京杭運河泗陽桃源大橋總體設計研究

曹偉星、汪蕊蕊、鄒韻

(華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

京杭運河泗陽桃源大橋作為一項重要的基礎設施工程，對當地的交通便利性和經濟發展產生深遠的影響。大橋跨越水路和城市地區，連接了運河兩岸，不僅是一條交通要道，更是一座具有代表性的工程，體現了現代工程技術的高度成就。

本文著重介紹京杭運河泗陽桃源大橋的總體設計，以及在設計和施工過程中所面臨的一系列技術挑戰和地質環境條件。該大橋的規模宏大，設計和建設涉及多個關鍵領域，如橋梁結構、地質工程、交通規劃等，因此，對其全面的總體設計是確保工程順利完成的關鍵。

大橋所在地區地勢復雜，地質條件多變，加之跨越的是京杭運河這一重要水路，設計與施工面臨著許多挑戰。通過深入研究大橋的總體設計和相關技術，可以更好地理解這一杰出工程的背后故事，以及它對當地社區和經濟的積極影響。這一工程將為該地區的可持續發展和交通改善做出突出貢獻，同時也為工程師和研究人員提供了寶貴的經驗教訓，將對今后類似工程的實施產生積極的啟發作用。

1 工程概況

京杭運河泗陽桃源大橋位于泗陽主縣城的西南面，橋梁主橋長615m，北岸引橋長295m，南岸引橋長150m，呈南北走向。路線起自桃源南路與眾興路平交口，向南依次跨越濱河大道、京杭運河、雙河路后與綠洲路平交，之后跨越古黃河與楊柳路相交，繼續向南繞城南植物園與水杉大道平交，項目全長2.084km。

該工程所在京杭運河屬內河水系，河道常年水流平緩，沖淤量不大。橋位處航道段在自然條件下較為穩定，多年來河道邊界與河勢均沒有發生明顯變化。該項目區域構造屬下揚子準地臺蘇北凹陷的泗陽(眾興—王集)隆起，北西側約24km 為陸集—劉集向斜盆地，南東側約16km 處為龍集—趙集向斜盆地，西側約40km 處為郯廬斷裂帶，此區域的斷裂均為非全新世活動斷裂，可不考慮其對該項目的影響。

該橋建設總里程1060m，主線車道數采用雙向六車道，輔道采用雙向四車道。項目區屬徐淮黃泛平原區，微地貌單元屬于黃河泛濫及沖積平原區決口扇平原，桃源大橋北側，現狀為濱河風景區及市政道路（桃源路），路兩側主要為商鋪及住宅區。南側主要為旱地及密集的民房，地勢較為平坦。地面標高一般在14.8～18.8m。橋址區位于黃淮沖積平原工程地質區，近場區的地質構造特征表明，該地區不存在全新世活動斷裂，因此工程場地的穩定性得到了有效保障。場地地層的組成具有一定的特點，依次包括第四系全新統、更新統、上新統的粉土、粉質黏土、細砂、中砂以及黏土層。而在基巖層面，主要包括第三系的中砂（半成巖）和黏土巖（半成巖），以及太古界至下元古界的膠東群洙邊組綠泥石云母片巖。

在工程地質方面，該地區的中下部巖土層具備較好的工程地質性質，使場地屬于Ⅱ類場地。場地的地基土主要為中軟土，而場區上部則分布著1～2 層軟土。這些地質特征將在工程施工和設計中提供有力的支持，有助于確保工程的順利進行和長期穩定性。

2 主要技術規格

公路等級：城市主干路；設計速度：主路60km/h，輔道30km/h；橋面寬度：40.6m；汽車荷載等級：公路I 級（城-A 級驗算）；橋位區抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.1g，地震特征周期為0.4s；通航標準：II 級航道，通航凈空不小于330m×9m。

3 結構設計

3.1 橋跨布置及結構體系

綜合考慮橋址地理特征、地質條件、地震潛在風險、氣象條件、水文狀況、航運需求及堤防等因素，該項目對于實現單孔雙向通航提出了明確的要求。在進行多項比選后，決定采用主跨385m 的雙塔中央雙索混合梁斜拉橋設計[1]。該設計的主跨長度正好落在斜拉橋的經濟跨度范圍內，并且通過索塔的獨特造型，可使其成為當地的標志性建筑。京杭運河泗陽桃源大橋的主跨布局為95m+115m+385m+115m+150m，總長度為1060m。該大橋采用雙塔中央雙索混合梁斜拉橋結構，邊中跨比為0.2987。主塔的基礎采用了嵌巖樁技術，而引橋的上部結構采用了預應力混凝土現澆箱梁，下部支撐則采用花瓶墩和鉆孔灌注摩擦樁。整個橋梁采用全漂浮體系設計，同時在索塔和過渡墩的位置設置了橫向抗風支座，以及在索塔處配置了縱向阻尼及限位裝置，以確保橋梁在各種條件下的安全性和穩定性（見圖1）。

圖1 京杭運河泗陽桃源大橋立面布置(單位：cm)

3.2 索塔

該橋位于泗陽縣城中心區域，橫跨京杭大運河，與媽祖文化園相望，大橋建成后需與周邊環境相融合，景觀要求高。綜合考慮結構受力、景觀、工程造價、耐久性等因素，采用獨柱異形混凝土塔。承臺以上總高100m，主梁橋面以下塔柱高度為13.844m，主梁橋面以上塔柱高度為86.156m。橫橋向寬度5m，主梁位置漸變至塔底7.5m，均為直線變化。順橋向為異形，形似水滴或寶瓶，塔頂寬度6m，通過直線段、圓弧段、直線段、圓弧段漸變至縱向最寬處12m，再通過橢圓段、直線段漸變至塔底寬度7.5m。

上塔柱和中塔柱采用空心薄壁斷面設計，上塔柱的壁厚為80cm，中塔柱的壁厚為100cm，在靠近主梁位置的部分，壁厚增加至120cm，下塔柱采用實心斷面設計。索塔的結構構造細節如圖2 所示。

圖2 索塔構造(單位：cm)

3.3 主梁

主梁主跨385m 采用鋼箱梁，兩側邊跨各115m 采用混凝土梁，中間跨度的鋼箱梁與兩側的混凝土梁之間通過鋼混結合段進行連接，結合部長度2m。

3.3.1 邊跨混凝土箱梁

主梁邊跨采用混凝土箱梁，混凝土主梁梁高3m，采用單箱五室斷面，中間箱室寬度4.6m，次邊箱室寬度7.45m，邊箱室寬度8.15m；主梁頂板、底板、斜底板厚度30cm，頂板與腹板用120×30 倒角過渡，底板與腹板間倒角30×30。邊跨混凝土梁標準橫斷面如圖3所示。

圖3 1/2 邊跨混凝土梁標準橫斷面(單位：cm)

3.3.2 中跨鋼箱梁

主梁中跨采用抗扭性能較好的單箱五室整體鋼箱梁斷面，索塔需從鋼箱梁中央穿過，在索塔位置鋼箱梁預留孔洞，全寬40.6m，梁高3m，頂面2% 橫坡，底面水平，采用Q345qD 鋼材。中間箱室寬度5.6m，次邊箱寬度8.2m，外側邊箱寬度9.3m。斷面由正交異形鋼橋面板，底板、斜底板、內外腹板、橫隔板組成。鋼箱梁的標準段長度為12.8m，整座橋梁被劃分33 個這樣的標準段，每個標準段的重量約為291t，通過環焊縫連接。鋼箱梁的橫截面細節如圖4 所示。

圖4 1/2 鋼箱梁橫斷面（單位：mm）

鋼箱梁的結構參數如下：頂板厚度為18mm，具有U 形橫向肋，間距為600mm，上口寬度為300mm，高度為280mm，厚度為8mm。底板的板厚為16mm，其中在索塔和輔助墩的局部區域進行了加厚，采用U 形加強結構，橫向肋的間距為800mm，上口寬度為400mm，高度為260mm，厚度為6mm。在內腹板方面，板厚為24mm，而中間腹板的厚度為14mm，外腹板的板厚為16mm，這些板材均采用了板肋加強結構。橫隔板采用實腹式結構，間距為3.2m。一般情況下，橫隔板的板厚為12mm，但在索塔兩側，橫隔板的板厚增加至20mm。

3.3.3 鋼混結合段

中跨鋼梁與邊跨混凝土梁間通過鋼混結合段連接，結合段鋼梁側在U 肋和板肋上進行加強，混凝土梁側設置倒角和橫梁，使剛度過渡更加平穩，應力傳遞更趨平順。在鋼梁加勁過渡段與混凝土梁加強過渡段之間，引入鋼混結合部，其結構采用了有格室后承壓板式構造。鋼梁截面內力一部分通過承壓鋼板傳至混凝土，另一部分通過抗剪連接件傳至混凝土，結合部長度2m。鋼混結合段構造見圖5。

圖5 主梁鋼混結合段構造（單位：mm）

3.4 拉索

斜拉索采用扇形布置，中央雙索面，為適應索塔內部張拉空間有限的特點，該橋采用鋼絞線斜拉索，鋼梁段標準索距12.8m，拉索橫向間距為4.2m，混凝土梁段標準索距6.9m，在塔上的索距為2m。整座橋梁共設置了4 組×14 對斜拉索，這些索的長度在57～200m 之間變化，總共重約833t。

拉索與鋼箱梁的錨固采用鋼錨箱構造，錨箱與中間腹板焊接傳遞拉索索力，錨箱布置于兩橫隔板之間，在腹板另一側設置縱橫向加勁，擴散集中力。拉索與混凝土梁的錨固在橫梁與中間腹板交叉位置梁底預埋鋼盒，拉索錨頭置于鋼盒內，并設置底封板密封。梁端錨固為固定端。拉索與索塔的錨固采用鋼錨梁，設置鋼牛腿。斜拉索通過錨梁兩側錨箱錨固于主塔上；恒載拉索水平分力由錨梁平衡，豎向分力通過設置于塔壁的焊釘連接件傳至主塔；錨梁上張拉斜拉索。

在拉索及主梁間設置減震阻尼裝置，起到減震效果，同時在斜拉索外層防護套上設置雙螺旋線以減小風振的影響[2-3]。

3.5 過渡墩和輔助墩

一個輔助墩位置橫橋向設置兩個墩柱，墩柱間距22m，截面縱橫向尺寸均為2.5m。下接承臺樁基礎，承臺平面尺寸為6.25m×6.25m，厚度3m。單個承臺下接4 根樁基礎，樁基直徑1.5m。

過渡墩構造除墩柱頂部做成擴大頭，同時提供主引橋支撐外，其余構造同輔助墩。墩柱頂部縱向尺寸3.7m，變化段高度3.15m，橫橋向等寬2.5m。

4 施工方案

第一階段，首先施工索塔基礎、輔助墩、過渡墩基礎及承臺，然后施工過渡墩、輔助墩墩身，完成索塔塔柱施工。第二階段，在邊跨搭設支架并預壓，在支架上立?，F澆邊跨混凝土梁端，并在混凝土強度達到設計值的90%以后，張拉梁段預應力鋼束，并安裝鋼混結合段，澆筑結合段混凝土，待混凝土強度達到設計值的90%以后，張拉結合段預應力鋼束[4]。第三階段，首先，搭設塔區支架并進行預壓操作，隨后利用浮吊吊裝主梁的梁端，同時對塔梁進行臨時固結。其次，組裝橋面吊機，以便進行梁段的對稱懸臂施工。再次，使用橋面吊機吊裝主梁，并安裝第一對斜拉索，完成第一次張拉斜拉索。最后，將橋面吊機前移，進行第二次張拉斜拉索，重復執行前述兩個步驟，直至懸臂施工接近中跨合龍段。第四階段，進一步延續懸臂施工至中跨合龍段，并隨后拆除兩側邊跨支架。中跨合龍完成后，解除對塔梁的臨時固結。第五階段，拆除橋面吊機，進行鋼箱梁的涂裝整修工作，并安裝橋面系及縱向阻尼裝置。最后，進行竣工加載試驗，并完成橋梁的竣工通車。

5 結構計算

總體采用靜力計算，采用Midas Civil 軟件，斜拉索采用桁架單元，主塔和主梁采用梁單元。邊界條件采用塔底固定約束，暫不考慮基礎剛度，在塔梁處設置橫向抗風支座，所有的支座設置豎向約束，一側支座設置橫向約束。汽車荷載考慮按1～6 車道加載，取最不利，縱向折減系數為0.97。沖擊系數按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）的規定計算[5]。人群荷載根據《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）按 照2.4kPa 加 載[6]。

橋梁在汽車和人群荷載作用下，最大豎向撓度之和為41.5cm＜L/400=96.3cm，滿足規范要求。

在橋梁完工狀態下，索塔的塔身承受最大的壓應力為-11.7MPa。在標準荷載組合下，索塔的最大拉應力為5.0MPa，而最大壓應力為16.9MPa。值得注意的是，最大壓應力出現在斜拉索下方的截面。

基本組合下，鋼梁上緣最大壓應力1.1×141=155MPa，位于主墩；鋼梁下緣最大拉應力1.1×128=141MPa，位于中跨跨中區域。斜拉索標準組合下最大索力6963kN，為邊跨最外側拉索。京杭運河泗陽桃源大橋各主要受力構件在E2 地震作用下的地震響應均滿足要求。

鋼混結合段混凝土梁段最大主拉應力約2.5MPa，最大主壓應力約11.5MPa，滿足規范要求。鋼結構整體應力水平較低，如圖6 所示。在底板鋼束錨固位置，受模擬限制，局部應力較大，但范圍較小，實際有錨墊板等鋼板進行應力擴散，受力滿足要求[7-8]。

圖6 鋼混結合段鋼結構底板應力分布

6 結語

泗陽桃源大橋是《泗陽城市總體規劃（2011—2030）》中規劃的城市主干路桃源南路的重要組成部分，是泗陽縣干線交通網中的重要通道。

索塔塔形結合了當地文化特色，采用獨柱形索塔方案，桃源大橋為主跨385m、邊跨115m 的邊中跨比將近0.3 的斜拉橋，最適合的主梁結構形式為混合梁。

采用鋼-混凝土混合梁工程方案，其中邊跨部分選用預應力混凝土箱梁結構，而主跨段則通過架橋機吊裝方式進行施工，可以充分利用施工控制條件，降低工程費用，并且通過控制邊跨長度，減少主跨的變形和受力。考慮到該橋建設工期緊迫，采用全鋼箱梁施工速度快、施工質量易控制、充分體現鋼材低碳環保的優勢。

鋼箱梁頂板采用正交異性橋面板，橋面鋪裝擬采用3cm ECO 改性聚氨酯混凝土+4cm 改性瀝青混凝土方案。鋼混結合段兩側剛度差異大，受力復雜，采用有格室后承壓板式結合部，實現剛度、應力傳遞平順。格室內部布置焊釘、開孔板連接件，實現鋼混間連接；根據結構受力，底板縱向預應力錨固在鋼橫隔板上，并設置加勁構造，確保鋼梁-混凝土梁緊密連接。