淺談御河大橋設計與研究

孫增雄

（山西省大同市公路建設辦公室，山西 大同 037005）

大同古長城旅游公路橫貫大同市天鎮(zhèn)縣、陽高縣、南郊區(qū)、新榮區(qū)、左云縣5個縣區(qū)，路線全長250.981 km，是《山西省農(nóng)村旅游公路建設規(guī)劃（2016—2020年）》的重要組成部分，是大同市農(nóng)村公路扶貧重點項目，是精準扶貧和脫貧致富的惠民工程，受到了山西省交通運輸廳和大同市委、市政府的高度重視。項目實施對于發(fā)掘長城歷史文化的深厚底蘊，建設文化旅游產(chǎn)業(yè)基地，對提高沿線城鎮(zhèn)村民生活水平、全面建成小康社會具有重大意義。

1 御河大橋概況

御河跨鐵路大橋位于大同古長城旅游公路段內(nèi)，路線屬于山嶺重丘區(qū)，橋址處河谷深切、溝壑縱橫、地形地質(zhì)條件極其復雜，該橋是全線的咽喉和主要控制性工程。

御河跨鐵路大橋是大同古長城旅游公路中的一座公鐵立交橋，為跨越御河及大同至準格爾鐵路而設，橋址位于大同市新榮區(qū)祁皇墓村東北1 000 m處。中心樁號為K118+669.13，右前夾角90°，與大準鐵路交叉里程為K24+010，公鐵軸線交角86°,橋址路線平面見表1[1]。

表1 橋位處路線平面技術(shù)指標表

大同古長城旅游公路是一條三、四級公路，御河大橋設在直線段，路線縱坡為上坡2.4%。橋面橫坡2%，全橋?qū)挾?.5 m，雙向兩車道，橋面按整幅設置，大橋全長488.08 m，最大橋高49.75 m，是大同古長城旅游公路中橋墩最高、橋梁最長的大橋。橋址處地形見圖1所示。

圖1 橋位平面示意圖

1.1 地形地貌

橋址位于黃土覆蓋的中低山河谷區(qū)，沿主河槽橫向布設，跨越河床、漫灘、階地、低山地貌單元，橋位南岸為低山地貌，漫灘地勢起伏不大，地形平緩，呈U字型寬谷，河寬約435 m。溝底覆蓋有稍密砂、礫卵石，水草豐盛，地表水豐富；變質(zhì)巖低中山為基巖陡坡，地勢起伏較大，沖溝切割劇烈，沖刷嚴重。東側(cè)谷坡陡峻，基巖裸露，兩側(cè)橋臺均位于斜坡基巖上。兩側(cè)橋臺至谷底相對高差約51 m。

1.2 河段特征及水文情況

御河是桑干河的主干支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)豐鎮(zhèn)市西北陽坡子，河流由北向南，流經(jīng)豐鎮(zhèn)市新城灣鎮(zhèn)南，在內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)稱為飲馬河；穿過古長城后，從新榮區(qū)堡子灣鄉(xiāng)鎮(zhèn)羌堡流入山西省大同市境內(nèi)，在山西省境內(nèi)稱之為御河。流經(jīng)孤山、小南頭、在大同縣吉家莊匯入桑干河，屬于海河流域永定河水系。

河床屬山區(qū)穩(wěn)定性河段，灘槽分明，河道基本垂直，岸線較為規(guī)則，勘察時，河道內(nèi)有常流水，水深0.6～1.5 m，流水橫斷面寬度30～50 m。橋址上游主流全長78.1 km。流域面積為2 529.3 km2，設計洪水頻率1/100，洪水流量為1 425 m3/s。

1.3 氣象

新榮區(qū)域內(nèi)年平均降雨量391.6 mm，年平均氣溫6.5℃，一月份平均氣溫-5.9℃，七月份平均氣溫24.4℃，極端高氣溫 37.7℃，極端低氣溫-29.1℃，無霜期90～130 d，最大凍土深度1.71 m。

1.4 工程地質(zhì)

經(jīng)鉆探地調(diào)揭示，橋址處地層由第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積物、上更新統(tǒng)（Q3）洪積物和下太古界集寧群下白窯組（Ar1x）變質(zhì)巖組成，局部有第四系全新統(tǒng)雜填土。Q4地層分布于谷底表層及沖溝底部，巖性為雜填土和砂、礫石，雜填土主要為鐵路路基碎石，顆粒成分以花崗巖、玄武巖為主；粉砂褐黃色、松散，潮濕-飽和；圓礫，雜色稍密結(jié)構(gòu)，潮濕飽和狀態(tài)，顆粒成分以片麻巖、花崗巖為主，一般粒徑0.2～6 cm，最大粒徑12 cm，砂類土充填，含有卵石。Q3地層巖性為圓礫，主要分布在山谷坡側(cè)，中密結(jié)構(gòu)，稍濕-潮濕狀態(tài)，顆粒成分以片麻巖、花崗巖為主，一般粒徑0.2～7 cm，砂類土充填，含卵石，局部分布。下太古界集寧群下白窯組（Ar1x），地層巖性為強-中風化片麻巖、花崗巖、麻粒巖等，褐灰色、淺肉紅色，粒狀多晶體結(jié)構(gòu)，片麻狀塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖蕊呈塊狀、柱狀，最長30 m，局部較破碎。

2 技術(shù)標準

a）行車速度 20 km/h；

b）設計荷載 公路-Ⅱ級；

c）設計洪水頻率 1/100；

d）橋面寬度 凈7.5+2×0.5 m防撞墻；

e）地震基本烈度 Ⅶ度，按Ⅷ級地震設防，地震動峰值加速度為0.15g；

f）安全等級 一級；g）環(huán)境類別 Ⅱ類[2]。

3 橋梁設計

3.1 橋型設計

上部結(jié)構(gòu)采用12-40 m預應力混凝土連續(xù)T梁，橋梁長度488.08 m，共分4聯(lián)，橋面連續(xù)采用3孔一聯(lián)，每聯(lián)長度120 m。其中：3號、6號、9號橋墩頂，均設RBKF-160伸縮縫，0號、12號橋臺設RBKF-80伸縮縫。

下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩和變截面矩形實心墩，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，重力式U型橋臺，雙層擴大基礎(chǔ)。見圖2所示。

圖2 橋型布置示意圖

3.2 T梁構(gòu)造及預應力分析

根據(jù)路基標準橫斷面擬定橋梁斷面，橋梁橫向布置4片T梁（2片邊梁+2片中梁），梁高2.5 m，橋面2%橫坡通過蓋梁橫坡形成。采用單獨預制，簡支安裝，現(xiàn)場澆筑橫向濕接縫的施工方法。T梁跨中及端支點處梁底寬度均采用0.60 m，外懸臂寬度采用0.70 m。中梁頂寬采用 1.70 m，邊梁頂寬采用1.85 m。T梁兩端設置端橫梁，跨中設置中橫梁，通過現(xiàn)澆部分連接。連續(xù)端通過墩頂現(xiàn)澆段連接；T梁橫向設0.466 m寬的濕接縫，采用C50現(xiàn)澆混凝土連接。T梁為全預應力混凝土結(jié)構(gòu)，預應力鋼束采用抗拉強度標準值 fpk=1 860 MPa，公稱直徑 d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線，張拉控制應力δcon=0.75fpk，單股張拉控制應力 p=193.9 kN，R=1 395 MPa。結(jié)構(gòu)體系為先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，按全預應力構(gòu)件設計。T梁結(jié)構(gòu)尺寸及預應力鋼束布置，見圖 3所示[1]。

圖3 T梁及預應力束分布示意圖

3.3 預應力的選擇

T梁預應力正彎矩鋼束采用15-7型、15-8型、15-9型系列錨具及其配件,預應力管道采用金屬波紋管；預制梁在墩頂處的負彎矩鋼束，采用BM15-4型錨具及配件,預應力束管道采用扁形金屬波紋管,且要求鋼波紋扁管鋼帶厚度不小于0.35 mm。

4 結(jié)構(gòu)設計

a）因橋梁處于平面直線段，T梁上部結(jié)構(gòu)計算采用了平面桿系有限元程序QJX進行分析，橫向分配系數(shù)按剛接梁法計算，其計算精度足夠要求，并利用Midas軟件，采用梁格法進行了驗算。其中橋面板分別按單向板和懸臂板進行計算。設計荷載主要考慮了恒載、活載，同時考慮溫度升降、溫度梯度、墩臺支座沉降等因素。結(jié)構(gòu)計算分別對各施工階段和使用階段進行了全面的分析，驗算了結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的受力，并驗算了結(jié)構(gòu)應力。控制結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)×作用效應的組合設計最大值均小于等于構(gòu)件承載力設計值；控制設計內(nèi)力，確保橋梁在使用階段上部結(jié)構(gòu)的混凝土不出現(xiàn)拉應力，短暫狀況最大法向壓應力不大于18.144 MPa，持久狀況最大壓應力不大于16.2 MPa。

b）橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩采用圓柱式墩及變截面實心墩。其中3～7號橋墩采用變截面實心墩，墩頂設蓋梁，長度為8.1 m，寬度為2.4 m，蓋梁高1.8 m。墩身厚度為2.2 m，頂部寬度為4.0 m，底部寬度按1∶150的坡度隨高度遞增，最高橋墩高度達45.0 m。基礎(chǔ)采用承臺接群樁基礎(chǔ)，承臺采用尺寸為長度6.5 m、寬度6.5 m、高度3.0 m的C30混凝土整體式承臺；基礎(chǔ)采用4根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。其余橋墩均采用圓柱式橋墩，其中1號、11號橋墩直徑1.5 m，2號、9號橋墩直徑2.0 m，對應不同的墩柱直徑，樁基分別采用直徑為1.6 m及2.2 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。0號、12號橋臺采用重力式U型橋臺，設2×1.0 m雙層擴大基礎(chǔ)。橋梁橫斷面及下部墩臺構(gòu)造見圖4所示[3]。

圖4 橋梁橫斷面及橋墩示意圖

御河大橋位于Ⅶ度地震區(qū),最大橋高為49.75 m，橋梁屬于高墩大跨結(jié)構(gòu)，根據(jù)《公路抗震設計系規(guī)范》中反應譜法計算地震力。鉆孔灌注樁橋墩基礎(chǔ)，按“m”法計算樁身內(nèi)力。

5 結(jié)語

考慮到地形和地質(zhì)條件的復雜程度，山區(qū)旅游公路的橋梁設計應結(jié)合地形特點，突破常規(guī)的計算模式。應根據(jù)地形條件以及路線填高等合理確定橋型方案，以達到安全、經(jīng)濟、適用的目的，同時兼顧造型優(yōu)美、外形流暢、比例協(xié)調(diào)等美學特點。橋梁設計時，還需要注意以下幾個問題：

對于涉及鐵路橋梁，在橋梁跨越鐵路時，要滿足橋下鐵路的凈高、凈空要求，在被交鐵路兩側(cè)設置必要的防撞墻，以保證橋墩安全；對鐵路開挖坡面進行噴C15混凝土防護，厚度10 cm。對鐵路運營造成影響范圍，采用硬隔離防護；上跨鐵路部分孔跨應設置綜合排水設施將橋面排水引至橋下；橋梁跨越鐵路的孔跨橋面外側(cè)應按《鐵路工程設計防火規(guī)范》（TB 10063—2007）設置防拋網(wǎng)，防拋網(wǎng)頂高出車行道頂面2.2 m，以防止車輛拋落物影響橋下鐵路的運營安全。

當橋梁跨越變遷的河流段時，應重視導流壩、防洪堤、橋墩防撞墻等導流設施的設置，防止橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷過大，危及橋梁安全。

橋頭位于不良地質(zhì)段落，土體容易坍塌，應采取足夠的防護措施，以防止垮塌土體對橋墩造成砸壞與推斜影響[1]。