跨南水北調特大橋方案比選研究

顏浩杰

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450001）

0 引言

南水北調工程已通水運營，為保證水源質量，后跨越南水北調的道路需采用橋梁一跨式跨越［1］。因路線走向或其他控制點的制約，后跨越橋梁不一定能正交跨越，與干渠有一定的夾角，從而增加了橋梁跨徑［2］。橋梁方案的比選對結構的力學性能、適用性、經濟性及美觀性等方面尤為重要。

文中以某高速跨越南水北調干渠特大橋為依托，對跨越南水北調總干渠適合的橋梁結構體系進行比選，對比分析適合結構體系的不同橋梁方案，并對推薦方案的結構控制性受力性能進行分析，對跨越南水北調干渠橋梁和類似橋梁方案的選擇提供思路。

1 工程概況

橋位所在處路線與南水北調總干渠相交，緊鄰已運營高速的樞紐互通、高鐵、普通鐵路、市政道路等主要控制點。由于橋位處控制因素的制約，橋軸線與南水北調總干渠中心線呈130°斜交。受路線先行下穿已運營高速和高鐵限制，主墩處橋面至地面最大高度約為18m。

后跨越干渠的橋梁需主跨一跨跨越總干渠兩岸防護圍欄，橋梁承臺施工基坑開挖不能影響總干渠防洪堤及渠道內邊坡，并應采取一定支護措施，避免對總干渠防護圍欄及防護堤產生影響。

依托工程交叉點處南水北調總干渠斷面正寬160.18m，路水交角130°，主跨兩承臺前沿最小距離為228.95m，考慮承臺寬度和施工安全距離后確定橋梁主跨跨徑應不小于265m。

2 橋梁結構體系比選

主跨跨徑在250～300m范圍、位于平原微丘區的橋梁通常采用預應力混凝土連續剛構、鋼管混凝土拱橋、鋼箱梁自錨式懸索橋、預應力混凝土斜拉橋及預應力混凝土部分斜拉橋5種結構體系。

預應力混凝土連續剛構橋主梁采用掛籃懸澆施工，施工技術成熟，施工周期短；但該橋橋位處由于路線限制，橋墩太低，墩身剛度太大，溫度荷載和抗震計算無法通過，該結構體系不可行。

鋼管混凝土拱橋設計技術成熟，景觀效果也較好；但需搭設支架施工，南水北調總干渠不允許搭設支架，施工技術不可行；鋼管拱需定期防腐涂裝，對水源會造成污染，不滿足環保要求，該結構體系不可行。

鋼箱梁自錨式懸索橋設計技術成熟，景觀效果也較好。自錨式懸索橋通常采用先梁后索的施工方法，加勁梁的施工一般采用支架現澆或頂推施工［3］。南水北調總干渠不允許搭設支架或臨時墩，加勁梁無法施工，施工技術不可行。鋼箱梁需定期做防腐涂裝，無法通過環保評審，因此結構體系不可行。

預應力混凝土斜拉橋結構受力合理；索塔較高，主塔施工難度較大，施工周期較長；工程造價較低，但運營成本較高［4，5］。橋塔較高，與周邊環境不協調，可作為比較方案。

預應力混凝土部分斜拉橋結構受力合理，抗震性能和耐久性好；施工技術成熟，施工周期短；工程造價和運營成本低；橋梁造型美觀，與周邊環境較協調，是安全、實用、經濟、美觀、環保的橋梁結構形式［6-8］，可進行深入分析。

3 方案比選

預應力混凝土斜拉橋和部分斜拉橋能夠一次性跨越南水北調總干渠，設計、施工技術成熟，施工和運營期間不會對南水北調干渠造成污染，因此初步選定部分斜拉橋、單塔斜拉橋、雙塔斜拉橋、雙塔斜拉橋（漂浮體系）四種橋型方案進行對比，并從結構受力、施工難易、建設周期、經濟性、美觀及后期運營養護等方面對橋型方案進行比選。

3.1 部分斜拉橋

雙塔單索面預應力混凝土部分斜拉橋方案，結合橋位處情況，跨徑布置為（143+265+143）m，邊中跨比0.539，采用塔梁固結、墩頂設支座的結構形式；下部結構采用矩形空心墩，承臺群樁基礎。

上部結構采用采用單箱三室預應力混凝土箱梁，箱梁頂寬29.5m，底寬14.43～16.63m，箱梁外腹板斜置；支點梁高8.5m、跨中梁高5.0m。梁高在支點60m范圍內按1.8次拋物線變化。斜拉索布置在中室，橫向布置兩根。主塔采用鋼筋混凝土A型橋塔，布置在中央分隔帶上，塔高41.5m，為主跨1/6.38。部分斜拉橋方案效果如圖1所示。

圖1 部分斜拉橋方案效果

部分斜拉橋方案結構受力合理，主梁采用常規的掛籃懸澆施工，施工工藝成熟；塔型簡約、索面清爽、橋面視野開闊、空間透視性好、與周邊環境協調；主塔高度適中，施工簡單；斜拉索一次張拉，不用二次調索，施工較為方便。該方案建設周期22個月，建安費約18225萬元，后期養護成本也低，各方面性能均較好。

3.2 單塔斜拉橋

單塔雙索面預應力混凝土斜拉橋方案，結合橋位處情況，采用（221+265）m跨徑布置，邊中跨比0.834，采用墩塔固結、漂浮體系的結構形式，橋塔處主梁設2個橫向限位裝置；下部結構采用承臺群樁基礎。

主梁采用雙主肋等高預應力混凝土梁，中心處高2.5m。主梁全寬30.7m，頂板寬27m，厚0.25m。斜拉索扇形布置，塔上豎向索距2m，梁上錨固點縱向索距分6m和7m兩種，邊跨密索區索距3m。斜拉索在梁端齒板錨固，塔端采用錨具直接錨固。主塔采用預應力混凝土H型橋塔，箱型斷面，布置在主梁兩側，橋塔總高131.6m，為主跨1/2.01。單塔斜拉橋方案效果圖如圖2所示。

圖2 單塔斜拉橋方案效果

單塔斜拉橋方案設計技術成熟，結構受力分配合理，主梁采用掛籃懸澆施工，施工工藝成熟。塔型中規中矩、受力合理、穩定感好，但因橋梁斜交角度大，雙索面較為凌亂，橋塔過高與周邊環境不協調，景觀效果較差，且橋塔高、施工難度較大；斜拉索需進行二次索力調整、工序較為復雜。該方案建設周期28個月，建安費約18336萬元，后期養護成本高。

3.3 雙塔斜拉橋

雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋方案，結合橋位處情況，采用（132.5+265+132.5）m跨徑布置，邊中跨比0.5，采用墩塔梁固結的結構形式，墩身采用鋼箱梁混凝土斷面形式，群樁基礎。

主梁采用單箱三室預應力混凝土箱梁，箱梁外腹板斜置，箱梁等高，梁高3.5m。箱梁頂寬29.5m，底寬13m；斜拉索布置在中室，橫向布置兩根。主梁標準段長度6.5m，邊跨拉索加密段5.95m。拉索采用扇形布置，梁上拉索錨固點橫向間距為1.2m，縱橋向標準索距6.5m，塔上標準索距1.9m。主塔為鋼筋混凝土柱式橋塔，布置在中央分隔帶上，塔高72.7m，主跨1/3.645。雙塔斜拉橋方案效果圖如圖3所示。

圖3 雙塔斜拉橋方案效果

雙塔單索面斜拉橋方案結構受力合理，主梁也采用成熟的掛籃懸澆法施工。但橋塔較高，在該地區景觀效果一般，且施工較困難；斜拉索也需進行二次索力調整，工序較復雜。該方案建設周期24個月，建安費費約18297萬元，后期養護成本也較高。

3.4 雙塔斜拉橋（漂浮體系）

雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋方案，結合橋位處情況，跨徑布置為（132.5+265+132.5）m，邊中跨比0.5，采用漂浮體系結構形式；下部結構承臺群樁基礎。

主梁采用雙主肋混凝土梁。主梁中心處梁高2.5m，主梁全寬30.7m，頂板寬27m，厚0.25m。拉索扇形布置，主橋各塔均布置21對斜拉索，在每個索塔處布置一對0#索及橫橋向限位裝置。拉索縱橋向標準索距6.0m，邊跨密索區索距5.5m。塔上標準索距1.5m，塔底距塔上第一對拉索距離為55m。

雙塔斜拉橋（漂浮體系）方案結構受力合理，主梁采用牽拉掛籃懸澆施工，施工工藝成熟；但主塔高，施工困難；斜拉索索力也需進行調整，施工較復雜。該方案建設周期26個月，建安費約19475萬元，后期養護成本也較高。

3.5 部分斜拉橋結構驗算

采用有限元模型對重點推薦的部分斜拉橋進行結構驗算，按照該橋設計時采用的JTGD 62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（以下簡稱規范）的各種荷載組合規定按全預應力混凝土構件對其上部結構受力構件進行驗算。主梁受力和斜拉索索力是部分斜拉橋上部結構驗算的控制性內容，因此重點對其進行驗算。橋上部主梁、主塔采用梁單元模擬，共488個單元，斜拉索采用桁架單元模擬，劃分為80個桁架單元；其中1為左邊跨支點單元，100、106分別為左主塔雙肢下主梁單元，292、298為右主塔雙肢下主梁單元，398為右邊跨支點單元，結構計算模型如圖4所示。

圖4 空間桿系結構離散計算模型

3.5.1 主梁持久狀況正常使用極限狀態驗算

按照規范對主梁正截面抗裂和斜截面抗裂進行驗算，全預應力構件在作用（荷載）短期效應組合下，主梁的正截面不容許出現拉應力，主拉應力規范容許值為1.14MPa，主梁具體應力驗算結果見圖5、圖6。

圖5 正截面抗裂驗算

圖6 斜截面抗裂驗算

3.5.2 主梁持久狀況構件應力驗算

按照規范對主梁正截面混凝土法向壓應力和斜截面混凝土主壓應力進行驗算，在持久狀況下，主梁法向壓應力規范容許值為19.25MPa，主壓應力規范容許值為23.1MPa，主梁的壓應力驗算結果見圖7、圖8。

圖7 正截面混凝土法向壓應力驗算

圖8 斜截面混凝土的主壓應力驗算

3.5.3 斜拉索拉索應力計算結果

斜拉索是部分斜拉橋的關鍵構件，對其在活載和運營階段的最大應力進行驗算。斜拉索在運營階段的最大應力位于951～1080MPa之間，沒有超過斜拉索鋼絞線的容許應力0.6fpk=1116MPa。在活載作用下，斜拉索應力最大值位于12.5～30.2MPa之間，斜拉索應力幅為31.06MPa，且符合部分斜拉橋活載作用下斜拉索應力幅較小的特點。驗算結果見圖9、圖10。

圖9 拉索在活載作用下的索力

圖10 拉索在運營階段最大索力

4 結語

文中通過對后跨越南水北調總干渠的橋梁結構體系進行比選，對適合的斜拉橋體系進行深入的方案比選，并對推薦方案的結構控制性應力進行驗算，得出如下結論：

（1）橋梁主跨跨徑在250～300m范圍，并受后跨越南水北調干渠的限制，斜拉橋方案是最為適宜的方案；對該跨徑范圍內的斜拉橋方案進行深入比選，雙塔單索面部分斜拉橋是安全、經濟、合理、高效的橋梁結構形式。

（2）在主梁結構受力方面，部分斜拉橋的主梁根部及跨中截面為驗算的控制性截面，經合理的截面設計、主梁預應力和斜拉索索力的優化配置，結構各項力學性能合理，各項指標滿足規范要求，且有一定安全儲備。

（3）在斜拉索索力方面，部分斜拉橋的索力在活載作用下具有應力幅較小的特點。