùn)營5年多，就發(fā)現(xiàn)系桿銹蝕嚴(yán)重，承載力下降10%，加固時(shí)更換了部分系桿索[3]。經(jīng)估算，系桿索后期更換及養(yǎng)護(hù)的預(yù)期費(fèi)用約2 000萬元，顯然，系桿拱體系方案的全壽命周期成本高于推力拱體系方案。

經(jīng)過上述綜合比較，最終采用推力拱結(jié)構(gòu)體系方案。

3關(guān)鍵性構(gòu)造措施及施工方案

全橋結(jié)構(gòu)總體布置見圖 5，主跨上拱肋采用鋼箱提籃拱，下拱肋及邊跨拱肋采用鋼筋混凝土拱，主跨主梁采用預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)、邊跨主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，吊索采用HDPE護(hù)套平行鋼絲成品索，基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)。

3.1　混凝土剛架構(gòu)造

推力拱體系除了加強(qiáng)基礎(chǔ)的抗推能力外，還應(yīng)采取有效可靠的構(gòu)造措施，以改善混凝土拱肋等構(gòu)件的受力狀態(tài)。設(shè)計(jì)將主跨下拱肋、邊跨拱肋、主拱墩、邊跨橋面主梁連接成為整體混凝土剛架?；炷羷偧苁潜緲虻年P(guān)鍵性構(gòu)造措施，主要起到了2方面的重要作用。

(1) 改善了混凝土拱肋的受力狀態(tài)。在沒有系桿索的拉力時(shí)，邊跨拱肋的拱腳負(fù)彎矩和拱頂附近的正彎矩將急劇增大，主跨拱腳處的負(fù)彎矩也有較明顯的增大。

設(shè)置混凝土剛架后，主梁與拱肋相互作用，形成三角撐拉桿受力體系，拱肋為撐桿，橋面主梁為拉桿，在拉桿內(nèi)配置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，以滿足受拉需求。撐拉桿體系的形成，有效地減少了混凝土拱肋的彎矩效應(yīng)，從而改善了拱肋受力狀態(tài)。此時(shí)，混凝土剛架結(jié)構(gòu)的彎矩效應(yīng)見圖 6。

圖6　剛架彎矩包絡(luò)圖 (單位：MPa)

(2) 提高了結(jié)構(gòu)的整體受力性能。剛架內(nèi)部各構(gòu)件相互作用，相互依存,形成有機(jī)的整體，共同承受主跨上拱肋的推力效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生了積極的效果。

3.2　大直徑樁基

采用推力拱結(jié)構(gòu)體系，主墩基礎(chǔ)承受的水平推力較大，單個(gè)主墩約22 000 kN。樁基直徑的選用，對(duì)基礎(chǔ)抗推能力、工程造價(jià)及施工影響較大。一般而言，采用大直徑樁抗推，可取得更好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但是最大直徑的選擇需結(jié)合施工工藝水平，根據(jù)國內(nèi)大直徑樁實(shí)際應(yīng)用情況，最大樁徑不宜大于3.0 m。

為了更加經(jīng)濟(jì)、合理地確定樁徑方案，設(shè)計(jì)對(duì)直徑3.0，2.5，2.0 m 3種樁徑方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，見表 3。

表3　樁徑方案比較表(單個(gè)主墩)

經(jīng)比較，直徑3.0 m樁徑方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，抗推效果好。根據(jù)調(diào)查，在國內(nèi)，類似地質(zhì)條件，樁徑達(dá)3.0 m的大直徑樁成功案例較多(如荊岳長江公路大橋[4]、寧波大榭島大橋、湖北鄂黃長江大橋、安慶長江公路大橋[5]等。 成孔方式可選用卷揚(yáng)機(jī)吊十字沖錘沖擊成孔，或KTY3000A型回旋鉆機(jī)成孔等，因此設(shè)計(jì)最終選擇直徑3.0 m大直徑樁基方案。

3.3　拱肋鋼混結(jié)合段

主跨上、下拱肋分別采用鋼箱拱、混凝土拱，合理的鋼混結(jié)合段構(gòu)造可有效解決上、下拱肋的傳力問題，連接方案一般有預(yù)應(yīng)力錨桿加剪力釘形式，PBL剪力鍵形式等。

該橋拱肋鋼、混交接截面內(nèi)力狀態(tài)為：最大軸力11 956 kN,最小軸力11 070 kN,最大彎矩9 800 kN·m，最大剪力1 008 kN。根據(jù)受力特點(diǎn)，

采用預(yù)應(yīng)力錨桿加PBL剪力鍵連接形式，見圖 7。以預(yù)應(yīng)力錨桿為主，有效提供抗彎能力；以PBL剪力鍵為輔，起傳遞剪力作用，并作為抗彎的安全儲(chǔ)備，同時(shí)有助于鋼拱肋起拱段的施工定位。

圖7　鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖 (單位：MPa)

3.4　施工方案

邊跨混凝土剛架位于河道的灘涂地，采用支架現(xiàn)澆施工。

主跨橋面距離河床面高度達(dá)20 m，拱頂距離橋面高度約30 m，支架施工難度太大，且難以保證安全，同時(shí)考慮到施工期間環(huán)保、通航等要求，最終主跨鋼拱肋及橋面系選擇纜索吊裝施工方案，見圖 8。

圖8　施工現(xiàn)場(chǎng)照片

4結(jié)語

巴溪洲湘江橋已經(jīng)建成通車，目前運(yùn)營狀態(tài)良好，該橋采用的結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造措施已成功地應(yīng)用于實(shí)體工程，為今后類似橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭懷穎，陳寶春.飛鳥式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算分析[J].公路交通科技,2007(1)：90-94.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社,2007.

[3]鄭強(qiáng)，孫國安.佛陳大橋缺陷原因分析及加固[J].中國鐵道科學(xué),2000(4)：21-29.

[4]丁望星，姜友生.荊岳長江公路大橋設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2011(4)：57-61.

[5]王仕豪.KTY3000A型動(dòng)力頭鉆機(jī)在大直徑樁孔施工中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè),2003(S1)：79-82.

The Structure Design Features of Baxizhou Xiangjiang River Bridge

RaoHaigeng,HuaBo,ZhuAnjing

(Wuhan Branch，Northwest Design and Research Institute Co.，Ltd.，of China Municipal Engineering，Wuhan 430056， China)

Abstract：The mechanical property of flying swallow type arch bridge is complex. Taking Baxizhou Xiangjiang River Bridge as the research object, the tied arch and thrust arch structure system are researched and compared in the article. A series of structural measures are designed. The practices show that, thrust arch structure system in the application of the bridge is efficient and the structural measures are effective and reliable. The paper provides new method for the design of flying swallow type arch bridge.

Key words:flying swallow type; arch bridge; thrust arch structure

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.012