作者簡介：林子鑫（1995—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)及技術(shù)管理工作。

摘要：文章以樂業(yè)至望謨高速公路控制性工程樂望紅水河特大橋主橋為例，通過對該橋在初步設(shè)計階段橋型方案進(jìn)行比選，對剝蝕低山丘陵地貌下大跨徑橋梁的橋型比選方法進(jìn)行探討，尋找適于此區(qū)域自然條件的特大型橋梁建設(shè)方案。通過對中承式鋼管混凝土拱橋、雙塔雙索面組合梁斜拉橋、變截面預(yù)應(yīng)力混合連續(xù)剛構(gòu)橋的方案進(jìn)行對比分析，經(jīng)地形地質(zhì)、結(jié)構(gòu)安全性、施工難度、工程造價、施工工期、環(huán)境保護(hù)評價、防洪通航、運營養(yǎng)護(hù)等多方面因素比較，最終確定該橋型為主跨495 m的中承式鋼管混凝土拱橋。

關(guān)鍵詞：山區(qū)大跨徑橋梁；橋型設(shè)計；中承式鋼管混凝土拱橋

中圖分類號：U442.5⁺4

0 引言

樂望紅水河特大橋是樂望高速公路跨越省界紅水河的一座特大橋，地處廣西西北部、云貴高原東南麓，且處于龍灘庫區(qū)內(nèi)，連接廣西樂業(yè)縣和貴州望謨縣，是西部陸海新通道的重要部分。

項目具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、建設(shè)難度大、地形地貌條件復(fù)雜、環(huán)保水保要求高等特點，在橋型方案的選擇上存在較多制約，需要綜合多方面因素對比選擇，確定最優(yōu)設(shè)計方案。

1 主要建設(shè)條件

1.1 設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道高速公路，設(shè)計速度100 km/h，采用公路-Ⅰ級荷載。橋址處為Ⅶ度區(qū)，地震動峰值加速度0.15 g。

1.2 工程地質(zhì)及建設(shè)環(huán)境條件

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，橋址區(qū)巖性為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及其風(fēng)化層，且存在互層情況。紅水河兩岸褶皺發(fā)育，地層層理變化較大。橋址區(qū)未見滑坡、泥石流、大型崩塌、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用，現(xiàn)狀穩(wěn)定，基本適宜橋梁的建設(shè)，但施工便道及平臺建設(shè)具有一定難度。

橋位所在區(qū)域?qū)賱兾g低山丘陵地貌，山嶺高聳峻峭、峰尖坡陡。紅水河河槽呈“U”形，寬度約為350～480 m。山體地形較陡，山體面斜坡度約為15°～45°。地表植被較發(fā)育，山體主要種植經(jīng)濟林。

1.3 通航條件

擬建特大橋位于紅水河蔗香兩江口至曹渡河口航道段，目前橋址所在河段現(xiàn)狀為Ⅳ級航道。根據(jù)規(guī)劃，所在的紅水河段規(guī)劃為Ⅲ級航道，兼顧通航2 000噸級單船標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。通航凈空要求如下：單孔雙向通航時通航孔凈空尺度≥120 m（寬）×10 m（高）。

2 橋型設(shè)計方案

適應(yīng)上述建設(shè)條件的橋型有懸索橋、斜拉橋、拱橋和剛構(gòu)橋等。盡管懸索橋的景觀效果較好，但紅水河河面寬度約為400 m，河水最深約90 m，航道通航要求橋跨＞120 m，400 m級跨徑的懸索橋不是其經(jīng)濟跨徑，且主纜防腐養(yǎng)護(hù)工作量、難度均較大，對其進(jìn)一步研究的價值不高，不再進(jìn)行比選。遂重點對斜拉橋、拱橋、剛構(gòu)橋三種橋型進(jìn)行研究，以選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和孔跨布置。

2.1 連續(xù)剛構(gòu)方案

2.1.1 整體方案（圖1）

本方案擬采用混合梁連續(xù)剛構(gòu)體系來優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)，即采用鋼箱梁在中跨取代混凝土梁段以大大減少橋梁的內(nèi)力及收縮徐變，提高其跨越能力。據(jù)現(xiàn)有資料表明，該新型結(jié)構(gòu)體系適用跨徑為220～400 m，國內(nèi)有多座已建成或在建同類橋梁可供參考。主跨為260 m混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋的方案具有可行性，有可借鑒的成功經(jīng)驗和一定的理論研究基礎(chǔ)，遂作為備選橋型之一。

2.1.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合地形，擬布置跨徑為115+260+115=490 m，其中跨中85 m為鋼箱梁?？缰袖撓淞簡畏鶎?3 m，箱體寬度為6.5 m，梁高按1.6次拋物線變化，范圍在4.362～4.02 m，并分7個梁段進(jìn)行拼接。

主墩上段采用雙肢等截面矩形實體墩，截面尺寸單肢為2.5 m×6.5 m；下段箱形墩，截面尺寸為8.5 m×10 m。主墩臺截面尺寸為43.8 m×22.8 m×6 m，承臺下設(shè)18根樁徑為3 m的樁基，主墩樁基長為70 m和74 m。

2.2 斜拉橋方案

2.2.1 整體方案

橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，擬采用具有重量輕、主梁耐久性能好、基礎(chǔ)規(guī)模較小、抗震性能好等優(yōu)點的組合梁斜拉橋。

因主跨300 m斜拉橋主塔處水深約50 m，深水基礎(chǔ)施工技術(shù)難度大，施工風(fēng)險高，基礎(chǔ)造價增勢較大；主跨450 m斜拉橋主塔位于山坡上，無水上施工風(fēng)險，但貴州側(cè)地形受限，邊跨長度為85 m，邊中跨比為0.189，結(jié)構(gòu)不合理；主跨350 m左右跨徑布置時主塔水深15 m，水上施工難度相對較小，施工風(fēng)險較低，造價適中。因此組合梁斜拉橋方案選擇350 m主跨跨徑。

2.2.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案為主跨350 m雙塔雙索面組合梁斜拉橋，邊跨長度為135 m，邊中跨比0.386。邊跨主梁采用混合式組合梁，同時結(jié)合橋址區(qū)地形條件，將鋼混結(jié)合段位置設(shè)在邊跨側(cè)距橋塔57.9 m位置。

主橋為半漂浮體系，斜拉索為平行鋼絲斜拉索，并由鋼錨梁錨固。主塔采用H形橋塔方案。北塔高為192.6 m，南塔高為200.8 m。承臺截面尺寸為43.8 mm×22.8 mm×6 m，下接群樁基礎(chǔ)，每承臺下設(shè)24根樁徑為2.8 m的樁基，北塔樁基長為55 m，南塔樁基長為90 m。

2.3 拱橋方案

2.3.1 整體方案

該項目兩岸自然坡體穩(wěn)定且坡度在40°～50°，較適合中承式拱橋方案。綜合考慮工程經(jīng)濟性，采用鋼管混凝土拱橋進(jìn)行方案比選較合理。

拱跨為450 m拱橋方案的拱腳標(biāo)高387 m，低于最高通航水位400.29 m，拱腳處鋼管耐久性差，不利于結(jié)構(gòu)受力；本方案的橋面系位于矢高1/3處，建筑景觀效果較差。拱跨為450 m拱橋方案的橋梁長度為465 m，拱跨為480 m拱橋方案的橋梁長度為495 m，兩個方案工程規(guī)模僅相差6%。在綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、景觀效果及工程規(guī)模等因素，拱橋方案采用主跨495 m進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

2.3.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案采用計算跨徑為480 m的中承式鋼管混凝土拱橋，拱軸線采用懸鏈線。矢高120 m，矢跨比f=1/4，拱軸系數(shù)m=1.5，拱腳固結(jié)。

兩岸采用分離式擴大基礎(chǔ)加豎樁、斜樁的方案，平面尺寸均為14.5 m（橫橋向）×34 m（順橋向），高分別為17.476 m和13.516 m。基底呈臺階狀，接3.2 m豎樁和4 m×5 m斜樁基礎(chǔ)，用于提高基礎(chǔ)承載力。

主拱圈為桁架式斷面，高度從拱頂8 m變化到拱腳15 m，肋間設(shè)置橫聯(lián)和斜撐。上、下弦拱肋均采用變厚度鋼管，鋼管直徑1 320 mm，壁厚根據(jù)受力需要包含22 mm、24 mm、28 mm和32 mm四種。鋼管內(nèi)灌注C70高強微膨脹混凝土。拱肋接頭采用內(nèi)法蘭盤栓接，管外進(jìn)行焊接。

鋼格子梁由2道主縱梁、5道次縱梁與主橫梁及4道次橫梁組成，鋼格子梁均采用工字形截面，主縱梁、主橫梁采用Q420qD，其余構(gòu)件采用Q345qD。鋼-混凝土組合橋面板采用C40鋼纖維混凝土，橋面鋪裝為10 cm厚的瀝青混凝土。

3 橋型方案比選

3.1 比選原則

樂望紅水河特大橋作為桂黔兩省共建“門戶”橋梁，其橋型的選擇不僅需要考慮經(jīng)濟性、地形適用性、安全性、技術(shù)可靠性、施工工期、行車舒適性、景觀協(xié)調(diào)性、后期運營養(yǎng)護(hù)等因素，還應(yīng)滿足航道通航的需求，以及龍灘庫區(qū)環(huán)保的現(xiàn)實要求。

綜合以上各橋型初步擬定方案，現(xiàn)就以下三種方案進(jìn)行深入比選，如表1所示。

3.2 經(jīng)濟性比較分析

三個方案的建安費見表2，拱橋、剛構(gòu)橋的造價較低，斜拉橋造價較高，建安費最低的拱橋相比最高的斜拉橋方案節(jié)省約7 246.5萬元，連續(xù)剛構(gòu)橋與拱橋造價相當(dāng)；根據(jù)經(jīng)濟性指標(biāo)可知，即使在同等跨徑下拱橋的造價也優(yōu)于另兩個方案。

3.3 技術(shù)難度及施工過程風(fēng)險預(yù)測

總體上來講，三種橋型均已在我國的橋梁建設(shè)中得到大量應(yīng)用，設(shè)計和施工經(jīng)驗成熟，技術(shù)難度基本可控。近年廣西在大跨徑鋼管混凝土拱橋、斜拉橋的建設(shè)成果頗多，如平南三橋、相思洲大橋。針對本文依托項目，三種橋型均有一定的優(yōu)劣勢，在具體實施過程中將會遇到一定的困難。

（1）結(jié)合“世界第一拱”平南三橋的成功經(jīng)驗，山區(qū)條件較適宜建設(shè)大跨徑鋼管混凝土拱橋，但需要注意的是兩側(cè)岸坡較陡，對纜索吊裝系統(tǒng)特別是塔架的施工提出了較高的要求。廣西岸一側(cè)有村莊，對塔架的地錨、纜風(fēng)繩設(shè)置產(chǎn)生障礙，且拱肋吊裝、斜拉扣掛、索力調(diào)整、拱內(nèi)混凝土灌注質(zhì)量控制難度較大。鋼管混凝土拱橋預(yù)制件較多，具備進(jìn)行平行施工的條件，可大大縮短工期，經(jīng)核算整體建設(shè)工期在32個月左右。

（2）斜拉橋也是一種景觀較好的橋型，350 m的主跨跨徑在同類橋梁中并不突出。但受地形和線位的影響，兩側(cè)主塔高度較高，分別達(dá)到196.2 m和200.8 m，對塔身垂直度控制有較高的要求，可采用現(xiàn)廣泛應(yīng)用的爬模施工。同時，該橋型涉及深水基礎(chǔ)施工，需架設(shè)鋼棧橋和鋼平臺，一側(cè)主墩樁基長達(dá)90 m，成樁質(zhì)量控制難度大，承臺施工需先施作雙壁鋼套箱圍堰，水下封底過程存在安全風(fēng)險。以上幾道工序均需銜接無法做到同步施工，經(jīng)核算工期在36個月。

（3）主跨260 m在連續(xù)剛構(gòu)橋中屬于跨徑較大的，同樣涉及深水基礎(chǔ)施工，需搭設(shè)鋼棧橋和平臺，兩主墩樁基長達(dá)70 m和74 m，施工質(zhì)量控制難度大?？紤]到紅水河為Ⅲ級航道，并兼顧通航2 000噸級單船標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，施工過程對航道通航產(chǎn)生一定影響。另外，混合梁線形控制難度相對傳統(tǒng)剛構(gòu)橋更高，鋼-混結(jié)合段在行車荷載、溫度作用下的耦合情況需開展專題研究?？缰袖撓淞嚎稍诠S預(yù)制，經(jīng)核算工期在33個月左右。

山區(qū)河谷大跨徑橋梁建設(shè)環(huán)境條件復(fù)雜，就施工安全風(fēng)險方面考慮，拱橋主要面臨拱座基坑開挖后岸坡穩(wěn)定及纜索吊裝的風(fēng)險；連續(xù)剛構(gòu)橋主要面臨深水基礎(chǔ)施工和高墩施工的風(fēng)險；斜拉橋主要面臨深水施工和高塔柱施工的風(fēng)險。就該項目而言，水上施工的制約影響因素較多，對項目如期推進(jìn)造成干擾。同時，橋址區(qū)位于地震烈度Ⅶ度區(qū)，抗震性能較好的斜拉橋和鋼管混凝土拱橋更具優(yōu)勢。

3.4 橋梁景觀及行車舒適性

拱橋方案拱軸線形優(yōu)美，景觀效果較好；斜拉橋方案橋塔高聳挺拔、氣勢磅礴，比例合適，景觀效果也較好；連續(xù)剛構(gòu)橋方案造型簡單，景觀效果相對前兩個方案較一般。三者的整體剛度較高，行車較平穩(wěn)舒適。

3.5 運營養(yǎng)護(hù)分析

橋梁兩岸氣候多雨、濕度大、雨熱同季，要求橋梁具備良好的耐久性，且運營養(yǎng)護(hù)難度和費用不能過高。運營期間，拱橋需定期對吊索、拱圈鋼管、鋼格子梁等進(jìn)行維護(hù)，養(yǎng)護(hù)費用較少；連續(xù)剛構(gòu)橋需定期進(jìn)行箱梁、鋼梁維護(hù)，費用較少；斜拉橋需對斜拉索、鋼梁定期維護(hù)，甚至進(jìn)行換索作業(yè)，所需費用較高。

3.6 環(huán)境影響對比分析

紅水河為西江水系重要干流，該段屬于龍灘梯級水電站淹沒庫區(qū)范圍，水質(zhì)功能為灌溉和發(fā)電，兩岸林地為一、二級林地，環(huán)保要求較高。拱橋施工對岸坡的開挖以及砍伐林木會造成水土流失；斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)橋涉及深水基礎(chǔ)施工，水中樁基施工泥漿處理不慎易造成水體污染。相比之下拱橋施工對環(huán)境的影響較小且可控。

4 橋型方案的確定

綜上比選情況，結(jié)合項目實際，選擇地形適用性、經(jīng)濟性、后期運營養(yǎng)護(hù)成本、技術(shù)可行性作為最終確定橋型的重要因素。

（1）選用中承式鋼管混凝土拱橋造價最低。通過經(jīng)濟性比選，拱橋方案建安費最低。拱橋方案相較斜拉橋方案節(jié)約造價7 246.5萬元，經(jīng)濟效益顯著。

（2）最不利情況下拱橋一次更換吊索的工程量在54.7 t，費用在157萬元左右；斜拉橋方案一次更換斜拉索工程量為917.8 t，總花費2 394.3萬元，相比之下對斜拉橋的運營養(yǎng)護(hù)開支巨大，而對拱橋的運營養(yǎng)護(hù)投入則少很多。

（3）剝蝕低山丘陵地貌的河谷兩岸，不論是從結(jié)構(gòu)受力情況還是對岸坡的穩(wěn)定性考慮，該處地形條件非常適合拱橋的建設(shè)。同時，下游天峨龍灘特大橋有現(xiàn)成的鋼結(jié)構(gòu)加工廠可供使用，鋼構(gòu)件的加工和運輸都很方便。在三個方案均具備較高的技術(shù)成熟度的情況下，基于盡量避免水上施工的考慮，可優(yōu)先采用中承式鋼管混凝土拱橋方案。

經(jīng)綜合比選，樂望紅水河特大橋橋型初步設(shè)計最終選用經(jīng)濟性優(yōu)、技術(shù)成熟、造型宏偉、環(huán)境協(xié)調(diào)，且運營養(yǎng)護(hù)成本較低的主跨徑為495 m的中承式鋼管混凝土拱橋方案。

5 結(jié)語

同等跨越條件下，鋼管混凝土拱橋相對于斜拉橋、混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，更經(jīng)濟且易于養(yǎng)護(hù)，是一種經(jīng)濟實用的橋型。

拱橋的跨徑不斷刷新紀(jì)錄，如已建成主跨575 m的平南三橋、在建計算跨徑600 m的天峨龍灘特大橋，建造技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。同時，作為更利于保持庫區(qū)岸坡穩(wěn)定的一種結(jié)構(gòu)形式，鋼管混凝土拱橋在山區(qū)剝蝕低山丘陵地貌的應(yīng)用前景廣闊。

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