專有線橋梁橋式方案研究

茍小曼

某大橋，位于廣西百色地區境內，是跨越某江的一座礦專用運輸橋梁。之前該礦的運輸主要采用早期的修建的一條礦山公路，而且社會上地方運輸也共用該道路。近年來，隨著社會、經濟的發展，社會運輸車輛、石灰、其他物資、人員通行等車輛日益增多，現有這條礦山公路負荷日益加重，同時所有車輛在生活區內通過，給周圍環境和人們的生產安全也帶來了更多的隱患。而且，該公路上跨越某江的橋梁僅有一座，雙車道，現日通行車輛數已超過20000車次。其中運礦的大型車輛約1000車次。高峰時段，其實際過橋車輛超出設計的通行能力，加之客、貨車混行，行車安全日顯突出，交通事故發生比較頻繁。為解決制約交通咽喉的擁堵和影響運輸的瓶頸難題，急需新建一座新橋改變現有礦山的運礦方式，緩解交通壓力和改善當地環境質量。

1 概述

1.1 橋址處自然情況

橋位位于廣西百色境內，橋址區為一個東西長15km，南北寬2.5km的狹長山谷準平原。線路以直線跨某江，與河道成62.66°。大橋布置在直線上。橋址所在河段河面寬約110m，最枯流量約23m3/s，最大流量7140m3/s，年平均流量442m3/s。橋址處百年一遇洪水位約為98.5m，20年一遇洪水位約為93.4m。歷史最高洪水位為98.52m，最低枯水位為75m。水位豐水期和枯水期漲落幅度在20m左右。地區年平均氣溫為21.5℃，年平均最低氣溫為18.0℃，年平均最高氣溫為26.4℃，極端最低氣溫為-1.3℃，極端最高氣溫為40.9℃。平均相對濕度81%，最小相對濕度為4%。年平均風速1.5m/s，最大風速28m/s，靜風頻率39%。場區的抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.35s。因受某江大斷裂強烈破壞，形成一系列大致平行的較為緊密的褶皺，工程地質較為復雜，屬裸露型巖溶區，溶洞、溶溝、暗河比較發育。地層主要為人工堆積層（Q4ml）、下統羅蘭組（T1L）灰巖，第四系全新統沖洪積（Q4al+pl）。

1.2 技術標準

（1）膠帶機設備

大橋為膠帶機跨越某江而設置。大橋主要承受的荷載為自重、風力、溫度、膠帶機荷載、安裝及檢查人員荷載。其中膠帶機荷載根據設備廠家提供的資料，縱橋向按間隔3m布置一組支腿，每組支腿對基礎的壓力為12.6kN。膠帶機的主要技術參數如表1所示。

（2）建筑限界：根據設備廠家提供要求，高約165cm，寬約277cm，如圖1所示。

2 總體設計

橋式方案的確定，應首先初步擬定主橋孔徑跨度，掌握橋梁設計的控制因素。按照線路規劃，線路以直線跨某江，大橋縱軸線與河道成63°。在大橋小里程端，大約線路CK2+380附近，設有縱坡變坡點，縱坡為14%。大橋按平坡設計。線路設計標高滿足某江通航凈空加上橋梁結構高度要求。

表1 膠帶機主要參數表

圖 1 建筑限界（單位：cm）

2.1 橋梁跨度的確定

由于大橋橋址位于某江呈“U”字形拐彎處，且受下游大約9km處某水利樞紐的影響，大橋孔跨布置，重點需放在適應航道的變化上，同時考慮船舶的習慣航線并兼顧河道形態、主河槽深泓位置等因素，采用大跨度以滿足通航要求，另外還需考慮減少橋梁施工及運營期間對航道及水流的影響，解決好通航與防洪影響問題。

根據《內河通航標準》第6.2.1條的規定：不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設計通航水位應選用規定的各級洪水重現期的水位，其中Ⅲ級航道對應的洪水重現期為20年一遇。而且經查閱相關資料，大橋橋位下游約200m處的人行拱橋的設計最高通航水位為93.39m。下游約9km處的某既有鐵路和在建的某鐵路大橋的最高通航水位為93.4m。因此，考慮大橋的設計最高通航水位為93.39m。

另外，根據《內河通航標準》相關要求，Ⅲ-（3）級航道上跨河建筑物的通航凈高應大于10m，側高應大于6m；按單孔雙向通航設計時，最小通航凈寬為110m，上底寬96m。因橋軸線法向與水流方向的交角為27度，經計算后，最小通航凈寬為123.5m。

因此，橋梁跨度按不小于124m設計，凈空按單孔雙向通航、凈高按不小于最高通航水位以上10m考慮。

2.2 橋式方案的選擇

結合橋位處具體特點，主河槽范圍內橋式選擇的總體思路為：盡可能采用一跨過江的結構，避免在河中設置墩柱，減小對航道及水流的影響。另外，由于受線路走向的影響，在大橋的小里程端設有14%的縱坡變坡點，給大橋邊跨的設置帶來了較大的困難，基本剔除了大橋設置為連續梁橋結構的可能性。另外，橋式方案的選擇應充分考慮景觀效果，在空曠的河道內，橋梁結構與周圍環境比較相對較小，因此橋梁應突顯輪廓美，主河槽范圍內橋梁宜形成整體規模。考慮到鋁土礦及設備荷載相對較輕，為了方便施工且縮短工程周期，宜優先選擇鋼結構橋梁。

基于上述分析，主橋橋型選擇了下承式簡支鋼桁梁和中承式鋼管拱橋兩種橋式進行比較分析。

3 橋式方案比選

3.1 方案一：下承式簡支鋼桁梁方案

方案一采用1-144m下承式簡支鋼桁梁，如圖2所示。鋼梁主桁采用三角形桁架，兩片主桁間距4.5m，桁高8m，節間長12m。

主桁采用焊接整體節點結構形式，材質Q345qC。上、下弦桿均采用箱形截面，腹板及聯結系采用工字型截面。橋面系采用鋼正交異性板橋面，下設梯形閉口肋，沿橋縱向每個節間設3道次橫梁和2道主橫梁；支座處設一道箱形端橫梁。

橋墩采用圓端形鋼筋混凝土實體橋墩截面尺寸縱向為300cm，橫向為800cm。主墩基礎采用明挖擴大基礎。

施工方法：在大橋小里程端設置鋼梁拼裝場，預拼鋼梁桿件；在橋頭布置滑道，在滑道上拼裝鋼梁；安裝牽引設備，拖拉鋼梁至橋孔位置后，落梁就位。

圖2 下承式鋼桁梁總布置圖

3.2 方案二：中承式鋼管混凝土拱橋

方案二采用1-136m中承式鋼管混凝土拱橋。主拱采用等截面懸鏈線鋼管拱，拱軸系數為1.5，計算跨徑為136m，矢高27.2m，矢跨比1/5。橋面寬3.6m。

圖3 中承式鋼管混凝土拱橋總布置圖

拱肋斷面采用啞鈴形，高為1.5m，由上下兩根直徑為600mm，壁厚為12mm的鋼管組成，上下鋼管之間為40cm高腹板。拱肋之間的橫向風撐采用外徑為400mm的空心鋼管，斜撐采用外徑為300mm的空心鋼管，橫撐鋼管壁厚為12mm，斜撐鋼管壁厚均為10mm。以此構成縱向1道一字撐和6道K字撐。拱肋及橫向風撐鋼結構均采用Q345qC鋼材。

橋面系為縱鋪橋面板式，將橫梁設置于立柱上或吊桿下，然后縱向鋪設橋面板。吊桿橫梁和立柱蓋梁均為C40鋼筋混凝土結構，與拱肋相連的橫梁采用鋼箱梁。

橋面板采用鋼筋混凝土小π梁，預制吊裝。π梁間，π梁與橫梁相交處通過縱橫向濕接縫及橋面10cm的后澆層連接成整體。全橋共設有12對吊桿，吊桿中心間距為8m。吊桿采用平行鋼絲索（標準強度為1670MPa）。并考慮到后期的拆卸更換，吊桿下端應做好防護措施，以免人為破壞。

拱上立柱采用鋼結構。順橋向尺寸60m，橫向尺寸50cm。立柱與拱肋采用焊接鋼板連接。拱座基礎采用整體實心鋼筋混凝土結構，支撐在微風化的灰巖上。

主拱采用纜索吊及斜拉扣掛法施工。

3.3 橋式方案比選

大橋跨越某江，受地形、通航凈空控制。方案一下承式簡支鋼桁梁結構和方案二中承式鋼管混凝土拱橋，均能較好的滿足了航道通航需求。且在滿足通航要求的前提下，有效地降低了線路標高。

從結構上來講，中承式鋼管混凝土拱橋和簡支鋼桁梁橋相比，中承式鋼管混凝土拱橋結構的用鋼量和桿件種類比鋼桁梁要少，給制造及安裝都帶來較大便利。但由于拱橋橋面系采用柔性吊桿懸吊，結構的主要振型表現為面外橫彎和空間扭轉，縱橫向剛度明顯比鋼桁梁結構較弱。此外，由于拱橋方案為推力結構，受地質影響較大，如地質情況變化較大，可能對拱橋方案造價有較大的影響。

從施工方面來講，鋼桁梁橋采用半懸臂縱向拖拉施工方法，施工較為簡單，可不使用大型施工輔助設備，施工設施費用較少；而中承式鋼管混凝土拱橋需采用大型輔助設備纜索吊，且在吊裝過程中為保證拱肋吊裝的穩定性，需設置纜風索，增加了施工的難度和不穩定性。

從景觀效果來講，拱橋是拱、索及梁的組合結構，在江河上更顯橋梁宏偉壯觀，與梁橋相比拱橋更能更好與周圍環境相協調，與環境形成一體。

從抗震的角度來講，拱橋由于自振周期較長，又有吊桿的作用，可以較大的緩解地震力的作用，與鋼桁梁結構相比有著很大的優勢。

從經濟性比較來看，中承式鋼管混凝土拱橋造價為簡支鋼桁梁方案的0.82倍，具有明顯的經濟性。綜合比較以上各項性能，該工程最終確定采用中承式鋼管混凝土拱橋方案。

4 結論

本文從設計角度闡述了大橋橋式方案的設計流程，并從施工、工程造價和景觀等方面對大橋的兩種可行性橋式方案進行了分析研究，結果表明：

（1）兩種橋式方案從技術層面而言均可行，在施工難度和工程造價方面略有差異。

（2）簡支鋼桁梁方案的優點在于結構縱橫向剛度較強，且施工較為簡單。缺點為結構用鋼量和桿件種類較多，造價略高。

（3）中承式鋼管混凝土拱橋方案的優點在于結構的用鋼量和桿件種類比鋼桁梁要少，給施工和制造帶來的較大的便利且造價較低。缺點為結構的橫向剛度較弱。此外，該方案簡潔美觀，能較好地與周邊環境相融為一體，具有較好的景觀效果。綜上所述，推薦中承式鋼管混凝土拱橋方案作為設計的首選方案。

（4）本研究成果可以為專有線橋梁橋式方案的選擇提供一定的參考和依據。

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