大安嫩江大橋主橋設計

楊 忠

（吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021）

1 工程概況

省道大通公路為吉林省省級公路網擬調整方案中的一條縱線，是大安市、通榆縣、通遼市相互連接、貫通吉林省西部的運輸通道。本項目的建設將吉林省西北部地區與黑龍江省西部地區和內蒙古自治區東部地區有效地連接，構建了一條貫通黑、吉、蒙的快捷通道，對振興東北老工業基地及吉、黑兩省西部及內蒙古東部地區經濟發展具有重要意義。

大安嫩江大橋為本項目的重要節點工程，位于吉林省大安市，地處松嫩平原腹地，屬于嫩江下游河段，距離松花江入河口48 km，橋位處匯水面積22.171 5 萬 km2。

橋址下游282 m處為大安港，大安港位于大安市境內的嫩江右岸，是吉林省最大的內河港口，也是國家一類口岸。

橋位位于通遼—讓胡路鐵路橋與大安港之間，距離鐵路橋230 m，平行鐵路橋布置。

結合鐵路及大安港凈距要求、通航及防洪要求，最終主橋采用（70+2×120+700）m預應力混凝土半剛構連續箱梁。

2 設計技術標準

a）道路等級 設計速度80 km/h一級公路標準。

b）設計荷載 公路-Ⅰ級。

c）設計洪水頻率 特大橋1/300。

d）橋面橫坡 單向橫坡，同路面橫坡。

e）橋梁寬度 主線橋梁采用上下行分離斷面，半幅橋寬為11.75 m（0.50 m+凈-10.75 m+0.50 m）。

f）通航標準 Ⅳ級航道，通航船型尺度為：138 m（長）×11 m（寬）×2.3 m（型深）×1.4 m（設計吃水）。航道尺度為水深1.6 m，單向通航凈空50 m×8 m。設計最低通航水位131.99 m，設計最高通航水位124.36 m。

g）抗震設防標準 地震基本烈度值為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.1g。

h）環境類別 Ⅱ類。

3 自然條件

3.1 橋位區域工程地質

橋址區位于松嫩沖積平原中部，呈典型的平原河谷地貌。上部地層主要為上更新統及全新統河流沖洪積物，下伏為第三系上新統砂巖、泥巖，層序較連續、穩定，地質條件較簡單。

地下水對混凝土具有弱腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性；地表水對混凝土具有中腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具有弱腐蝕性。

橋址區河槽至河漫灘范圍內飽和砂土存在地震液化現象，液化深度3.0～13.0 m。

3.2 水文條件

嫩江水量的補給以降雨、融雪為主,徑流量年內分配過程明顯地反映出隨季節變化的特征。

橋位位于通遼—讓胡路鐵路下游230 m，距離上游河灣彎頂2.3 km，距離下游河灣彎頂1.78 km。橋址處主槽流向和河流的總趨勢一致，河道較窄、主槽流量較大，河道順直、穩定。南岸（起點岸）河灘地勢較高，形成陡砍；北岸（終點岸）為寬灘，斷面開闊，橋位處兩岸堤距離8 100 m，屬平原區寬灘性河段。洪水期主河槽水深約17 m，河灘水深l～5 m，枯水期河灘干枯留下月形水泡、沼洼、蓄洪溝渠。設計流量：22 100 m3/s；設計水位：134.89 m。

3.3 氣象條件

大安市地屬中溫帶季風氣候，四季分明。春季干燥多大風；夏季炎熱、降水集中；秋季涼爽溫差大；冬季少雪、漫長寒冷。氣象資料見表1。

表1 氣象資料

3.4 地震

依據國家地震局和建設部發布的《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，吉林省地震局與吉林省建設廳編制的《吉林省地震動參數區劃工作圖》，橋位處地震烈度為Ⅶ度。

《大安嫩江大橋工程場地地震安全性評價報告》確定了橋址場地的地震動特性，并確定了不同超越概率下對應不同阻尼比的地震動參數和設計反應譜。

4 總體設計原則

a）本項目為國家扶貧資金資助項目，橋型選擇在滿足“技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟合理”的前提下，盡量選擇經濟指標較優的設計方案。

b）主橋在滿足通航、防洪等功能要求的前提下，不僅要考慮施工技術成熟、結構受力合理，而且要考慮結構可修復性、可施工性、可管養性和可持續性。

c）重視全壽命周期成本，根據本橋跨徑不大的特點，主梁以預應力混凝土材料為主，不采用后期養護成本較高的鋼梁方案。

d）重視環保，盡量減少對橋下及橋兩側植被的破壞，使橋梁與周圍景觀相融合；重視對沿線水環境的保護，橋梁范圍內的排水通過設置完善的橋面徑流收集系統，將橋面徑流收集后沿縱向排放至兩岸橋頭設置的蒸發池，處理達標后排放，并將蒸發池作為危險品事故泄露的應急蓄毒池；重視抗震設計，選擇抗震性能較好的橋型結構，確保橋梁安全；重視橋梁景觀設計，并考慮施工方便和有利于后期養護。

上述條件是選擇適當的橋梁結構形式及構件類型的基本依據。

5 結構設計

5.1 上部設計

主橋上部結構形式為預應力混凝土半剛構連續箱形梁，其橋孔布置為（70＋2×120＋70）m。橫斷面為兩幅分離的單箱單室斷面，單幅箱梁全寬11.75 m，橋面橫坡由箱梁頂板自傾形成。主橋縱向設在凸形豎曲線內，箱梁縱向為變截面；主墩墩頂箱梁梁高7.00 m，跨中及邊跨支點箱梁梁高3.00 m，1～11號及0號塊部分箱梁梁高按1.8次拋物線變化，其余箱梁梁高為等高度；頂板、腹板厚為分段線性變截面；1～11號塊底板厚按1.8次拋物線變化，0號塊底板厚為分段線性變截面，12號塊底板為等厚。箱梁0號塊長度12.00 m，懸澆段長度52.50 m，共分12塊，每塊長度3.75 m或4.50 m，中孔合攏段長度3.00 m，邊孔合攏段長度1.50 m，邊孔支架現澆段長度9.92 m。箱梁除墩頂設置橫隔板外，邊孔、中孔合攏段各設一塊橫隔板。

主梁按全預應力構件設計，采用縱、橫、豎三向預應力體系。橫向、豎向預應力鋼束順橋向間距為75 cm。頂板橫橋向預應力鋼束采用單端張拉，張拉端、錨固端交錯布置，左右幅張拉端及錨固端對應設置。

5.2 上部分析

a）主橋設計采用“橋梁博士”計算程序進行縱向結構內力及強度計算分析，并通過施工階段計算，驗算各階段及各工況的內力、應力及變形。采用“Midas”計算程序對結構計算進行復算。主要計算參數如下：混凝土容重γ=26 kN/m3，預應力鋼絞線孔道摩阻系數μ=0.20，孔道偏差系數k=0.001 5，錨具變形及鋼筋回縮6 mm。

b）縱向受力分析中在施工階段考慮以下荷載：恒載、預應力效應、混凝土的收縮及徐變、施工荷載；在成橋運營階段考慮以下荷載：汽車荷載、溫度荷載、支座沉降。其中溫度荷載中計入體系升溫30℃，體系降溫55℃，主梁頂板豎向梯度溫度T1=14.0℃，T2=5.5℃。

c）計算時空氣相對濕度按70%考慮，考慮基礎變位2.5 cm。

d）施工階段考慮以下工況：兩側梁段混凝土重量相差1/2標準梁段重，主梁不均勻性（單T一側按理論重力的1.025，另一側按理論重力的0.975），主梁最大懸臂狀態兩側的豎向風荷載。

e）主橋橫向分析以平面桿系理論，采用橋梁博士計算。在縱橋向橋跨跨中取1 m單位長度平面框架，活載采用橫向加載進行橫向結構分析。

f）本橋航道等級為四級，橫橋向船舶撞擊力為550 kN，順橋向船舶撞擊力為450 kN，船舶撞擊力遠小于地震力，不控制設計。

5.3 下部設計

主引橋過渡墩設4根（1.8×1.8）m的矩形柱式墩，基礎為雙排直徑2.0 m鉆孔灌注樁，樁頂設2.5 m厚承臺，橋墩及承臺設置破冰體。

主橋主墩為厚度2.0 m雙薄壁式墩，兩薄壁中心距7.0 m。基礎為3排直徑2.0 m鉆孔樁，樁頂設3.0 m厚承臺，2、3號橋墩及承臺設置破冰體。

中間橋墩與主梁固接，橋臺、其他橋墩梁墩（臺）之間設置支座。為使橋墩在橫向地震作用下多個橋墩共同承擔上部結構的地震力，橋臺、非固結橋墩設置橫橋向混凝土擋塊。

5.4 附屬設施設計

a）主引橋過渡墩、橋臺支座采用JQZ（Ⅰ）3.5 MN球型支座，非固結橋墩支座采用JQZ（Ⅰ）20 MN球型支座。

b）0號臺處設置KF320型單元式多向變位梳形板伸縮裝置，4號橋墩墩處設置KF400型單元式多向變位梳形板。

c）兩側均采用SA級四橫梁金屬梁柱式護欄。

6 抗震設計

橋位地區地震基本烈度為Ⅶ度區，該段宏觀上具備砂土液化趨勢，大安市區有關工程地質勘察資料表明本區可液化深度3～13 m，液化程度屬輕微—中等。

主橋為B類非規則橋梁，E1地震作用下，采用多振型反應譜法進行抗震分析，結構阻尼比5%；E2地震作用下采用非線性時程分析方法進行抗震分析，采用瑞利阻尼，地震輸入根據地震安評結果采用一般沖刷線處反應譜和時程。

主橋動力特性分析采用有限元通用程序Midas Civil進行分析。

a）主梁、橋墩均離散為空間的梁單元。

b）二期恒載采用分布質量模擬。

c）承臺采用集中質量進行模擬。

d）采用承臺底6個自由度彈簧剛度模擬樁土相互作用。

e）E1反應譜分析時固結橋墩模擬為與主梁固結，其余主墩和邊墩橫橋向與主梁鉸接，縱橋向自由滑動。

f）E2非線性時程分析模型縱橋向固結橋墩與主梁固結，其余主墩和邊墩與主梁之間采用滑動支座單元考慮滑動支座的動摩擦作用，固結墩按延性構件考慮，采用纖維單元模擬，滑動墩按彈性構件考慮。

g）E2非線性時程分析模型橫橋向固結橋墩與主梁固結，其余主墩和邊墩與主梁之間以鉸接模擬擋塊作用，各橋墩均按彈性構件設計，不考慮延性，但考慮構件開裂后剛度折減效應。

7 橋梁耐久性設計及措施

結構耐久性設計是確保在設計基準期內結構能夠正常運營的重要保護屏障。基于結構耐久性設計的新設計理念認為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設計、施工、運營和維護各個階段共同努力的結果。結構設計應做到可修性、可換性、可強性、可控性及可持續性，保證結構在設計壽命期內的服務功能。

7.1 環境類別及作用等級

根據橋梁所處的地理位置、氣候條件等因素，確定混凝土結構所處環境類別主要為Ⅰ（碳化環境）、Ⅱ（凍融破壞環境）、Ⅳ（氯鹽環境）、Ⅴ1（化學腐蝕環境）。各橋梁部位采用環境類別見表2。

表2 環境類別表

7.2 混凝土耐久性指標

混凝土的耐久性指標指混凝土的抗裂性、護筋性、耐蝕性、抗凍性、耐磨性及抗堿-骨料反應性等。根據結構的設計使用年限、所處的環境類別及作用等級，確定耐久性指標，見表3。

表3 耐久性指標表

7.3 耐久性構造措施

a）提高混凝土質量。

b）控制氯離子含量。

c）提高橋梁防水、防凍功能。

d）橋梁伸縮裝置預留槽、護欄底座采用C50防腐蝕混凝土。

e）橋梁護欄底座、伸縮裝置預留槽混凝土表面采用異丁基三乙氧基硅烷浸漬處理。

f）上部結構采用高性能混凝土。

g）地表水及地下水化學腐蝕作用等級為Ⅴ1-D級，采取對抗的措施。

（a）承臺、墩身主筋保護層厚度采用凈5 cm。

（b）承臺、墩身采用C45混凝土。

（c）位于主河道中的2～4號橋墩在標高131 m以下的墩身表面及承臺頂面和側面采用異丁基三乙氧基硅烷浸漬處理。

（d）主橋2～4號橋墩樁基鋼護筒作為永久鋼護筒，不予拔出。

8 結語

本文所介紹的大安嫩江大橋，其地形、通航、地質條件相對復雜，在結構設計、抗震以及耐久性方面的工作，具有一定的工程參考價值。大安嫩江大橋建成后將成為吉林省西北部一道美麗的風景。