山區大跨雙層鋼桁梁斜拉橋總體方案設計

汪 劍，劉小紅

（1.武漢生態環境設計研究院有限公司，湖北 武漢430056；2.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢430056；3.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430015）

1 工程概況

某山區大橋位于宜昌市五峰縣漁洋關附近，跨越柴埠溪，是宜都至來鳳高速公路（宜昌段）控制性工程。考慮到橋位資源稀缺，為更好地帶動地方經濟的發展，本橋與省道242漁洋關繞城公路（寬8.5m二級公路）跨越柴埠溪段橋梁合建。橋位處地形環境如圖1所示。

圖1 橋位處地形環境

2 主要技術標準

（1）公路等級：高速公路層，雙向4車道，設計速度80km/h；省道公路層，雙向2車道，設計速度40km/h。

（2）荷載等級：公路I級。

（3）抗震設防標準：本項目地震基本烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度a=0.05g，抗震設防措施提高1度。

（4）橋梁結構設計基準期：100a。

（5）耐久性設計環境類別：Ⅰ類。

（6）設計基本風速：Us10=23.3m/s。

3 工程特點

根據大橋建設條件，結合大橋功能和建設期安排，大橋具有以下特點：

（1）地形條件復雜。橋位跨越典型的深切“V”型溝谷，兩側地勢均較陡峭，兩側邊坡上均難以設置橋墩，溝谷上寬約440m，下寬約50m，溝谷谷底至路線設計標高達290m左右。

（2）地質條件復雜。橋位所處區域內巖石主要為奧陶系中-下統灰巖，基巖一般埋藏較淺，下部巖石完整性較好，但區域內不良地質現象發育，存在巖溶、滑坡、危巖等不良地質現象。

（3）環境保護及景觀要求突出。橋位所在區域內生態資源豐富，相關風景區和自然保護區較多。

（4）橋梁涉及2種性質的公路工程。大橋涉及高速公路（宜來高速）和省道242漁洋關繞城段公路橋梁，且2橋合建。

差分隱私保護技術能在數據的隱私保護和可用性之間做很好的權衡.本文對于差分隱私的相關概念大多源于文獻[18～22]，結合論文研究內容，略有改動.

4 總體方案構思

根據大橋上述特點，大橋總體方案應充分考慮山區地形、地質等不利因素，通過優化橋梁總體方案以及完善細節部位設計等措施，盡量減小橋梁對風景區及自然保護區的影響，同時兼顧景觀因素，確保主橋在施工、運營期間的安全、可靠及美觀。

4.1 橋型方案構思

鑒于大橋建設條件及相關制約因素，大橋宜1跨跨越柴埠溪，對于主跨440m左右的橋梁，可供選擇的主橋形式主要有斜拉橋、懸索橋和拱橋等橋型方案，考慮到懸索橋錨碇基坑以及拱座基坑施工對周圍環境的負面影響較大等因素，經綜合比選，斜拉橋作為大橋的橋型方案。

4.2 主橋跨徑選擇

主橋橋跨的選擇關鍵是塔墩位置的選擇。塔墩位置主要受地形、地質條件以及施工等因素控制，同時大橋基礎施工不可避免地會對山體有所擾動，兩岸岸坡在大橋基礎增載作用下的穩定性亦成為方案是否成立的關鍵。故主塔墩位的設置應滿足以下2個條件：（1）與山體前緣臨空面保持一定安全距離；（2）主墩基礎的持力層為完整基巖。

根據橋位處地形、地貌及地質條件，宜都側主墩布置在距離山體前緣臨空面約50m（承臺外邊緣距離臨空面約25m）的位置，來鳳側主塔墩布置在距離山體前緣臨空面約70m（承臺外邊緣距離臨空面約45m）的位置。兩岸岸坡穩定性專題研究結果表明，在各種不利工況組合下，兩岸岸坡穩定性均滿足《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330—2013）和《公路路基設計規范》（JTGD30—2015）要求，故大橋主橋采用主跨480m斜拉橋方案。

4.3 主梁形式的選擇

綜合地形、地質、景觀以及國內外同等規模橋梁的建設經驗[1-5]，鑒于大橋的主跨跨徑已達到480m，主跨主梁只宜考慮鋼結構加勁梁。鋼結構加勁梁主要包括鋼箱梁、鋼-混組合梁、鋼桁梁，其對比研究結果見表1。

表1 鋼結構主梁對比研究結果一覽表

由表1可知，鋼箱梁自重輕、整體性強，但需要大件運輸和安裝，施工條件要求高，不適合本橋山區建設條件；鋼-混組合梁橋面為混凝土面板，橋面鋪裝性能好，但2橋合建，平層斷面超寬，自重大、施工繁瑣、養護麻煩，景觀效果欠佳；鋼桁梁整體剛度較大，行車舒適性稍好，構件小能夠適應山區建設條件，亦能較好地適應雙層斷面，但用鋼量大、造價相對偏高。

經綜合比選，主要考慮施工、景觀及運營期管理等因素，大橋擬采用鋼桁梁的主梁形式。

5 總體方案設計

圖2 大橋總體布置（單位：m）

5.1 結構支承體系方案

在借鑒國內類似斜拉橋實踐經驗的基礎上，通過對全漂浮體系、半漂浮+縱向約束體系和塔梁固結體系優缺點進行綜合比較后確定，大橋采用常用的半漂浮+縱向約束體系：索塔下橫梁處和各輔助墩、交界墩處設置豎向活動支座，橫向設置抗風、抗震支座，用于抵抗風荷載及地震荷載作用下的主梁橫向效應，每個索塔下橫梁處設置帶限位的縱向黏滯阻尼器。

5.2 鋼桁梁斷面方案

對于雙層橋面方案，上層宜布置高速公路，下層布置省道公路。目前國內雙層橋面斜拉橋已較為普遍，特別是公鐵兩用橋梁，其主梁均為鋼桁梁，主跨超過400m的雙層橋面斜拉橋典型斷面如圖3所示[1-2]。

考慮到高速公路4車道斷面寬26.0m，與省道公路2車道斷面寬10.0m相差較大，三主桁斷面不利于省道斷面布置，且經濟性較差；斜主桁方案上層橋面橫向跨度大，需要在每道橫梁處設置鋼架加勁，視覺雜亂；此外，斜拉索錨在主桁節點處，索力均通過主桁節點傳遞，會加劇主桁節點應力集中程度，同時斜桁制造安裝難度較大。經綜合比選，大橋采用直主桁加斜副桁方案。

圖3 雙層橋面鋼桁梁主梁斷面形式

直主桁加斜副桁方案如圖4所示，上層橋面橫向受力特性近似于跨度布置為6.75m+14.0m+6.75m的彈性支承連續梁，橋面構造簡潔，便于檢查、維護；斜拉索錨固在副桁上弦桿，斜拉索的水平分力沿橋面邊縱梁傳遞，豎向分力沿副桁傳遞，不會增加主桁節點應力集中程度。

5.3 鋼桁梁主梁布置方案

圖4 主梁橫斷面布置圖（單位：mm）

基于山區建設條件下的鋼桁梁結構體系選型、正交異性鋼橋面板支撐體系和板-桁連接構造等鋼桁梁設計關鍵技術研究尤為重要。目前國內主要大跨雙層橋面斜拉橋主梁參數如表2所示[1-5]。

在借鑒國內類似斜拉橋實踐經驗的基礎上，經綜合比選，大橋鋼桁梁采用N形桁架，節段長度12m，桁高8.5m；橋面板采用板桁結合形式，支撐體系采用密橫梁體系，橫梁間距2.4m。

5.4 索塔及其基礎方案

大橋索塔地處V型溝谷兩側，地勢均較陡峭，宜都側索塔處地面縱橋向坡度較緩，但橫橋向坡度仍偏大，來鳳側索塔處地面縱、橫橋向坡度均偏大，因此為盡量減小橫橋向承臺開挖量，索塔下塔柱及其基礎不宜分離，下塔柱宜向內收以減小索塔塔底及承臺尺寸。

設計對A形、鉆石形及H形索塔進行了綜合比選，結果表明H形塔方案具有一定的地形適應能力和力學性能優勢，故大橋采用H形塔方案。經綜合考慮結構受力、景觀及經濟性，橋面以上塔高擬定為120.9m。索塔總體布置圖見圖5。

表2 國內大跨雙層橋面斜拉橋主梁布置方案

圖5 索塔總體布置圖（單位：mm）

5.5 斜拉索及拉索錨固方案

經綜合比選，大橋斜拉索采用扇形雙索面布置方案，斜拉索梁上間距宜與主梁節段長度保持一致，按12m布置，塔上斜拉索交點豎向間距考慮張拉及錨固空間，按2.3m布置；斜拉索類型采用施工經驗相對成熟穩定的平行鋼絲斜拉索方案；索梁錨固形式采用復合式雙錨拉板錨箱連接；索塔錨固采用鋼錨梁的方式。

5.6 壓重方案

大跨雙層鋼桁梁斜拉橋由于活載較大，在運營狀態下邊墩及輔助墩通常會出現較大的負反力，目前國內已建或在建的大跨鋼桁梁斜拉橋通常采用增加主體結構自重的方法來控制斜拉橋邊墩及輔助墩的負反力，解決方案主要有：（1）混凝土壓重，在邊墩及輔助墩范圍內采取集中布置壓重混凝土；（2）組合橋面板結構，將邊跨部分正交異性鋼橋面板換成較厚的混凝土橋面板或采用混凝土結合板；（3）同時采用組合橋面板以及混凝土壓重；（4）混合梁結構，邊跨采用混凝土結構。

借鑒國內雙層鋼桁梁斜拉橋的實踐經驗，并綜合考慮各方案的經濟性、耐久性，以及后期檢查和維修養護的方便性，大橋采用混凝土壓重方案。

5.7 基礎方案

根據目前工程實踐經驗，對照各種基礎形式，結合本橋主塔墩位處的地質情況，主塔基礎宜采用大直徑群樁基礎形式。索塔基礎最為關鍵的參數為樁基直徑，其對基礎的受力性能、造價、工期和施工難度等方面有著舉足輕重的影響。設計分別對兩岸基礎選取2.5m、2.8m、3.0m群樁基礎進行研究比選。經綜合考慮施工速度、施工風險、受力特性等因素，大橋采用3.0m樁基方案。

6 結 語

作為宜來高速的控制線工程以及柴埠溪景區重要的景觀橋梁，采用雙層鋼桁梁斜拉橋，結構輕盈簡潔、通透柔美，與當地景觀相協調。該橋設計思路可為同類型橋梁的建設提供參考。