何 琴,顧 昊,張紅艷
(1.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇 南京 210022)
新孟河延伸拓浚工程因平地開河或河道拓浚破壞原有道路交通,故新建、拆建橋梁恢復交通。其中新孟河工程運河以北段一般跨河橋梁19 座。橋梁方案除受水利、航道等行業(yè)要求外,還與現狀道路規(guī)模、周邊構筑物的情況密切相關。如何合理確定跨河橋的總體方案,對恢復改善既有交通、順利推進主體工程建設、減少周邊環(huán)境影響和降低工程造價等都有著非常重要的作用。通過對工程實施過程中考慮到的各種因素進行梳理、分析和總結,指導后續(xù)工程運營管理,為類似工程提供參考。
(1)橋梁荷載標準:公路-I 級、城A 級。
(2)橋梁設計洪水頻率及對應水位:1/100(6.44 m)。
(3)抗震烈度:地震基本烈度7 度,地震動加速度峰值為0.10g。
(4)航道要求:VI 級航道,最高通航水位5.63 m,最低通航水位2.75 m。
橋梁方案的確定與需河道拓浚后的河道設計成果、航道要求、周邊場地情況密切相關。
在現有跨河橋梁中,水中設置墩柱的情況比較普遍,特別是在水域寬闊的天然河道上[1]。新孟河為VI 級航道,其橋跨布置需結合航道要求,同時考慮水中墩柱防撞設計,確保橋梁、船舶安全。
本工程河道底寬80 m,口寬根據河道所在段用地、周邊構筑物情況采用116~126.4 m。設計河道典型斷面之一如圖1 所示。
圖1 設計河道典型斷面之一
結合河道設計口寬及橋軸線與河道中心交角,周邊地形條件,新建的銀山橋、三茅殿大橋橋位處地形標高較低,橋梁總長385 m,小河橋143.16 m,東風橋180 m,其余橋梁總長140 m??鐝骄唧w布置需結合航道要求等進一步選定。
通航影響評價報告根據《內河通航標準》(GB 50139—2014)的相關規(guī)定,跨河橋梁最小通航凈空綜合考慮航道、現狀、規(guī)劃、功能定位,貨運量預測、項目功能等情況,結合航道水流條件、設計船型及周邊臨、跨河建筑物情況[2],沿線橋梁多采用雙孔單向通航,每孔凈空尺度不小于25×4.5 m,橋軸線法線與設計航道中心線交角較大的東風橋、三茅殿橋、銀山橋凈寬不小于30 m。單孔雙向通航的小河橋與下游江宜高速公路橋對孔布置,通航尺度為70 m×4.5 m。
根據航道要求及橋軸線法線與設計航道中心線交角情況,各橋梁通航孔跨徑見表1。
表1 橋梁通航孔跨徑選擇
非通航孔跨徑結合橋梁總長進行配跨。
小河橋考慮橋墩及防船撞設施尺寸,按通航凈空尺度要求,主跨不小于82 m。適合82 m 本跨徑的常用橋型有變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁、下承式鋼管混凝土拱橋、鋼桁架梁橋等。
結合橋頭西側現狀道路、東側現狀政泰路標高和沿線構筑物分布,本工程需考慮建筑高度較低的橋型,變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁結構高度在可供選擇的橋型中最高,難以采用;根據以往類似工程鋼桁架梁橋造價高,故基于減少橋梁工程規(guī)模和總投資,本工程推薦采用下承式鋼管混凝土拱橋。
(1)拱肋橫向布置方案
小河橋所在道路橫斷面布置為3(人行道)+24(車行道)+3(人行道)=30 m,如考慮直接在機動車外側設置兩片拱肋,橫梁高度大,增加了既有橫向道路改造范圍及橋頭現有建筑物的拆遷,設計對拱肋橫向布置進行比選,見表2。
表2 拱肋布置方案比選
綜上,綜合拆建、對周邊居民出行影響、經濟性,采用三片拱肋布置。
(2)拱肋截面形狀的比選
荷載在邊拱和中間拱的分配比例不同,考慮結構受力不同和三片拱變形協調需要,邊拱肋和中拱肋截面應該不同。目前對三片拱的截面主要采用啞鈴型或矩形,其特點見表3。
表3 拱肋截面形式的比選
綜上,小河橋采用三片拱鋼管混凝土系桿拱橋,拱肋采用矩形截面。實施方案采用三片拱肋的鋼管混凝土下承式拱橋,如圖2 所示。
圖2 小河橋成橋圖
其他跨河橋梁跨徑介于20~45 m,結合經濟比選、地方要求采用裝配式預應力混凝土小箱梁,先簡支后結構連續(xù)方案,效果圖如圖3 所示。
該航段的航道規(guī)劃等級為Ⅵ級,以拖帶船隊作為設計船型[3],參數見表4。
表4 設計船型采用表
船舶撞擊作用設計值根據航評報告建議按300 t船舶考慮;荷載按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60-2015)[4]取用,見表5。
表5 內河船舶撞擊作用設計值
防船撞設施一般分為主動防船撞設施和被動防船撞設施,其中結構型防船撞設施是近年來發(fā)展較快的一種被動防船撞設施。
以往針對各座橋梁常僅設置橋涵標、橋柱燈、橋名牌等,本工程根據航道要求沿線一并設置了側面標、管線標、航道信息提示牌、橋梁警告提示牌等警示標志或安全監(jiān)控預警設施等主動防船撞設施。
復合材料防船撞設施在防船撞消能、使用壽命、施工難易、耐腐蝕性、后期養(yǎng)護、對船體影響等方面均具有較強的優(yōu)勢,是近年來結構性防船撞設施中使用較多的一類,本工程結合經濟因素,從消能方式、能量吸收方式、優(yōu)劣等方面對橡膠護舷和復合材料防撞護舷進行了梳理[5],見表6。
表6 防船撞設施對比分析表
本工程復合材料防撞設施厚0.3 m,兩側共占用通航凈寬0.6 m,且實設凈寬均能滿足航評要求。防撞設施構造及安裝后的成果如圖4 所示。
圖4 復合材料防撞護舷橋梁
本工程利用Patran 軟件建立船橋碰撞有限元模型,定義模型材料屬性、載荷、速度、約束等條件,對典型橋梁在VI 級航道100 t 船舶噸級進行有限元分析。
撞擊工況采用滿載下高水位正撞,撞擊速度為1.67 m/s,未安裝復合材料防撞設施有限元分析結果見表7。
安裝復合材料防撞設施后船舶撞擊力及設防效果見表8。
表8 復合材料防撞設施設防效果分析表
根據以上分析結果,0.3 m 厚的復合材料防撞設施能夠滿足規(guī)劃VI 級航道通行100 t 級船舶的防撞性能要求。
跨新孟河航道橋梁較多,橋梁方案的確定涉及交通、市政、航道等行業(yè)主管部門,以及地形、地物、用地、周邊構筑物的影響。本工程的順利實施,其經驗對類似工程具有較高的參考借鑒作用。
在運營過程中,應加強對過往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實施有效監(jiān)控,確保在既定的標準內通行,防止船撞橋事件的發(fā)生。同時,定期對橋梁進行巡視和維護,以增加橋梁的運行狀況的動態(tài)了解,降低船撞事故發(fā)生的風險。