黃雨忠， 向陽

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京市 100097)

1 工程概況

1.1 項目概況

S232沙地至三岔段改擴建工程地處湖北省西南地區(qū)，位于清江以南，鶴峰縣以北區(qū)域。項目區(qū)位于湖北省恩施州恩施市境內(nèi)，起點位于恩施市沙地鄉(xiāng)鄭家臺，與S232恩施市鴉鵲水至沙地段改擴建工程順接；終點位于恩施市三岔鎮(zhèn)，上跨S233省道，與S232恩施市三岔至石心河段改擴建工程順接，路線總長約25.4 km。

1.2 自然地理概況

(1) 地形、地貌。項目區(qū)為構(gòu)造溶蝕低中山地貌，橫越東南流向清江河岸。橋位展線段自然地面標高為480～680 m，橋位展線橫向剖面高低起伏，縱向坡面亦有變化，沙地岸坡處于一西北向凹坡凹槽帶，岸坡地形陡峭，自然地面坡度為35°～45°，坡面植被以喬木及灌木為主；三岔岸坡處于一東北向凹坡凹槽帶，岸坡地形陡峭，自然地面坡度為25°～35°，坡面植被以喬木及灌木為主。橋位2 km以內(nèi)，無可通行車輛道路，交通閉塞。

(2) 工程地質(zhì)特征。橋位區(qū)地層結(jié)構(gòu)相對簡單，兩岸岸坡淺表分布薄層種植土，斜坡地帶分布第四系殘坡積碎石土，基巖為三疊系、嘉陵江組灰?guī)r，局部段見巖溶作用，未發(fā)現(xiàn)大型發(fā)育溶洞。

(3) 氣候。月平均最高氣溫為27.7 ℃，月平均最低氣溫為2 ℃；年平均降水量為1 000～1 079 mm；年平均風速為2.0～3.4 m/s，設(shè)計基本風速為24.8 m/s。

(4) 水文。項目區(qū)位于清江中游河谷北岸，地表水系為清江及其支流南里渡河。橋梁位于南里渡河庫區(qū)，距離下游老渡口水電站約4 km，水庫正常蓄水位為480.0 m。

2 設(shè)計技術(shù)標準

(1) 公路等級：二級公路，設(shè)計車速：40 km/h。

(2) 設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級，人群2.5 kN/m2。

(3) 抗震設(shè)防標準：該區(qū)地震動峰值加速度為0.05g。

(4) 橋面寬度：0.5 m(護欄)+2 m(側(cè)向?qū)挾?+2×3.5 m(行車道)+2 m(側(cè)向?qū)挾?+0.5 m(護欄)=12 m。

(5) 設(shè)計洪水頻率：1/100，該橋跨越深谷，洪水不控制設(shè)計。

(6) 通航等級：無通航。

3 總體設(shè)計

橋位處屬于深切V形峽谷地貌，地形陡峻，兩岸陡崖間距離約200 m，距離水面高度約178 m。三沙大橋的建設(shè)條件有4個特點：跨度大、地質(zhì)條件好、道路等級低、景觀要求不突出。適用于此跨度橋梁類型有梁式橋、拱橋、索橋。梁橋方案，跨度偏大，需要配置邊跨，不經(jīng)濟，不推薦采用。同時，因該橋道路等級較低，資金不足，養(yǎng)護和技術(shù)條件有限，因此，拱橋是最為切合該項目建設(shè)條件的選擇。

由于地方交通主管部門對鋼結(jié)構(gòu)拱橋養(yǎng)護詬病較多，鋼拱橋也不適宜在該工程中選用。綜上因素，最終三沙大橋采用鋼筋混凝土拱橋方案，一跨跨越南里渡河。

橋位地處老渡口水電站上游，橋下無通航需求，庫區(qū)水位遠低于橋面標高?？傮w布置主要受地形因素控制，根據(jù)橋位地形地貌條件，巖石卸荷裂隙帶發(fā)育情況、巖溶發(fā)育程度等地質(zhì)條件，適當增加拱座埋深，確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定。全橋長758.5 m，全橋跨徑組合為8×30 m預應(yīng)力混凝土T梁+15×15.5 m鋼筋混凝土拱橋+9×30 m預應(yīng)力混凝土T梁，采用0.5%的單向縱坡，主橋凈跨為220 m，起拱標高為602.156 m。主橋長232.5 m，引橋長526 m。大橋總體布置見圖1。

圖1 三沙大橋橋跨總體布置圖(單位:m)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1) 主拱圈設(shè)計

拱圈為鋼筋混凝土箱形截面，凈跨度L0=220 m、凈矢高f0=45 m、凈矢跨比f0/L0=l/4.889，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.85。拱圈為單箱雙室截面，高3.8 m，高跨比為1/57.9，橋?qū)挒?.4 m，為滿足勁性骨架布置，拱圈設(shè)置0.2 m×0.2 m外倒角，0.65 m×0.45 m內(nèi)倒角。拱圈標準截面頂、底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m，從拱腳至第二根立柱間設(shè)置線性漸變段。頂、底板厚度由1.0 m線性漸變至0.4 m，腹板厚度由1.0 m線性漸變至0.5 m。立柱下設(shè)置一道0.5 m橫隔板，立柱間設(shè)置一道0.3 m橫隔板。主拱圈構(gòu)造布置見圖2。

圖2 三沙大橋主拱圈構(gòu)造布置圖(單位:cm)

(2) 主拱勁性骨架

勁性骨架橫向由3片桁架組成，鋼材為Q345D。桁架上、下弦桿采用φ402 mm×25 mm鋼管，內(nèi)灌C50微膨脹混凝土。上、下平聯(lián)及橫撐為[20a槽鋼，為了有利于腹板混凝土澆筑，腹桿采用由4肢∠100 mm×10 mm等邊角鋼焊接組成的H型鋼。弦桿與腹桿、上、下平聯(lián)及橫撐均采用焊接連接。

勁性骨架弦桿各吊段之間接頭采用外法蘭連接，外法蘭由16顆M24螺栓組成。拱頂合龍段采用4片抱箍與定位馬板采用螺栓連接。拱腳段通過在拱座內(nèi)預埋稍大的鋼管，骨架插入預埋管內(nèi)形成鉸(圖3)。

圖3 三沙大橋勁性骨架布置圖(單位:mm)

(3) 拱上建筑

拱上立柱墊梁厚度以短邊0.9 m控制，保證立柱鋼筋的錨固長度。

拱上立柱采用雙方柱式，其中1#～6#、9#～14#立柱截面尺寸為1.3 m×1.1 m(縱橋向×橫橋向)。立柱高度大于10 m時，設(shè)置柱系梁，系梁截面尺寸采用0.8 m×1.0 m(縱橋向×豎向)。

7#、8#立柱高度較矮，采用實體橫墻，尺寸為0.8 m×7.9 m(縱橋向×橫橋向)。橫墻直接與拱圈連接，不設(shè)墊梁，設(shè)置通達拱頂?shù)臋z修孔。

立柱蓋梁，采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，蓋梁底面水平，頂面設(shè)置雙向2%橫坡，蓋梁寬1.5 m，中心線處梁高1.305 m。

(4) 行車道梁

拱上行車道梁，采用15孔15.5 m的后張法預應(yīng)力混凝土T梁，先簡支后橋面連續(xù)。預制T梁高1.3 m，梁距2.45 m，每孔布置5片T梁。

(5) 拱座及交界墩

兩岸設(shè)置鋼筋混凝土階梯形拱座，沙地岸拱座為12.5 m×13.0 m×10.0 m，三岔岸拱座為15.0 m×13.0 m×13.0 m，拱座混凝土等級為C40，拱座基礎(chǔ)置于穩(wěn)定的、完整的中風化灰?guī)r上?；A(chǔ)計算考慮拱座背面基巖的支撐作用，要求地基底面承載力容許值[fa]≥1.3 MPa，背面地基承載力容許值[fa]≥1.0 MPa。拱座基礎(chǔ)邊緣距離臨空面不小于5 m，拱座底面嵌入基巖面不小于2.5 m，拱座除臨空面支立模板外，其余面均不立模以保證混凝土澆筑時與巖面緊密貼合。

交界墩為2.2 m×6.5 m的板式墩，蓋梁高2.45 m。交界墩直接設(shè)置在拱座上，后期可作為施工過程中纜索吊裝系統(tǒng)的支點。

(6) 引橋

引橋上部結(jié)構(gòu)，為30 m跨徑先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，橫向5片T梁，梁高2.0 m。

引橋橋墩，采用雙柱圓形墩，基礎(chǔ)為嵌巖樁基礎(chǔ)，橋臺為U形臺。

5 勁性骨架法施工

(1) 勁性骨架節(jié)段安裝

勁性骨架采用纜索吊裝拼裝，纜索吊裝體系由扣掛體系和吊裝體系組成，該橋為扣吊合一?？鬯黧w系包括錨碇、錨索、張拉端、扣索及扣點5大結(jié)構(gòu)部分，吊裝體系包括主索、起重索、風纜、地錨等結(jié)構(gòu)部分。該橋采用扣吊合一體系，在交界墩上設(shè)置扣塔，從兩拱腳對稱地往河中進行骨架節(jié)段拼裝。

(2) 鋼管混凝土澆筑

勁性骨架拼裝完成后，拆除扣索，灌注管內(nèi)混凝土。從兩拱腳向拱頂對稱地頂升完成，按先灌注下弦桿后灌注上弦桿順序，依次完成管內(nèi)混凝土施工。最后對管內(nèi)混凝土密實度進行超聲檢測。

(3) 拱圈澆筑

拱圈混凝土的澆筑采用“三環(huán)六工作面”的澆筑方式(圖4)。即把拱圈橫斷面劃分成底板一環(huán)，腹板一環(huán)，頂板一環(huán)。沿橋梁的縱向分為6個同時施工的大工作面，先兩岸對稱澆筑底板，再施工腹板，最后施工頂板。

圖4 三沙大橋拱圈混凝土澆筑順序圖(單位:m)

6 三沙大橋關(guān)鍵技術(shù)問題

6.1 勁性骨架線形控制

骨架線形控制參照鋼管混凝土拱橋線形控制規(guī)定，主拱制造線形等于主拱設(shè)計線形加預拱度；主拱成拱線形等于主拱制造線形與空鋼管成拱后一次落架的自重撓度之差。也就是說，纜索吊裝合龍后，解除扣索，骨架的變形等于空鋼管一次落架的變形，即為控制目標。骨架線形控制采用零位移法，控制每個拉索扣點截面的豎向變形為0，使合龍前扣點截面達到平直狀態(tài)，得到的變形、內(nèi)力狀態(tài)與骨架一次成拱的狀態(tài)接近。

6.2 勁性骨架安全控制

中國建成的大跨度拱橋在澆筑拱圈混凝土過程中采用過水箱加載法、索力調(diào)整法、多工作面法。

無論采用哪種方法加載，最終的目標均是以骨架施工過程中的安全為控制目標，主要包括：骨架撓度均勻變化、骨架內(nèi)力均勻變化、骨架施工階段穩(wěn)定系數(shù)及骨架結(jié)構(gòu)強度(圖5、6)。

圖6 拱圈混凝土加載關(guān)鍵截面彎矩歷程曲線(1/8截面下弦骨架)

“三環(huán)六工作面”法基本實現(xiàn)了骨架變形達到緩慢下降的目標，僅拱頂、3/8跨附近出現(xiàn)了較大變形波動，出現(xiàn)的時機為底板最后一段混凝土澆筑時?？赏ㄟ^減小同時加載的步長，調(diào)整子步的澆筑順序，減小變形波動幅度解決。

三沙大橋通過增加骨架弦桿壁厚，調(diào)整腹桿布置間距等措施，控制施工階段最小線彈性穩(wěn)定系數(shù)為7.44。

通過計算表明：勁性骨架拱橋最危險的階段，是在底板混凝土澆筑過程中，而且是底板合龍子步混凝土未達到齡期的時刻?；炷吝_到齡期后，整個結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，就能得到極大的提高。

勁性骨架應(yīng)力控制以施工階段控制骨架應(yīng)力小于鋼材設(shè)計值，運營階段控制骨架應(yīng)力小于屈服強度為目標。骨架最大應(yīng)力發(fā)生的下弦桿1/8跨，施工階段最大壓應(yīng)力為217.8 MPa，運營階段最大壓應(yīng)力為328 MPa。

6.3 勁性骨架拱橋極限承載力

勁性骨架拱橋承載能力分析，有兩種方法：① 不考慮骨架參與作用，按鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件計算；② 考慮骨架對承載能力貢獻，該法為四川省基于試驗提出的半經(jīng)驗半理論公式?？紤]拱圈外包混凝土與骨架的復合受力效應(yīng)，不考慮兩者的組合作用，其偏壓承載力簡化公式如下：

Nuo=Nrc+Ncft

(1)

式中：Nuo為主拱圈截面的承載力；Nrc為鋼筋混凝土主拱計算承載能力(不含骨架)；Ncft為鋼管混凝土骨架承載能力(不考慮鋼筋混凝土)。

三沙大橋采用方法①進行承載能力設(shè)計，同時采用方法②進行承載能力復核，確保結(jié)構(gòu)在安全的前提下，不過于浪費。

7 結(jié)語

三沙大橋采用鋼管混凝土勁性骨架法成拱技術(shù)，為該類工法在大跨度橋梁中的運用又推進了一步。勁性骨架法修建的拱橋，在設(shè)計過程中尤其要注意骨架的線形控制、骨架的安全控制，確保施工過程中的安全。鋼筋混凝土箱形拱橋養(yǎng)護簡單，后期病害較少、造價較低，特別適合于深切V形峽谷地貌，在山區(qū)峽谷橋梁中已成為有競爭力的橋型方案。