賈亞光

摘要 鄭洛高速后寺河特大橋跨越V形峽谷，地勢起伏較大，溝深谷陡，自然坡度40～85°。綜合考慮地形、地質(zhì)、水文等條件，選取梁橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋等多種橋型進(jìn)行比選，最終確定采用2×193 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。主梁采用肋板式混凝土主梁，索塔采用“A”型混凝土索塔，拉索采用平行鋼絲成品索，基礎(chǔ)采用嵌巖樁基礎(chǔ)。工程采取前支點(diǎn)掛籃懸臂施工方案，運(yùn)用有限元軟件對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，橋梁方案的設(shè)計(jì)構(gòu)思可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 V形峽谷；獨(dú)塔斜拉橋；曲線梁；高墩

中圖分類號 U442.5+3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0099-03

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和路網(wǎng)密度的不斷提升，高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐步向山區(qū)延伸。山區(qū)的地形地質(zhì)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為地形高差大、沖溝發(fā)育、溝深谷陡，巖溶、滑坡、不穩(wěn)定邊坡、崩塌落石、陡崖、采空區(qū)等不良地質(zhì)。山區(qū)橋梁的方案是否合理可行，將直接影響整個項(xiàng)目的工程質(zhì)量。由于高速公路線性指標(biāo)高、環(huán)保要求高，為跨越山區(qū)深切峽谷，通常需要設(shè)置高墩大跨度橋梁，而橋梁方案的選擇要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、施工條件、環(huán)保要求等多種要素，對梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各種橋型進(jìn)行充分比選，進(jìn)而確定出最為適宜的橋型方案。

1 工程概況

后寺河特大橋是鄭洛高速控制性工程，位于鞏義市東南約5 km處后寺河水庫下游。橋位處屬典型“V型”河谷，起終點(diǎn)分別和應(yīng)天寨隧道（約350 m）、青龍山隧道（約2.3 km）銜接，無路基段過渡。橋高110 m左右。因長隧道須采用分離式斷面，該橋相應(yīng)采用分幅布置，單幅橋面凈寬15.5 m，兩幅間凈距約37 m。受兩岸地形及隧道布設(shè)限制，該橋平面位于R=3 600 m的圓曲線上。橋位處地形地貌如圖1所示。

2 主要建設(shè)條件

2.1 工程地質(zhì)

橋位區(qū)地貌單元屬中起伏中低山地貌，地形起伏較大，河谷兩側(cè)為陡坡巖壁。小里程橋臺的自然坡度為40～50°，大里程橋臺的自然坡度為70～85°，兩岸里程橋臺淺表層為強(qiáng)—中風(fēng)化灰?guī)r基巖出露，大里程橋臺坡體巖層豎向節(jié)理發(fā)育，易出現(xiàn)小型崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 水文

該橋跨越后寺河，位于后寺河水庫下游約600 m處。后寺河屬黃河流域伊洛河支流，主河槽緊貼大樁號側(cè)山體，河槽寬35 m，河道300年一遇設(shè)計(jì)流量為1 076 m3/s，設(shè)計(jì)水位為274.93 m。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①公路等級：雙向六車道高速公路，路基寬度34.5 m。②設(shè)計(jì)速度：100 km/h。③汽車荷載等級：公路－Ⅰ級。④設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。⑤抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：鄭州站基本風(fēng)速V10=26.9 m/s，風(fēng)場場地地表類別為D類，換算到橋位的基本風(fēng)速為15.17 m/s，主梁成橋狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速28.7 m/s，主梁施工狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速25.2 m/s，橋塔成橋狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速33.9 m/s。⑥抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)防烈度Ⅶ度（0.1 g），主橋設(shè)防類別A類，引橋設(shè)防類別B類，抗震措施等級三級。主橋E1地震作用采用100年超越概率10%，E2地震作用采用100年超越概率4%。

4 總體方案

4.1 該橋跨徑布置的限制因素

①地形復(fù)雜，橋梁布跨主要受地形限制。橋梁兩側(cè)均直接與隧道連接，施工條件受限。溝底道路路況較好，具備一定的運(yùn)輸條件。②大里程側(cè)坡體較陡，且坡體豎向節(jié)理裂隙較為發(fā)育，存在崩塌落石風(fēng)險(xiǎn)。橋墩布設(shè)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大樁號側(cè)坡腳。③因后寺河行洪需要，橋墩應(yīng)避開河道布設(shè)。

4.2 適用性比選

從橋長、跨徑等技術(shù)角度分析，梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋等均可行。下面對各種橋型的適用性予以比選。

4.2.1 梁橋方案

受兩岸地形限制，兩岸山坡陡峭、坡體破碎，無法布墩，橋墩需要布置在谷底，因此適宜做成T構(gòu)。目前國內(nèi)混凝土T構(gòu)的最大跨徑為132 m，而該橋T構(gòu)的布跨需要做到193 m，采用混凝土梁是不可行的，需采用鋼—混凝土混合梁[1]，但存在懸臂過長、鋼混結(jié)合段受力復(fù)雜、鋼梁吊裝困難等問題，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和施工難度較大。

4.2.2 拱橋方案

考慮V形河谷地形和橋面位置，拱橋采用上承式拱橋，跨徑為180 m，但存在如下問題：

①大樁號側(cè)巖體破碎，拱腳布設(shè)存在邊坡穩(wěn)定性問題。②大樁號拱腳難以到達(dá)，且需先行架設(shè)纜索吊、扣塔等臨時(shí)設(shè)施，施工條件較差。

4.2.3 懸索橋方案

傳統(tǒng)地錨式雙塔懸索橋，主纜跨徑達(dá)640 m，經(jīng)濟(jì)性差，且橋面與纜索高差大。考慮采用單跨自錨體系，但存在如下問題：

①大樁號側(cè)自錨體運(yùn)輸、吊裝缺乏條件，施工困難。②橋面分幅設(shè)置，經(jīng)濟(jì)性差，橋面窄抗風(fēng)穩(wěn)定性差。③平面為R=3 600 m圓曲線，單幅需要加寬橋面4.5 m。

4.2.4 斜拉橋方案

結(jié)合該橋的建設(shè)條件，為便于施工并減少對兩岸山體擾動，索塔布設(shè)于谷底，兩岸邊坡不再設(shè)置橋墩，采用主跨193 m獨(dú)塔斜拉橋。

綜上所述，該橋推薦采用經(jīng)濟(jì)性好、景觀效果好、對山體擾動小、施工便捷的獨(dú)塔斜拉橋方案。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該橋采用分幅設(shè)計(jì)，左幅總長387 m，橋跨布置為2×193 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋；右幅總長417 m，橋跨布置為30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁+2×193 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。

采用墩塔梁固結(jié)體系，不設(shè)輔助墩。單幅橋面全寬為19.5 m，為1.46 m（拉索錨固區(qū)）＋0.54 m（護(hù)欄）+15.5 m（行車道）+0.54 m（護(hù)欄）＋1.46 m（拉索錨固區(qū)）。主塔縱向?yàn)閱沃?，橋面以上塔柱橫向?yàn)锳型塔，主梁采用肋板式混凝土主梁，斜拉索采用平行鋼絲成品索。

5.1 主梁設(shè)計(jì)

基于該橋的跨徑及橋?qū)?，主梁對混凝土梁和鋼混組合梁進(jìn)行比選[2]。從受力角度，采用組合梁，主梁自重可減少48%，考慮護(hù)欄等二期荷載重量后，主梁自重減少39%，但因該橋索塔高度高、地質(zhì)條件好，主梁總體占比較小，對主塔及規(guī)模影響較小。從抗風(fēng)性能角度，混凝土主梁自重大、阻尼比高，具有更優(yōu)的動風(fēng)性能。從施工角度，混凝土主梁施工誤差容許度高，易糾偏。從經(jīng)濟(jì)性角度，混凝土主梁可節(jié)省造價(jià)約15%。因此，主梁采用混凝土主梁。

主梁采用肋板式混凝土主梁，梁高2.4 m，橋面寬19.5 m，肋板中心距（即橫向索距）18 m；主梁梁肋寬度為變化值，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁肋寬度為1.8 m，靠近橋塔和邊支點(diǎn)附近線性過渡加厚，橋塔處肋寬由1.8 m漸變至2.5 m，邊支點(diǎn)處由1.8 m漸變至2.8 m。

主梁頂板寬19.5 m，厚0.28 m，設(shè)單向橫坡2%；橫梁順橋向間距4 m，高度2.0 m，厚度0.3 m，橫梁均設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼絞線。主塔與主梁連接處固結(jié)。

主梁0號塊長18 m，采用墩頂拖架現(xiàn)澆；懸澆段采用前支點(diǎn)掛籃施工，共22個8 m梁段，合龍段2 m，邊跨現(xiàn)澆段5.7 m。

5.2 索塔設(shè)計(jì)

索塔是斜拉橋的重要構(gòu)件，除在結(jié)構(gòu)受力上至關(guān)重要外，也是橋梁景觀中的關(guān)鍵因素[3]，其造型往往是視覺的焦點(diǎn)，結(jié)合該橋墩高、曲線特點(diǎn)，索塔橋面以上橫向采用“A”型索塔以提高橫向受扭性能[4]，橋面以下為獨(dú)柱式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高為207.5 m（左幅）、211 m（右幅）。索塔下塔柱自承臺頂至下、中塔柱轉(zhuǎn)折點(diǎn)為91.5 m（左幅）、95 m（右幅），下塔柱橫橋向的斜率為1∶50，順橋向斜率為1∶40；中塔柱從中、下塔柱轉(zhuǎn)折點(diǎn)至橋面中心，高度為20 m，上塔柱從橋面中心至塔頂，高度為93 m，縱橋向豎直向上，橫橋向內(nèi)收呈A字形。

由于該橋位于平曲線上，恒載作用下索塔橫向即存在較大的不平衡彎矩[5]，因此采取了索塔中塔柱橫向軸線偏移的構(gòu)造措施，即在中塔柱20 m高度范圍內(nèi)索塔軸線向曲線內(nèi)側(cè)偏移60 cm，此時(shí)恒載下索塔塔底截面橫向彎矩減少約50%。

塔柱采用矩形空心截面。下塔柱在順橋向?qū)挾扔伤椎?1.075 m（左幅）、11.25 m（右幅）按直線變化到6.5 m，橫向?qū)挾扔伤椎?3.66 m（左幅）、13.8 m（右幅）按直線變化到10.0 m，壁厚為1.30 m（順橋向）和1.5 m（橫橋向）。中塔柱順橋向?qū)挾葹?.5 m，橫向?qū)挾扔芍兴椎?0 m按直線變化到橫梁中心處的26.01 m，變化高度17.3 m，而后截面收窄至橋面中心處的25.49 m，變化高度2.7 m，壁厚為1.30 m（順橋向）和2.5 m（橫橋向）。上塔柱的斷面3.5 m（橫橋向）×6.5（順橋向），壁厚為1.20 m（順橋向）和0.80 m（橫橋向）。

在上塔柱錨索區(qū)，塔柱內(nèi)壁設(shè)置拉索錨塊。為平衡斜拉索的水平分力，在錨索區(qū)范圍內(nèi)布置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束。

塔柱共設(shè)上、下兩道橫梁，為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其中下橫梁也屬中塔柱的一部分。上橫梁采用箱形斷面，上橫梁斷面外輪廓尺寸為4 m（高）×5.3 m（寬），在四角設(shè)置半徑為0.3 m的圓角。下橫梁斷面輪廓尺寸為5 m（高）×6.5 m（寬），頂、底板壁厚1 m，兩側(cè)板壁厚1.3 m。上下橫梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

索塔承臺平面尺寸為24.6 m（橫橋向）×20.4 m（順橋向），厚度為6 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，索塔下布置30根直徑為2.0 m的鉆孔樁，為嵌巖樁，樁長25 m。

5.3 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用平行鋼絲成品索，扇形索面。單幅橋共22對，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距8.0 m，塔軸線處拉索間距1.7 m。斜拉索在主梁上采用梁底齒塊錨固，在索塔上采用側(cè)壁齒塊錨固，張拉端設(shè)置在塔端。

6 計(jì)算分析

6.1 計(jì)算模型

應(yīng)用Midas Civil軟件建立有限元模型，主梁和索塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，全橋共劃分為433個單元，435個節(jié)點(diǎn)。主要劃分為以下施工階段：

階段1：基礎(chǔ)、索塔及0號塊施工。

階段2：主梁1～23號塊懸臂澆筑及掛索張拉施工。

階段3：主梁合攏。

階段4：成橋調(diào)索。

階段5：施工二期。

6.2 主要計(jì)算結(jié)果

6.2.1 主梁

主梁撓度采用有限元方法計(jì)算，車輛荷載應(yīng)采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0。主梁跨中汽車荷載作用下計(jì)算撓度為172 mm

386 mm，滿足規(guī)范要求。

在承載能力極限狀態(tài)最不利荷載作用下，主梁最大彎矩發(fā)生在1/4跨附近，為153 894 kN·m<承載力設(shè)計(jì)值227 425 kN·m，主梁最大剪力發(fā)生在邊支點(diǎn)處，為14 213 kN

<承載力設(shè)計(jì)值29 089 kN，均滿足規(guī)范要求。

在正常使用極限狀態(tài)最不利荷載作用下，主梁上緣最大應(yīng)力?0.34 MPa，下緣最大應(yīng)力?0.15 MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；主梁下緣最小應(yīng)力?17.6 MPa，下緣最大應(yīng)力?17.5 MPa，均滿足規(guī)范要求。

6.2.2 索塔

選取最不利荷載工況驗(yàn)算索塔截面承載力，即恒載+溫度+汽車荷載+W1風(fēng)和恒載+溫度+W2風(fēng)的最大值。根據(jù)索塔截面變化情況，自下而上選取6個截面進(jìn)行驗(yàn)算，各截面的基本組合下內(nèi)力及承載力如表1所示，均滿足規(guī)范要求。

6.2.3 斜拉索

承載能力極限狀態(tài)最大應(yīng)力出現(xiàn)在15號拉索，為964 MPa<1 005 MPa，滿足規(guī)范要求。

6.3 整體穩(wěn)定性分析

相比于成橋狀態(tài)，施工最大雙懸臂狀態(tài)更為不利，穩(wěn)定性分析考慮恒載+風(fēng)荷載工況，一階失穩(wěn)模態(tài)為索塔縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為9.1，滿足要求。

6.4 抗風(fēng)性能分析

該橋穿越V形峽谷地貌且橋面距地面約110 m，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能是控制性因素之一。風(fēng)荷載響應(yīng)時(shí)域分析表明，成橋狀態(tài)主梁最大豎向位移為9.46 cm，橋塔塔頂最大橫橋向位移為17.9 cm。

通過對橋面行車風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，大橋風(fēng)天安全通行風(fēng)速僅有6級風(fēng)，考慮合適的風(fēng)障工程措施后，可以將上游橋面?zhèn)绕Х€(wěn)臨界狀態(tài)對應(yīng)的10 m高度標(biāo)準(zhǔn)氣象站風(fēng)速從原來的7級風(fēng)提升為9級風(fēng)，提升了兩個等級。

7 結(jié)語

山區(qū)V形峽谷地形橋梁的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地形、地質(zhì)、水文等建設(shè)條件，基于經(jīng)濟(jì)性、施工難度、景觀、環(huán)保、后期維養(yǎng)等方面進(jìn)行多橋型綜合比選，最終確定經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷、景觀優(yōu)美的橋型方案[6]。鄭洛高速后寺河特大橋采用主跨193 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主梁采用肋板式混凝土主梁，懸臂澆筑施工。大橋已于2023年2月開工建設(shè)，目前索塔下部基樁已施工完畢，預(yù)計(jì)2025年建成通車。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧文中， 代彤. 重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋總體設(shè)計(jì)[J]. 橋梁建設(shè)， 2006（6）： 28-32.

[2]邵長宇. 索承式組合結(jié)構(gòu)橋梁[M]. 北京：人民交通出版社， 2017.

[3]楊鴻波， 張秋信， 楊健， 等. 平塘特大橋總體設(shè)計(jì)[J]. 公路， 2019（9）： 8-12.

[4]宗昕， 吳游宇. 斜拉橋A形塔的建造要點(diǎn)[J]. 中外公路， 2009（4）： 128-129.

[5]汪子涵. π型主梁曲線斜拉橋若干設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2017.

[6]王小飛， 張杰， 周繼， 等. 山區(qū)鐵路跨越V形峽谷橋梁方案比選研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2022（3）： 89-94.