深水庫區(qū)大跨長聯(lián)橋橋跨及主梁設(shè)計(jì)方案分析研究

李 健

(蘇交科集團(tuán)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(jì)源至聞喜東鎮(zhèn)高速公路蒲掌至東鎮(zhèn)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(qū)，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?qū)?6.25m。該橋是本項(xiàng)目控制性節(jié)點(diǎn)工程，項(xiàng)目建成后將對(duì)加強(qiáng)豫晉兩省交通聯(lián)系、促進(jìn)豫西北和晉東南地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2 主要建設(shè)條件

(1)水文條件

橋址區(qū)為橫穿黃河，地表水為常年性流水，特點(diǎn)為旱季流量小，汛期流量增加，水庫正常運(yùn)用期至沖淤平衡狀態(tài)時(shí)，橋位主槽平均河底高程為240.97m，灘面高程為264.31m，庫區(qū)死水位在+230m左右，豐水期最高蓄水位標(biāo)高可達(dá)+275m，低水位與高水位落差可以達(dá)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(zhì)

橋址區(qū)具有較典型河流地貌特征，地形起伏較大，黃河河床內(nèi)上部地基土以第四系全新統(tǒng)沖洪積層淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂為主，下部地層以第四系中更新統(tǒng)沖洪積層卵石和古近系砂質(zhì)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(zhì)較好，力學(xué)性質(zhì)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(xiàn)橋位上游有小浪底庫區(qū)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(yù)應(yīng)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(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)(試行)》，要求黃河潼關(guān)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(jù)GM 50139-2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范規(guī)定兩橋靠近布置時(shí)通航孔必須相互對(duì)應(yīng)。

(3)根據(jù)《垣曲至澠池高速公路黃河特大橋防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》相關(guān)結(jié)論原則上主橋主跨跨徑應(yīng)≥100m，主橋跨連續(xù)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(chǔ)+柱式墩+外包鋼護(hù)筒結(jié)構(gòu)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(shù)，且橋孔與原庫區(qū)黃河大橋橋孔對(duì)應(yīng)，可能的孔跨布置為100m、150m、200m、250m等。

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

3.3 橋跨方案論證過程及結(jié)論

初步提出可選橋跨方案后，為便于橋跨對(duì)比，上部結(jié)構(gòu)均考慮為預(yù)應(yīng)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(xù)—?jiǎng)倶?gòu)結(jié)構(gòu)。主要從主要材料投入及上部結(jié)構(gòu)施工工期兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

(1)主要材料對(duì)比

從表1中數(shù)據(jù)可以看出由于跨徑的增加，上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)施工措施費(fèi)用的情況下，200m跨造價(jià)明顯高于150m和100m跨方案。

表1 主要材料對(duì)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(yù)應(yīng)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(jià)也有所降低，另外由于在高墩結(jié)構(gòu)各階段的穩(wěn)定性控制方面100m方案也更具優(yōu)勢(shì)，100m跨方案整體上有較大優(yōu)勢(shì)。

(2)上部結(jié)構(gòu)施工周期

200m跨共7個(gè)T構(gòu)，每個(gè)T構(gòu)共有25對(duì)懸澆節(jié)段；150m跨布置共有9個(gè)T構(gòu)(單幅)，每個(gè)T構(gòu)共有18對(duì)懸澆節(jié)段；100m跨布置全橋共有14個(gè)T構(gòu)(單幅)，每個(gè)T構(gòu)共13對(duì)懸澆節(jié)段。若按所有主墩均設(shè)置1套掛籃考慮，雖然100m跨方案的主梁施工掛籃數(shù)量多于其他兩個(gè)方案，但由于100m跨主梁施工單個(gè)掛籃相對(duì)其他兩個(gè)規(guī)模也相應(yīng)減少，故綜合考慮在臨時(shí)措施費(fèi)用增加不多的情況下，100m跨方案的施工周期更短。

(3)結(jié)論

根據(jù)以上對(duì)比，三個(gè)方案中100m跨主梁材料用量最少，上部結(jié)構(gòu)施工工期最短，較200m和100m跨方案能夠節(jié)省施工工期。另一方面，在高墩結(jié)構(gòu)各階段的穩(wěn)定性控制方面100m方案也更具優(yōu)勢(shì)。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(jié)構(gòu)形式選擇

根據(jù)橋跨比選結(jié)果，則黃河大橋主橋連續(xù)長度約在1420m，橋墩除連接墩及一個(gè)岸邊主墩，其余主墩高均約50m，經(jīng)初步計(jì)算主墩構(gòu)造滿足溫度力的情況下可固結(jié)中間三個(gè)主墩，故黃河大橋主橋結(jié)構(gòu)體系選擇為經(jīng)濟(jì)性較好的連續(xù)-剛構(gòu)梁式結(jié)構(gòu)體系。

4.2 主梁結(jié)構(gòu)形式提出

由于上部主橋連續(xù)長度達(dá)1420m；下部受庫區(qū)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(fù)擔(dān)的要求，同時(shí)又有橋位處E2地震作用重現(xiàn)期1000年，對(duì)應(yīng)100年超越概率10%水平加速度峰值0.1859g抗震設(shè)計(jì)要求較高的條件，無疑上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用更為輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式，連續(xù)-剛構(gòu)梁橋主梁可以采用的結(jié)構(gòu)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(zhì)量能保證。

(2)鋼箱梁首先造價(jià)高，后期養(yǎng)護(hù)工作量大。且本橋主跨徑100m，單幅橋?qū)?6.25m，施工時(shí)無論采用大節(jié)段施工方案還是小節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)焊接的施工方案，對(duì)梁段加工的組拼、存放場(chǎng)地要求高，梁段上船及運(yùn)輸難度大，與本工程的適應(yīng)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(yǎng)護(hù)工作量大。主梁墩頂附近承受較大的負(fù)彎矩作用，鋼底板承壓能力較差，由于要確保穩(wěn)定性，需對(duì)墩頂截面底板進(jìn)行較為復(fù)雜的加勁處理，用鋼量增加較多，制造和施工均復(fù)雜，故不推薦采用此方案。

(4)波形鋼腹板梁，自重較輕，對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jìn)行比選研究論證。

4.3 主梁結(jié)構(gòu)形式論證過程及結(jié)論

根據(jù)提出的主梁結(jié)構(gòu)形式，對(duì)60m+13×100m+60m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁及60m+13×100m+60m波形鋼腹板PC箱梁兩個(gè)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算、工程數(shù)量及工程概算等進(jìn)行對(duì)比。

(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)論

首先根據(jù)提出的主梁結(jié)構(gòu)形式，對(duì)結(jié)構(gòu)的單柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定及運(yùn)營階段穩(wěn)定通過Midas建模進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果詳見表2。

(2)方案主要控制條件對(duì)比

根據(jù)提出的兩種方案對(duì)其主要工程數(shù)量、施工措施費(fèi)用、施工周期及工程建安費(fèi)進(jìn)行了同深度的測(cè)算，從而能更全面地對(duì)可能方案進(jìn)行綜合驗(yàn)證，主要對(duì)比結(jié)果詳見表3。

表2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)構(gòu)

表3 方案主要控制條件對(duì)比表

(3)結(jié)論

首先兩個(gè)方案通過計(jì)算分析結(jié)構(gòu)均成立，但在運(yùn)營階段和最大懸臂施工階段，波形鋼腹板PC箱梁一階失穩(wěn)模態(tài)均為面外橫向失穩(wěn)，不如預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁方案合理。而在主要工程數(shù)量、施工周期及工程建安費(fèi)用方面兩個(gè)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(zhì)量難以保證，且預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁方案為常用梁型，施工工藝成熟，施工質(zhì)量能保證。最終設(shè)計(jì)按照60m+13×100m+60m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并成功通過了專家論證。

5 結(jié)語

隨著公路橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷成熟，特別是在常規(guī)跨徑及構(gòu)造形式的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已不是特別大的難題，但是由于每座橋梁所處的環(huán)境都有所不同，特別是在位于如深水庫區(qū)等特殊地段的橋梁，在橋梁方案確定之初由于水文、地質(zhì)、防洪等特殊需要，存在著眾多的制約因素，故在設(shè)計(jì)時(shí)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(zhì)、投資等重要因素，最終選用了符合工程實(shí)際的橋梁方案，并在實(shí)際建設(shè)過程中得到了很好的驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果，該成果也為類似工程設(shè)計(jì)與施工提供了一定的參考價(jià)值。