山區跨江大橋橋型方案構思與比選

董雨潔,蒲黔輝

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

在公路建設中，從工程規模來看，橋梁工程的造價約為公路總造價的10 %～20 %，隨著現代橋梁技術和對公路線形要求的提高，這一比重還在進一步增大中[1]；同時，橋梁工程不僅是交通運輸的咽喉地帶，也是公路全線通車的關鍵技術要點。

我國西部及西南地區的交通基礎設施建設近幾年發展迅速。然而，不同于東部地區的是，該地區地形多為山地，地質條件較復雜，主要體現在以下三個方面[2]：

(1)地面高程相差大；

(2)頻繁的橫縱向地形起伏變化；

(3)常見不良地質現象，如滑坡與泥石流等。

這都為橋梁的設計與施工帶來了極大的挑戰與困難。

面對如此多的橋型方案，工程師們應當如何選擇呢“經濟、適用、安全、美觀”的比選原則[3]過于籠統，工程師們特別是初學者們，需要更加具體的比選方法。本文將結合廣元市某跨江大橋的工程設計實例，根據其橋型方案比選的過程，總結一些比選的操作方法，用于指導比選工作的展開。

1 實例橋梁設計主要技術標準

(1)道路等級：三級公路；

(2)設計速度：30 km/h；

(3)汽車荷載等級：公路I級；

(4)橋梁寬度：12.5 m，雙向兩車道；

(5)設計洪水頻率：1/100；

(6)通航標準：Ⅲ-(3)級；

(7)地震動峰值加速度：0.10g。

2 橋型控制因素

本項目位于四川省廣元市，跨越嘉陵江，該大橋軸線與嘉陵江近于正交。

2.1 水文條件

該地區屬于四川盆地北部低山丘陵地區，屬亞熱帶濕潤季風氣候。橋梁位于嘉陵江中、上游，降雨具有雨量充沛、分布集中的特點，洪水陡漲陡落、洪峰高、變幅大，沖刷能力較強。本橋位于水電站淹沒區，最大水深為30～40 m。

2.2 地質構造

根據地表地質調查，橋位處斷裂構造不發育，巖層均呈水平狀或緩傾狀，地質構造相對簡單，屬于地殼活動相對穩定區，無影響橋位區地層穩定的斷裂構造。橋位區地層為侏羅系上統蓮花口組巖層，巖性為中厚層狀泥巖、砂巖互層，傾向東南，傾角較緩。河谷右岸地形較平坦，地勢較開闊，左岸地形較陡，地勢狹窄。

2.3 地震

橋址建筑抗震設防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.40 s。

3 橋型方案

該橋全長480 m，主橋擬建長度為320 m，引橋長度為160 m。本橋無左引橋，右引橋采用4×40 m跨徑先簡支后橋面連續預應力混凝土T梁。

在參考相關資料和工程實例的基礎上，根據該橋梁的工程概況、設計標準和材料指標，結合相關設計規范和設計原則，考慮工程施工方法與條件，擬定出以下3種橋型方案：

(1)主橋為85 m+150 m+85 m預應力混凝土三跨連續剛構橋；

(2)主橋為160 m+160 m獨塔單索面斜拉橋；

(3)主橋為50 m+220 m+50 m中承式拱橋。

3.1 預應力混凝土連續剛構橋

連續剛構橋的特點是主梁保持連續，梁墩固結，上、下部結構共同承受荷載，減小了墩頂負彎矩，這樣既保持了連續梁無伸縮縫、行車平順的優點，又保持了T型剛構不需要設大噸位支座的優點，同時避免了連續梁(存在臨時固結和體系轉換)和T構(伸縮縫)兩者的缺點，養護工作量小。此外，連續剛構施工穩固性好，減少或避免邊跨梁端搭架灌注[4]。

(1)孔徑布置：全橋共2聯：(85+150+85)+(4×40) m，橋面橫坡2 %。

(2)上部結構：主橋為預應力混凝土連續剛構形式,采用變截面單箱單室箱型截面，箱梁高度和底板厚度按1.6次拋物線變化。

(3)下部結構: 主橋橋墩墩身采用雙肢等截面矩形實心墩,主、引橋間過渡墩采用空心薄壁式墩,簡支梁端的橋墩采用柱式墩，橋臺采用座板式橋臺；本項目下部施工均位于深水區，因此采用大直徑樁基將有利于施工及保證結構的安全性，基礎采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁。

(4)施工方法：主橋的連續剛構結構采用掛籃懸臂澆筑施工，橋墩采用滑模施工分段澆筑，基礎采用鉆孔灌注樁基礎和圍堰澆筑混凝土承臺。本方案主要施工難點在于深水基礎施工，樁基采用浮式平臺、護筒跟進打入基巖后由護筒形成鋼管樁平臺進行沖孔和樁基灌注，鋼護筒作為樁基模板并不予拆除。

橋型布置圖見圖1。

圖1 預應力混凝土連續剛構橋橋型布置(單位：m)

3.2 獨塔單索面斜拉橋

斜拉橋是由受壓的橋塔，受拉的拉索和受彎的梁體結構組合起來的一種結構體系。斜拉橋的梁體尺寸和建筑高度較小，橋梁的跨越能力較大，受到的橋下凈空和橋面標高的限制少。斜拉橋的不足之處在于，它是多次超靜定結構，設計計算復雜，拉索與梁或塔索的連接構造比較復雜，施工當中高空作業較多，并且施工控制等技術要求較為嚴格[4]。

(1)孔徑布置：(160+160) m+(4×40) m，橋面橫坡2 %。

(2)上部結構：主橋為單索面斜拉橋形式,主梁采用單箱三室等截面箱梁，索塔采用倒Y型索塔，索面形狀采用半扇形，主塔的有效高度為60 m。

(3)下部結構: 主橋采用飄浮體系，索塔和橋墩固結并支承在承臺上,主、引橋間過渡墩采用空心薄壁式墩,簡支梁端的橋墩采用柱式墩，橋臺采用座板式橋臺；本項目下部施工均位于深水區，因此采用大直徑樁基將有利于施工及保證結構的安全性，基礎采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁，承臺為整體式。

(4)施工方法：主橋的主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，索塔采用爬升式模板及工作平臺的方法，橋墩采用滑模施工分段澆筑，基礎采用鉆孔灌注樁基礎和圍堰澆筑混凝土承臺。對于單索面布置的箱型截面主梁，為了減輕澆筑的重量，我們通常將橫截面分為三部分：中箱、邊箱和懸臂板[5]。先完成主梁錨固系統的中箱，張拉拉索，形成獨立穩定的結構，以中箱和已澆筑的梁段的邊箱為依托，澆筑兩側邊梁，最后采用小掛籃澆筑懸臂板，使整體單箱按品字形不斷向前澆筑。

橋型布置圖見圖2。

圖2 斜拉橋橋型布置(單位：m)

3.3 中承式鋼筋混凝土拱橋

拱橋的靜力特點是在豎直荷載作用下，拱的兩端不僅有豎直反力，還有水平反力。由于水平反力能夠平衡拱內彎矩，設計合理的拱結構一般以受壓為主，并同時承受較小的剪力和彎矩，因此與梁相比，拱的跨越能力更大。然而，拱橋的自重大，相應的水平推力較大，下部結構工程量增加，因此對地基條件的要求較高；施工工序復雜，建造需要的輔助設備和勞動力較多，建橋時間長[4]。

(1)孔徑布置：(50+220+50) m+(4×40) m，橋面橫坡2 %。

(2)上部結構：主橋為拱橋形式,采用中承式拋物線兩鉸拱，拱圈使用鋼筋混凝土，主梁采用單箱單室等截面箱梁，主跨220 m，拱圈高35 m，矢跨比約為1/6。

(3)下部結構:主橋采用重力式橋墩，拱結構段橋臺為空腹式橋臺；主、引橋間過渡墩采用空心薄壁式墩；簡支梁端的橋墩采用柱式墩，簡支兩端橋臺采用座板式橋臺；本項目下部施工均位于深水區，因此采用大直徑樁基將有利于施工及保證結構的安全性，基礎采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁，承臺為整體式。

(4)施工方法：拱橋上部結構采用纜索吊裝施工法，皆采用預制裝配式構件，橋墩采用滑模施工分段澆筑，基礎采用鉆孔灌注樁基礎和圍堰澆筑混凝土承臺。本橋為滿足通航要求，對橋下凈空有一定限制，因此宜采用無支架施工方法，避免橋梁建設期間對河流正常航運工作的干擾。

橋型布置圖見圖3。

圖3 中承式鋼筋混凝土拱橋橋型布置(單位：m)

4 方案比選

4.1 比選原則

橋梁工程必須遵照“安全、適用、經濟、美觀”的基本原則。

4.1.1 安全性

設計橋梁應對具有足夠的安全儲備，即其應具有足夠的強度、剛度、穩定性和耐久性；同時橋梁的線形應當設計合理，不宜采用過陡的坡度，以確保行車安全與舒適性；各類橋梁附屬設施應按規范設置。

4.1.2 適用性

在橋梁設計時，要求在規劃年限內橋梁凈寬、設計荷載能滿足通行能力的要求；橋下凈空能滿足泄洪、通航、車輛和行人通行的基本要求；橋梁兩端接線應采用合理的線形，方便車輛的進出，不應導致交通擁堵等現象；同時考慮基礎建設的綜合利用，為各類市政管線預留管道與施工空間，方便各種管線的搭載。

4.1.3 經濟性

橋梁設計應遵循因地制宜、就地取材和方便施工的原則，結合地形地貌、地質、水文等自然地質條件，同時設計中也應考慮橋梁造價、養護維修費用、以及橋梁的施工、養護、維修對交通的影響。

4.1.4 美觀性

現代橋梁不僅是連通地區的樞紐，同時也是當地的重要景觀，其美學價值不可忽視。橋梁的橋型選擇應與所處環境互相協調，合理的結構布局與橋梁外形是美觀的關鍵因素。

4.2 比選過程

本橋在進行方案比選時，除了遵守遵照“安全、適用、經濟、美觀”的基本原則外，還全面考慮工程的各項經濟技術標準，即受力特點、工程地質情況、施工要點、安全性、適用性、經濟性和美觀性等，綜合分析了各個方案的優缺點，比較選出滿足要求的最優方案。

4.2.1 受力特點

在連續剛構橋方案(后文簡稱為方案1)中，主梁保持連續，梁墩固結，上、下部結構共同承受荷載，減小了墩頂負彎矩，為超靜定結構；

在斜拉橋方案(后文簡稱為方案2)中，拉索的軸力相當于在主梁上建立了許多個彈性支撐，減小了主梁在荷載作用下的彎矩；

在中承式拱橋方案(后文簡稱為方案3)中，在豎直荷載作用下，拱的兩端不僅有豎直反力，還有水平反力。由于水平反力能夠平衡拱內彎矩，拱結構一般以受壓為主，并同時承受較小的剪力和彎矩。

4.2.2 工程地質條件

三個橋型方案中，基礎均采用樁基礎，基礎持力層均為侏羅系上統蓮花口組泥巖(J3l)巖層。采用連續剛構橋時，橋體結構較輕，對基礎的要求較低；在斜拉橋方案中，由于采用獨塔結構，導致結構對地基承載力要求相對較高；由于拱橋存在水平推力，且采用中承式結構，因此下部結構工程量大，橋臺和橋墩對地基承載力要求高。

4.2.3 施工要點

方案1與方案2的上部結構均采用掛籃懸臂澆筑施工；方案3采用纜索吊裝施工法，并且皆采用預制裝配式構件。其中，方案1與方案3均不需要進行臨時固結或臨時支承，而方案2由于采用斜拉橋形式，因此在索塔施工時需要采用爬升式模板及工作平臺的方法，需設置高空作業的防護措施。

4.2.4 安全性

進行斜拉橋施工時，主梁施工，方法成熟簡便，施工質量好；索塔施工到一定高度后，屬于高空作業，具有一定的危險性，需做一定的防護措施；斜拉索施工時需采用大型吊機或千斤頂。拱橋施工同樣需采用大型的裝吊設備，吊裝過程中應采取一定安全防護措施。

經比較，連續剛構橋施工安全性最高，在施工的過程中，不需要大型機械設備，不需要搭設支架和臨時設備，且該施工方法發展成熟，施工簡便，不受氣候影響，整體性好。

4.2.5 適用性

在方案1與方案3中，橋梁建筑高度低，主跨跨越主航道，橋下凈空能滿足通航要求，主墩不在主航道中，河床壓縮小，防撞要求低，汛期泄洪能力較好；主墩不需要設置支座，養護維修簡便。與之不同的是，方案2中，主墩位于主航道中，盡管由于斜拉橋主梁高度低，橋下凈空能滿足通航要求，但是河床壓縮較大，因此還需要額外檢驗其防撞要求與汛期泄洪能力是否滿足要求。

4.2.6 經濟性

前兩個方案中，橋梁結構簡單，節省水泥和鋼材用量，但是斜拉橋需進行索塔和拉索的施工，工程造價高，養護維修成本較高；而拱橋結構較復雜，盡管可以節省水泥和鋼材用量，設計與施工難度較高，工程造價較高，養護維修成本較高。

4.2.7 美觀性

這三種方案中，橋梁線形優美流暢，結構簡潔大氣，均與河谷周圍環境搭配協調。

5 結論

5.1 可選方案

本文結合了廣元市某跨江大橋的工程實際情況，設計出了3種可選方案：

(1)主橋為85 m+150 m+85 m的預應力混凝土三跨連續剛構橋；

(2)主橋為160 m+160 m獨塔單索面斜拉橋；

(3)主橋為50 m+220 m+50 m中承式拱橋。

經過縝密地比較，最終選擇了方案1(主橋為85 m+150 m+85 m的預應力混凝土三跨連續剛構橋)為最佳方案。

5.2 比選方法

根據其橋型方案比選的過程，總結一些比選的操作方法，用于指導比選工作的展開：

(1)在“經濟、適用、安全、美觀”的比選原則的指導下，我們可以從橋梁的受力特點、工程地質條件和施工特點等幾方面來進行比較；

(2)在進行經濟性的比較時，主要從工程造價和養護維修成本兩方面來考慮，應盡量采用構造簡單，節約材料，且后期養護維修較少的方案；

(3)進行適用性比較時，橋梁是否通航、防撞，汛期泄洪的要求是評判適用性好壞的指標；

(4)橋型方案的安全性主要與采用的施工方法及橋梁結構有關。斜拉橋施工中需進行索塔的施工，因此高空作業不可避免，對施工設備的安全性要求高。