潮州市某大跨徑橋梁方案設(shè)計(jì)

劉敏劍

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司）

廣東省潮州市某一級(jí)公路兼城市主干路項(xiàng)目跨越韓江，需建設(shè)大跨徑橋梁。橋位位于韓江彎道處，且城鎮(zhèn)地區(qū)被交道路密布，環(huán)保景觀要求高。橋型方案的選擇應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件、地形地貌、通航、防洪及橋型結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等多個(gè)因素，以確定最優(yōu)的橋梁橋型方案[1]。

1 工程概況

項(xiàng)目建設(shè)條件有如下特點(diǎn)：

⑴橋位在彎道處跨越韓江，并跨越兩岸護(hù)堤路、既有省道（需考慮遠(yuǎn)期拓寬需求）及地方水泥路。主橋小樁號(hào)側(cè)需跨越河堤及堤頂路。大樁號(hào)側(cè)需跨越河堤、省道。省道擬按雙向四車道拓寬，路基寬度為22m；遠(yuǎn)期按雙向六車道預(yù)留，路基寬度為29m。

⑵橋位處河道為規(guī)劃內(nèi)河Ⅳ級(jí)航道，按1000t 級(jí)船舶進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。由于彎道影響，通航要求采用單孔雙向通航方案，通航凈寬不小于123m。

⑶受限于通航、泊船區(qū)域及防洪限制，主橋落墩可選區(qū)域狹小，自由布跨空間小。

⑷場(chǎng)地軟弱土層分布廣泛，可液化土層發(fā)育。軟土厚度較大，約20～30m；基巖起伏較大，全～強(qiáng)風(fēng)化巖埋深約110～120m，未見中風(fēng)化巖。

⑸場(chǎng)地地震烈度較大，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值0.2g。且液化土層發(fā)育，對(duì)抗震不利。

⑹橋位處上下游均設(shè)置泊船區(qū)域，通航及錨泊船舶較多，橋梁防撞及主通航孔布置要求較高。

⑺項(xiàng)目上跨鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)引用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)，需重視橋梁的環(huán)保設(shè)計(jì)。

橋位平面布置見圖1。

圖1 橋位平面圖

2 主跨跨徑擬定

橋梁總體設(shè)計(jì)首先要慎重確定橋梁跨度，特別是主跨的跨度[1]。對(duì)跨越河流的橋梁而言，墩位的選擇是確定主跨跨徑大小的重要條件。

本項(xiàng)目位于城鎮(zhèn)地區(qū)，路網(wǎng)發(fā)達(dá)。本項(xiàng)目跨越韓江及兩岸大堤的堤頂路，現(xiàn)狀堤防通道及既有省道，是連接韓江兩岸的交通要道。橋型方案的布置，必須充分考慮現(xiàn)狀及規(guī)劃道路、河道等因素，且應(yīng)滿足防洪、通航的要求。主要控制性因素如下：

⑴通航：通航是決定主跨跨徑的主要控制因素，橋位處韓江河段為規(guī)劃Ⅳ級(jí)航道，通航凈寬不小于123m，凈高不小于10m。

⑵防洪：防洪要求是墩臺(tái)布置的關(guān)鍵控制性因素，包括橋墩阻水比及距堤腳凈距的要求。

⑶被交道路：被交道路是墩臺(tái)布置的主要控制因素，主橋被交道路包括兩岸堤頂路及省道。且南岸省道同時(shí)期開展省道拓寬初步設(shè)計(jì)。

⑷經(jīng)濟(jì)性原則：橋位處軟弱土層厚度較大，應(yīng)選擇合理的橋型方案，使得上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的總造價(jià)達(dá)到最低。

⑸工期要求：本橋工期較緊，宜采用成熟、快速的橋型及施工方案。

根據(jù)實(shí)測(cè)航跡線及水深圖，習(xí)慣航路靠近河道南岸。但根據(jù)航道主管部門要求，為減小橋墩對(duì)船舶進(jìn)出橋位附近泊船區(qū)域的影響，橋下凈空范圍宜包含現(xiàn)狀習(xí)慣航道，并向北延伸至北岸上下游泊船區(qū)連線的附近區(qū)域。

鑒于橋位位于河道彎道附近，宜采用單孔雙向通航方案。綜合考慮主墩承臺(tái)尺寸、防撞設(shè)施等必要空間，主孔跨徑擬不小于160m。而對(duì)于主跨160m 跨徑，比較有競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)構(gòu)形式有斜拉橋、連續(xù)梁橋、拱橋、自錨式懸索橋等[2]。方案設(shè)計(jì)主要就斜拉橋和連續(xù)梁橋進(jìn)行探討。

3 連續(xù)梁方案

3.1 總體布置

梁橋具有橋型簡(jiǎn)潔明快，結(jié)構(gòu)整體性好，橋面視野開闊，行車視線好；設(shè)計(jì)、施工技術(shù)成熟，安全度高，工程造價(jià)較低，后期養(yǎng)護(hù)容易，維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。梁式橋主孔跨徑取160m，在連續(xù)梁合理經(jīng)濟(jì)的跨徑區(qū)間。連續(xù)梁方案邊跨跨徑布置主要考慮以下控制性因素：

⑴合理的邊中跨比，以確保結(jié)構(gòu)受力合理、方便施工，一般情況下，連續(xù)梁橋邊中跨比取0.52～0.60 較為合適[3]。

⑵根據(jù)防洪要求，橋梁墩柱及承臺(tái)應(yīng)布置在堤防工程設(shè)計(jì)斷面外，一般與堤腳距離宜大于5m。

⑶橋位在韓江南岸上跨護(hù)堤路，及規(guī)劃省道。

綜合上述因素，連續(xù)梁各橋墩布置如下：

⑴主墩2#，3#墩對(duì)稱主航道布置，3#主孔跨徑取160m；

⑵根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，減小主橋長(zhǎng)度，0#墩靠近河堤，1#墩考慮與河堤距離及合理跨徑比例。1#，2#孔跨徑取52+88m；

⑶4# 墩靠近河堤布置，4# 孔跨徑取100m 是合適的；

⑷為減小5#孔跨徑，同時(shí)考慮與4#孔合理的跨徑比例，需要將5#墩布置于規(guī)劃省道范圍內(nèi)。規(guī)劃省道需局部繞行。

⑸考慮預(yù)留省道規(guī)劃寬度，需增加一跨，跨徑61m。

綜上，連續(xù)梁橋跨徑布置為：

52+88+160+100+72+61m。

3.2 結(jié)構(gòu)體系比選

3.2.1 連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)比選

梁橋常用的結(jié)構(gòu)形式主要有連續(xù)箱梁或連續(xù)剛構(gòu)。連續(xù)剛構(gòu)采用墩梁固結(jié)體系，橋墩可以分配墩頂一部分彎矩，提高了豎向剛度，減小了主跨墩頂及跨中內(nèi)力，省去了主墩處支座，避免大噸位支座的養(yǎng)護(hù)和更換，省去后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。但本項(xiàng)目主墩墩高較矮，約為13m，且處于高烈度地震區(qū)，橋墩剛度大，地震響應(yīng)大，剛構(gòu)橋方案不合適。而連續(xù)箱梁體系可以通過設(shè)置減隔震措施大大降低下部結(jié)構(gòu)地震力[4]，減小下部結(jié)構(gòu)尺寸及配筋，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，推薦采用連續(xù)梁方案。

3.2.2 分聯(lián)比選

本項(xiàng)目主橋聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，為532m?？刹捎? 孔一聯(lián)方案或4 孔+2 孔分聯(lián)方案。分聯(lián)方案除在4#墩墩頂處設(shè)置伸縮縫外，其他部位單聯(lián)方案與分聯(lián)方案上部箱梁構(gòu)造基本一致，詳見圖2。

圖2 分聯(lián)方案與單聯(lián)方案箱梁立面示意

分聯(lián)方案兩聯(lián)施工相對(duì)獨(dú)立，增加工作面，不會(huì)因等待合攏造成工期延長(zhǎng)，可縮短施工工期；且減少了掛籃數(shù)量，經(jīng)濟(jì)性也較好。因此，從施工臨時(shí)措施及施工工期角度考慮，分聯(lián)方案均優(yōu)于單聯(lián)方案。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)方案的靜動(dòng)力性能，采用Midas Civil 2019 有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。兩種方案的構(gòu)造尺寸除4#墩墩頂外，其他部位尺寸一致。預(yù)應(yīng)力鋼束以保證墩頂及跨中等關(guān)鍵截面的壓應(yīng)力儲(chǔ)備為原則。分別選取3#跨跨中合攏段，4#墩墩頂附近關(guān)鍵截面，計(jì)算結(jié)果見表1。分聯(lián)方案關(guān)鍵截面壓應(yīng)力儲(chǔ)備優(yōu)于單聯(lián)方案。

表1 分聯(lián)方案與單聯(lián)方案關(guān)鍵截面壓應(yīng)力

抗震性能方面，兩種方案的質(zhì)量分布和剛度相差不大，僅邊界條件在4#墩處有所區(qū)分。分聯(lián)方案在2#墩和5#墩處設(shè)置固定支座，單聯(lián)方案在3#墩處設(shè)置固定支座。在E1 地震作用下，固定支座剪斷前，水平地震力均分配至固定支座墩。因此，單聯(lián)方案支座剪斷力必然小于分聯(lián)方案剪斷力。根據(jù)Midas 軟件計(jì)算結(jié)果，單聯(lián)方案固定支座宜在0.5E1 作用時(shí)剪斷，分聯(lián)方案固定支座宜在0.75E1 作用時(shí)剪斷。因此，分聯(lián)方案抗震性能優(yōu)于單聯(lián)方案，可避免固定支座在較小地震下被剪斷。

綜上所述，分聯(lián)方案在施工便捷性、施工經(jīng)濟(jì)性、靜力受力性能及抗震性能上均優(yōu)于單聯(lián)方案。故連續(xù)梁方案推薦采用分聯(lián)方案。

3.3 連續(xù)梁方案簡(jiǎn)述

第一聯(lián)160m 主跨根部9.6m，高跨比為1/16.67，跨中4m，高跨比為1/40；考慮視覺協(xié)調(diào)性，第二聯(lián)4#墩墩頂箱梁根部6m，高跨比為1/12。梁底曲線按2 次拋物線變厚度。見圖3。

圖3 連續(xù)梁方案總體布置圖

支座及阻尼系統(tǒng)采用縱向速度型粘滯阻尼器+單向摩擦擺減隔震系列球形支座。

主梁邊跨采用滿堂支架施工，懸澆段采用掛籃懸澆施工。

4 斜拉橋方案

4.1 總體布置

斜拉橋跨越能力大，可以適應(yīng)高地震烈度區(qū)結(jié)構(gòu)的受力。斜拉橋方案布跨可以發(fā)揮斜拉橋跨越能力大的優(yōu)點(diǎn)，適當(dāng)加大跨徑，使主墩避開深水區(qū)，從而減小施工難度和費(fèi)用，減少水中落墩及承臺(tái)基礎(chǔ)阻水率，同時(shí)對(duì)通航安全也有利。根據(jù)通航凈空要求、墩臺(tái)距離坡腳的凈距要求、以及被交路的情況，并結(jié)合斜拉橋合理邊中跨比要求，斜拉橋方案主孔跨徑采用260m，邊跨取115m，邊中跨比0.45[5]。該方案規(guī)劃省道可維持原規(guī)劃較為順直的線型，線型指標(biāo)更好，且減少拆遷。

經(jīng)上述分析，斜拉橋跨徑取115+260+115=490m。

4.2 斜拉橋方案簡(jiǎn)述

斜拉橋采用雙塔半漂浮體系，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土等高π 形梁斷面，梁高取等高2.2m。

索塔根據(jù)地方文化特色采用花瓶型橋塔。

斜拉索采用平行鋼絲斜拉索。斜拉索布置在主梁兩側(cè)，塔根附近無索區(qū)長(zhǎng)度為29m，主跨跨中無索區(qū)長(zhǎng)度為7m，邊跨無索區(qū)長(zhǎng)度為4.2m，梁上標(biāo)準(zhǔn)索距8m，塔上索距1.5～2.0m。見圖4。減隔震體系采用球形支座配縱、橫向阻尼器。

圖4 斜拉橋方案總體布置圖

對(duì)于主梁，采用邊、主跨主梁對(duì)稱掛籃懸澆施工。

4.3 斜拉橋方案抗震分析

采用有限元分析軟件Midas Civil 2019 建立斜拉橋方案空間有限元模型，見圖5 斜拉橋有限元模型。利用空間梁?jiǎn)卧M主梁、主塔和墩柱，利用空間桿單元模擬斜拉索。主橋的非線性動(dòng)力模型主要考慮了活動(dòng)支座縱向滑動(dòng)摩擦效應(yīng)，粘滯阻尼器縱向限位耗能作用，彈塑性阻尼器橫向滯回耗能效應(yīng)?；顒?dòng)支座縱橋向和橫橋向的摩擦效應(yīng)可以近似采用理想彈塑性連接單元進(jìn)行模擬，縱橋向在每個(gè)塔梁處采用4 個(gè)粘滯阻尼器（全橋8 個(gè)），每個(gè)過渡墩處采用2 個(gè)粘滯阻尼器（全橋4個(gè)），粘滯阻尼器是提供運(yùn)動(dòng)阻力、耗減運(yùn)動(dòng)能量以及約束結(jié)構(gòu)位移的裝置。橫橋向采用鋼阻尼器，彈塑性阻尼器采用理想彈塑性連接單元進(jìn)行模擬，屈服后阻尼器進(jìn)入彈塑性[6]。塔底的承臺(tái)和過渡墩底承臺(tái)采用樁柱墩臺(tái)空間計(jì)算軟件（R&BSoft PCF）計(jì)算群樁基礎(chǔ)的等效剛度，施加節(jié)點(diǎn)彈性連接，以近似考慮樁土相互作用。

圖5 斜拉橋有限元模型

E2 地震作用下，通過非線性時(shí)程分析，可得到各橋塔及邊墩關(guān)鍵截面地震響應(yīng)。對(duì)主塔、橋墩各關(guān)鍵截面及對(duì)應(yīng)最不利單樁進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表2～表5 所示。

表2 E2 地震作用下（縱向輸入）橋塔各關(guān)鍵截面抗震驗(yàn)算

表3 E2 地震作用下（橫向輸入）橋塔各關(guān)鍵截面抗震驗(yàn)算

表4 E2 地震作用下（縱向輸入）各樁基最不利單樁截面抗震驗(yàn)算

表5 E2 地震作用下（橫向輸入）各樁基最不利單樁截面抗震驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，斜拉橋在E2 作用下橋塔、樁基關(guān)鍵截面承載能力均能滿足要求，且有較大富裕度。斜拉橋方案抗震性能較好。

5 橋型方案綜合比選

本項(xiàng)目橋位條件復(fù)雜，受限因素多，斜拉橋方案布置簡(jiǎn)潔，落墩少，可保持省道按原規(guī)劃較為順直布設(shè)，避免連續(xù)梁方案河堤堤腳處落墩的繞避?？傮w布置方面，斜拉橋優(yōu)于連續(xù)梁?，F(xiàn)從技術(shù)、施工、通航防洪、景觀效果及經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比選，詳見表6。

表6 橋型方案比較

綜上，斜拉橋造價(jià)略高，但在總體布置、對(duì)通航防洪影響、施工及景觀方面更優(yōu)，因此本項(xiàng)目推薦斜拉橋方案。

6 結(jié)論

通過對(duì)城鎮(zhèn)地區(qū)大跨徑橋梁的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

⑴橋梁跨徑和結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、通航防洪、施工、景觀以及社會(huì)綜合效益。特別是對(duì)于城鎮(zhèn)地區(qū)，路網(wǎng)發(fā)達(dá)，線位選擇及跨徑布置應(yīng)重視下穿道路的避讓。

⑵橋梁主跨跨徑的選擇應(yīng)結(jié)合建設(shè)條件、橋位控制性因素、橋型方案綜合確定。

⑶連續(xù)梁橋應(yīng)選擇合適的邊中跨比。對(duì)于地震烈度較高區(qū)域，應(yīng)控制連續(xù)梁聯(lián)長(zhǎng)。

對(duì)于本項(xiàng)目，由于韓江、航道及韓江南岸省道的影響，連續(xù)梁橋方案落墩位置不理想，且需要規(guī)劃省道路線對(duì)本橋墩位進(jìn)行繞避。斜拉橋方案布置簡(jiǎn)潔，落墩少，可保持省道按原規(guī)劃較為順直布設(shè)，從景觀效果、通航防洪、施工工期等方面，斜拉橋均有優(yōu)勢(shì)，因此本項(xiàng)目推薦斜拉橋方案。