深水庫區大跨長聯橋橋跨及主梁設計方案分析研究

李 健

(蘇交科集團有限公司 南京市 210017)

1 工程簡述

澠垣高速公路南起河南澠池，接連霍高速公路洛陽至三門峽段，北至山西垣曲，接濟源至聞喜東鎮高速公路蒲掌至東鎮段，路線全長約63km。其中黃河特大橋跨越黃河的位置位于小浪底庫區，線位橋址基本處在三門峽大壩與小浪底大壩的中間，距小浪底壩址60.75km，在既有南村黃河大橋下游約40m處跨越黃河，橋梁全長約1700m，其中主橋長約1300m,雙幅分離式布置，每幅橋寬16.25m。該橋是本項目控制性節點工程，項目建成后將對加強豫晉兩省交通聯系、促進豫西北和晉東南地區經濟社會發展產生深遠影響。

2 主要建設條件

(1)水文條件

橋址區為橫穿黃河，地表水為常年性流水，特點為旱季流量小，汛期流量增加，水庫正常運用期至沖淤平衡狀態時，橋位主槽平均河底高程為240.97m，灘面高程為264.31m，庫區死水位在+230m左右，豐水期最高蓄水位標高可達+275m，低水位與高水位落差可以達到40m以上[1]。橋址歷年水位變化如圖1所示。

圖1 小浪底水庫歷年水位變化圖

(2)工程地質

橋址區具有較典型河流地貌特征，地形起伏較大，黃河河床內上部地基土以第四系全新統沖洪積層淤泥質黏土、粉質黏土、粉土和粉砂為主，下部地層以第四系中更新統沖洪積層卵石和古近系砂質泥巖為主。下部地層中第⑨層卵石及其以下地層，承載力較好，工程性質較好，力學性質差異小，但其厚度變化大，分布不均勻[2-3]。

(3)橋位附近已建橋梁

現橋位上游有小浪底庫區南村黃河大橋，與本工程凈距約16m，大橋全長1456.36m，全橋共29孔預應力混凝土簡支T梁，跨徑為50m。

3 主橋跨徑比選研究

3.1 橋跨選擇主要影響因素

(1)根據《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準(試行)》，要求黃河潼關至桃花峪河段橋梁主跨不小于80m，灘地過水孔跨不小于40m。

(2)依據GM 50139-2004《內河通航標準》規范規定兩橋靠近布置時通航孔必須相互對應。

(3)根據《垣曲至澠池高速公路黃河特大橋防洪評價報告》相關結論原則上主橋主跨跨徑應≥100m，主橋跨連續長度≥1300m。

(4)因橋位處水位高、變化幅度大、下部施工難度大、且投資巨大，故主橋橋墩通過比選采用雙排雙柱、樁柱一體的變截面樁基礎+柱式墩+外包鋼護筒結構形式。

3.2 主要橋跨方案的提出

基于以上影響因素，擬建橋位孔跨須為50m的整倍數，且橋孔與原庫區黃河大橋橋孔對應，可能的孔跨布置為100m、150m、200m、250m等。

對于200m以上的跨徑橋梁可供選擇的結構形式為多跨拱橋、多跨斜拉橋、懸索橋等帶上構的結構形式，雖較大的跨徑減少了下部橋墩的數量，但下部基礎更為龐大，下部施工投入甚至還會增加，同時這些橋型上部投入巨大、構造復雜、施工難度較大，施工工期較長。為進一步說明，選取了(160+4×250+160)m塔梁固結單面塔雙索面部分斜拉橋進行比較，通過對該方案的建安費估算(篇幅限制，該方案估算過程略去)約135591.5萬元。通過結果，可以看出250m布跨，既沒有解決下部施工費用昂貴的問題，同時下部施工難度、上部費用、工期也有大幅提高，故在具體方案比選過程中著重對100m、150m和200m的跨徑進行對比。

3.3 橋跨方案論證過程及結論

初步提出可選橋跨方案后，為便于橋跨對比，上部結構均考慮為預應力混凝土箱梁方案，而各方案的跨徑組合為：200m跨采用的跨徑組合是110m+6×200m+110m=1420m；150m跨采用的跨徑組合是90m+8×150m+90m=1380m；100m跨采用的跨徑組合為60m+13×100m+60m=1420m，三方案均采用連續—剛構結構。主要從主要材料投入及上部結構施工工期兩個方面進行對比。

(1)主要材料對比

從表1中數據可以看出由于跨徑的增加，上部結構材料用量也在增加，200m跨明顯高于150m和100m跨方案，在不考慮下部結構施工措施費用的情況下，200m跨造價明顯高于150m和100m跨方案。

表1 主要材料對比表

100m跨比150m跨增加了6195m3上部混凝土用量，但是100m跨比150m跨預應力減少了943.6t以及減少了28902m3下部混凝土用量，故從主要材料用量分析，100m跨比150m跨造價也有所降低，另外由于在高墩結構各階段的穩定性控制方面100m方案也更具優勢，100m跨方案整體上有較大優勢。

(2)上部結構施工周期

200m跨共7個T構，每個T構共有25對懸澆節段；150m跨布置共有9個T構(單幅)，每個T構共有18對懸澆節段；100m跨布置全橋共有14個T構(單幅)，每個T構共13對懸澆節段。若按所有主墩均設置1套掛籃考慮，雖然100m跨方案的主梁施工掛籃數量多于其他兩個方案，但由于100m跨主梁施工單個掛籃相對其他兩個規模也相應減少，故綜合考慮在臨時措施費用增加不多的情況下，100m跨方案的施工周期更短。

(3)結論

根據以上對比，三個方案中100m跨主梁材料用量最少，上部結構施工工期最短，較200m和100m跨方案能夠節省施工工期。另一方面，在高墩結構各階段的穩定性控制方面100m方案也更具優勢。綜上，主橋主跨跨徑采用100m布置更為合理，推薦主跨采用100m跨方案。

4 主梁方案比選研究

4.1 主橋總體結構形式選擇

根據橋跨比選結果，則黃河大橋主橋連續長度約在1420m，橋墩除連接墩及一個岸邊主墩，其余主墩高均約50m，經初步計算主墩構造滿足溫度力的情況下可固結中間三個主墩，故黃河大橋主橋結構體系選擇為經濟性較好的連續-剛構梁式結構體系。

4.2 主梁結構形式提出

由于上部主橋連續長度達1420m；下部受庫區水文條件限制，選擇的大直徑樁柱式一體橋墩有減少下部負擔的要求，同時又有橋位處E2地震作用重現期1000年，對應100年超越概率10%水平加速度峰值0.1859g抗震設計要求較高的條件，無疑上部結構應采用更為輕質的結構形式，連續-剛構梁橋主梁可以采用的結構形式有混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼混組合梁，其中鋼混組合梁有鋼箱疊合梁、波形鋼腹板梁等形式。

(1)混凝土箱梁為常用梁型，施工工藝成熟，施工質量能保證。

(2)鋼箱梁首先造價高，后期養護工作量大。且本橋主跨徑100m，單幅橋寬16.25m，施工時無論采用大節段施工方案還是小節段現場焊接的施工方案，對梁段加工的組拼、存放場地要求高，梁段上船及運輸難度大，與本工程的適應性較差。

(3)鋼箱疊合梁與鋼箱梁相比，用鋼量較少，混凝土橋面板可有效改善橋面行車條件，主梁自重適中。但后期養護工作量大。主梁墩頂附近承受較大的負彎矩作用，鋼底板承壓能力較差，由于要確保穩定性，需對墩頂截面底板進行較為復雜的加勁處理，用鋼量增加較多，制造和施工均復雜，故不推薦采用此方案。

(4)波形鋼腹板梁，自重較輕，對結構抗震有利；波形鋼板具有較高的抗剪屈曲能力，且無須縱橫向加勁，結構構造處理簡單，便于制造和施工。

綜上，主橋主梁選擇混凝土箱梁與波形鋼腹板PC箱梁兩種形式進行比選研究論證。

4.3 主梁結構形式論證過程及結論

根據提出的主梁結構形式，對60m+13×100m+60m預應力混凝土箱梁及60m+13×100m+60m波形鋼腹板PC箱梁兩個方案進行結構穩定計算、工程數量及工程概算等進行對比。

(1)結構穩定計算結論

首先根據提出的主梁結構形式，對結構的單柱結構穩定、最大懸臂狀態穩定及運營階段穩定通過Midas建模進行計算驗證。計算結果詳見表2。

(2)方案主要控制條件對比

根據提出的兩種方案對其主要工程數量、施工措施費用、施工周期及工程建安費進行了同深度的測算，從而能更全面地對可能方案進行綜合驗證，主要對比結果詳見表3。

表2 結構穩定計算結構

表3 方案主要控制條件對比表

(3)結論

首先兩個方案通過計算分析結構均成立，但在運營階段和最大懸臂施工階段，波形鋼腹板PC箱梁一階失穩模態均為面外橫向失穩，不如預應力混凝土箱梁方案合理。而在主要工程數量、施工周期及工程建安費用方面兩個方案基本持平。故考慮到波形鋼腹板PC箱梁工地焊接工作量大、工序繁多，施工質量難以保證，且預應力混凝土箱梁方案為常用梁型，施工工藝成熟，施工質量能保證。最終設計按照60m+13×100m+60m預應力混凝土箱梁進行了詳細設計，并成功通過了專家論證。

5 結語

隨著公路橋梁設計技術的不斷成熟，特別是在常規跨徑及構造形式的橋梁結構設計方面已不是特別大的難題，但是由于每座橋梁所處的環境都有所不同，特別是在位于如深水庫區等特殊地段的橋梁，在橋梁方案確定之初由于水文、地質、防洪等特殊需要，存在著眾多的制約因素，故在設計時則需要綜合考慮多方面的條件，才能確定出符合要求的方案，本次依托澠垣高速南村黃河公路特大橋的主橋橋跨及主梁方案論證過程，綜合考慮橋址水文、地質、投資等重要因素，最終選用了符合工程實際的橋梁方案，并在實際建設過程中得到了很好的驗證，達到了預期的效果，該成果也為類似工程設計與施工提供了一定的參考價值。