赤水市涼江大橋總體方案設(shè)計

杜 威

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

赤水市半島旅游度假區(qū)位于赤水市東南部，復(fù)興鎮(zhèn)西北部，距市區(qū)7 km，距復(fù)興鎮(zhèn)3.8 km。擬建涼江大橋位于復(fù)興鎮(zhèn)境內(nèi)，橫跨赤水河，連接涼江半島和長江半島，是半島旅游度假區(qū)內(nèi)路網(wǎng)規(guī)劃的一座重要橋梁。

1 建設(shè)條件

赤水市屬長江水系，有大小河流352 條，總長度1255 km，其中流域面積大于20 km2的河流26 條，總長度335 km。赤水市河網(wǎng)密度達(dá)到0.7 km/km2，赤水河為境內(nèi)最大的河流，屬長江一級支流。擬建大橋位于赤水市復(fù)興鎮(zhèn)下游3.3 km 處，橋址距下游赤水河口67.6 km，位于赤水河狗獅子—合江77.9 km航段，橋區(qū)航道等級為Ⅴ級。

根據(jù)勘察揭示，場區(qū)的巖土層按其成因分類主要有：第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土與細(xì)砂；下伏為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）泥巖與長石石英砂巖。自上而下敘述如下：

①質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色，可塑，層厚0.80～7.00 m，平均厚度3.05 m，為中等壓縮性土。

②細(xì)砂（Q4al+pl）：灰紅褐色，稍濕，松散，局部夾黏性土，平均厚度3.60 m。

②1泥巖（J2s）：暗紫紅色，全風(fēng)化，巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已完全風(fēng)化，層厚0.60～2.20 m，平均厚度1.52 m。

③2泥巖（J2s）：暗紫紅色，強(qiáng)風(fēng)化。層頂高程230.56 ～237.02 m，層厚1.70～3.00 m，平均厚度2.58 m。

③3泥巖（J2s）：暗紫紅-灰褐色，中風(fēng)化。該巖石飽和狀態(tài)下為軟巖，巖體完整程度為較完整，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk= 12.8 ～22.2 MPa。層頂高程179.62～234.02 m，層厚1.70～30.30 m，平均厚度13.19 m。

④長石石英砂巖（J2s）：淺灰- 灰紫色，中風(fēng)化，該巖石飽和狀態(tài)下為較硬巖，巖體完整程度為較完整，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk=34.0～57.6 MPa。層頂高程184.12～212.76 m，層厚2.50～15.2 m，平均厚度6.46 m。

依據(jù)赤水市城市總體規(guī)劃，橋梁位置選擇主要由河道情況、通航條件、岸坡地形地質(zhì)條件、路網(wǎng)規(guī)劃等因素決定。結(jié)合橋梁位于彎道上的情況，同時考慮到赤水河生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則，盡量減少大橋的建設(shè)對赤水河及赤水河內(nèi)珍稀魚類等造成影響。擬定涼江大橋采用200 m 主跨一跨跨越赤水河，在滿足通航要求的同時盡量減小橋梁建設(shè)過程和運(yùn)營階段對赤水河的影響。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：二級公路。

（2）設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級，人群荷載取3.0 kN/m2。

（3）設(shè)計行車速度：40 km／h。

（4）斷面組成：0.7 m（索區(qū)）+5.0 m（人行道）+7.5 m（車行道）+1.6 m（中間帶）+7.5 m（車行道）+5.0 m（人行道）+0.7 m（索區(qū)）=28.0 m。

（5）地震：地震動峰值加速度值為0.05g。

3 總體設(shè)計

主橋采用200 m 的單跨斜拉- 拱組合橋。主拱布置為提籃式鋼箱拱，內(nèi)傾角12°，拱軸線采用非對稱多項式懸鏈線；橋塔為無背索斜塔，傾斜角度為60°，由直線塔和曲線塔兩部分組成。其中：直線塔為混凝土矩形截面，曲線塔為鋼管截面，塔高60 m；主梁采用鋼梁，縱橫梁體系。引橋均采用16 m 跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。橋梁立面總體布置見圖1 所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

4 橋梁結(jié)構(gòu)體系

目前世界范圍內(nèi)大跨徑的斜拉- 拱組合橋?qū)嵤O少，能夠檢索到的有位于湖南湘潭的蓮城大橋（主跨400 m，見圖2）和馬來西亞吉隆坡的詹巴坦·神·紹賈拉橋（主跨300 m，見圖3）。蓮城大橋主橋跨徑布置為120 m+400 m+120 m，其結(jié)構(gòu)體系為鋼管混凝土中承式拱橋與斜拉橋組合，對稱結(jié)構(gòu)，主跨斜拉索錨點設(shè)置在拱肋上。詹巴坦·神·紹賈拉橋跨徑為300 m，其結(jié)構(gòu)體系為鋼管混凝土中承式拱橋與有背索斜塔斜拉橋組合，對稱結(jié)構(gòu)，主跨斜拉索錨點設(shè)置在主梁上。

圖2 蓮城大橋之實景

圖3 詹巴坦·神·紹賈拉橋之實景

擬建涼江大橋采用無背索斜拉橋與中承式拱橋組合共同承受橋面荷載，無背索斜塔僅設(shè)置在一側(cè)，為非對稱結(jié)構(gòu)，具有技術(shù)先進(jìn)、受力復(fù)雜、造型優(yōu)美、視覺突出等特點。涼江大橋作為創(chuàng)新型橋梁結(jié)構(gòu)體系，需要充分研究無背索斜拉橋與中承式拱橋兩種橋梁體系并將其合理融合。橋梁效果圖見圖4 所示。

圖4 涼江大橋效果圖

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 索塔

索塔由直線部分和曲線部分組成，兩部分通過聯(lián)系形成整體。

直線塔采用C50 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。直線塔高60 m，沿線路方向傾角60°。塔柱采用矩形截面，實體塔柱，橫向?qū)挾? m，高度2.5 m，左右兩側(cè)塔柱塔底端部靠近橋梁邊緣，與橫梁一起澆筑；塔頂向橋梁中心線靠近，寬度4 m，索塔正立面見圖5 所示。

圖5 索塔正立面圖（單位：cm）

曲線塔采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼材為Q345，采用φ1.5 m的鋼管，厚度28 mm。直線塔與曲線塔之間采用φ60 cm 鋼管相連，厚度20 mm。鋼結(jié)構(gòu)與橫梁間使用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件連接，索塔側(cè)立面見圖6 所示。

圖6 索塔側(cè)立面圖（單位：cm）

5.2 拱肋

拱肋采用中承式多項式懸鏈線無鉸提籃鋼箱拱，以兩拱腳連線為軸線分別向線路中心線側(cè)傾斜12°以形成提籃。單拱以拱頂為界，分左右不同拱軸系數(shù)，左側(cè)計算跨徑L=208 m，拱軸系數(shù)m=1.6，矢跨比f/L=1/5.859；右側(cè)計算跨徑L=192 m，拱軸系數(shù)m=1.4，矢跨比f/L=1/5.408；兩條拱肋之間拱腳處中線橫向間距為32.531 m；拱頂中線橫向間距17.464 m；主拱立面見圖7 所示。

圖7 拱肋立面圖（單位：mm）

拱肋采用等截面鋼箱，寬2 m，高3 m，鋼箱頂?shù)装濉⒆笥覀?cè)腹板厚均為28 mm，縱向加勁板、橫隔板厚均為18 mm。兩條拱肋之間共設(shè)三道風(fēng)撐，風(fēng)撐輪廓最大寬度6.19 m，最小輪廓寬度4 m，高0.6 m，風(fēng)撐中心以橢圓形挖孔；風(fēng)撐鋼板厚均為16 mm。主拱斷面見圖8 所示。

圖8 拱肋斷面圖（單位：mm）

5.3 斜拉索及吊桿

斜拉索及吊桿均采用PES（FD）索體，該索體為雙層HDPE 防護(hù)的全防腐索體。

吊桿采用單吊桿，最大長度約27 m，吊桿采用兩端叉耳銷軸形式，橋面縱梁作為張拉端，拱肋作為固定端。斜拉索由于索長相對較長，塔端采用螺母形式作為張拉端，梁端采用叉耳銷軸形式作為固定端。斜拉索及吊桿構(gòu)造見圖9、圖10 所示。

圖9 塔端斜拉索圖示（單位：mm）

圖10 梁端吊桿圖示

5.4 主梁

主梁采用縱橫梁體系，全寬26.6 m。主梁設(shè)三道主縱梁，四道小縱梁，橫梁間距與吊桿同間距，每8 m設(shè)置一道；主梁起點側(cè)梁端設(shè)置為混凝土結(jié)構(gòu)，與主塔固結(jié)，橫梁寬4.5 m，高2.5 m，終點側(cè)橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，橫梁寬2 m，高2.5 m。

主縱梁底板水平，頂板設(shè)置2%的雙向人字坡；主縱梁均采用箱形截面，邊梁梁寬2 m，梁高2.5 m，中梁梁寬2 m，梁高2.694 m；三道主縱梁頂?shù)装寮案拱搴穸染捎?0 mm，縱橫向加勁板厚度均采用18 mm；小縱梁采用工字型截面，梁高1.24 m，鋼板厚16 mm。

吊桿吊箱設(shè)置在橫梁端部的邊縱梁外側(cè)，每8 m設(shè)置一道，吊箱上頂板寬0.847 m，下底板寬1.230 m，高2 m，縱向長度1.5 m。主梁構(gòu)造見圖11 所示。

圖11 主梁斷面圖（單位：mm）

5.5 支承體系

主拱為無鉸拱，拱腳埋入拱座內(nèi)與拱座固結(jié)；索塔與主梁通過混凝土實體段固結(jié)，梁底設(shè)置支座支承于拱座頂面；非索塔側(cè)主梁通過支座支承于拱座墩柱上。索塔側(cè)支承構(gòu)造見圖12 所示。

圖12 索塔側(cè)支承構(gòu)造圖（單位：cm）

6 結(jié)構(gòu)計算

該橋為斜拉- 拱組合體系，采用空間有限元計算軟件MIDAS CIVIL 建立結(jié)構(gòu)空間桿系分析模型，空間有限元計算模型見圖13 所示。

圖13 空間有限元計算模型

6.1 索塔

直線塔最大軸力為9484 kN；最大正彎矩為13667 kN·m，最大負(fù)彎矩為-16500 kN·m；最大剪力為1837 kN。曲線塔最大應(yīng)力為73 MPa，最小應(yīng)力為-134 MPa。

6.2 拱肋

拱肋最大軸力為-37324 kN，最大剪力為3219 kN，全拱肋范圍內(nèi)分布較為均勻；拱肋跨中最大正彎矩為18007 kN·m，拱肋跨中最大負(fù)彎矩為-14197 kN·m；拱腳處最大正彎矩為34462.8 kN·m，拱腳最大負(fù)彎矩為-12870.8 kN·m。

活載作用下拱肋最大值為52 mm，最小值為-70 mm，則正負(fù)撓度絕對值之和為122 mm，跨度L=200 m，L/1000=200 mm，122＜L/1000，滿足規(guī)范要求。

6.3 斜拉索及吊桿

斜拉索最大索力出現(xiàn)在近索塔位置，最大索力為1408.3 kN，破斷索力為4692 kN，安全系數(shù)為3.3。吊桿最大拉力出現(xiàn)在梁端位置，最大拉力為2901.7 kN，破斷索力為7776.6 kN，安全系數(shù)為2.7。

6.4 主梁

中縱梁最大正彎矩為12961 kN·m，最大負(fù)彎矩為-14999 kN·m，最大軸力為-4024 kN，最大剪力為2234 kN。中縱梁最大彎曲應(yīng)力為83 MPa，最大軸應(yīng)力為17 MPa，最大剪應(yīng)力25 MPa。

邊縱梁最大正彎矩為9665 kN·m，最大負(fù)彎矩為-4896 kN·m，最大軸力為-1859 kN，最大剪力為-1079 kN。邊縱梁最大彎曲應(yīng)力為59 MPa，最大軸應(yīng)力為8 MPa，最大剪應(yīng)力13 MPa。

有索區(qū)橫梁最大彎曲應(yīng)力為163 MPa，最大軸應(yīng)力為9 MPa，最大剪應(yīng)力45 MPa。無索區(qū)橫梁最大彎曲應(yīng)力為174 MPa，最大軸應(yīng)力為9 MPa，最大剪應(yīng)力67 MPa。

活載作用下縱梁撓度最大值為46 mm，最小值為-87 mm，正負(fù)撓度絕對值之和為133 mm，跨度L=200 m，L/800=250 mm，133＜L/800，滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

（1）非對稱斜拉-拱組合橋梁形式具有結(jié)構(gòu)新穎，造型獨(dú)特的特點。

（2）斜塔采用直線混凝土塔與曲線鋼管塔的組合結(jié)構(gòu)，較好地解決了斜塔斜拉索張拉錨固的構(gòu)造問題，受力更加合理。

（3）斜拉橋與拱橋均屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，兩者組合在一起共同承擔(dān)橋梁荷載，索塔及拱肋與主梁的協(xié)調(diào)變形關(guān)系及內(nèi)力分配極其復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的計算分析。

（4）非對稱斜拉-拱組合橋梁形式景觀效果極具視覺沖擊力，可為同類橋梁的設(shè)計提供參考。