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清江特大桥桥型方案技术论证(交通)

清江特大桥桥型方案技术论证(交通)

                         饶西平1    1  林志栋2

1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司  武汉430071;  2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司  武汉430056

摘要清江特大桥为库区大跨度桥梁结构,桥位处两岸地形陡峻,成V”字形峡谷。库区水深较大,库底深度近200 m。受峡谷风影响,桥面设计风速达31 ms。交通运输条件较差,受下游大坝限制,大型船只无法进场辅助施工。针对清江特大桥特殊的地形、地质、水文、通航、气象、交通运输条件等因素,对悬索桥、斜拉桥、拱桥方案进行技术论证,分析了不同桥型的结构受力特点及技术难度、施工难度及风险,以及养护难度、景观效果及工程造价等问题。

关键词  库区大跨度桥梁方案设计方案比选

    清江特大桥位于水布垭水库库区内,距水布垭大坝约1.8 km,见图1。桥位处河谷深切,地形上构成了“V”字形峡谷(见图2),起点长岭岸坡度约为500,终点泗淌岸上缓下陡,水面以上坡度约为400

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    桥位处地形陡峻,水深较大(水库底深度近200 m),通航净宽要求高(不小于210 m),若桥梁下部构造及基础设置于水中,施工难度极大,且运营期间不得影响通航,因此必须采用一跨直接跨越水面,要求主跨跨径大于380 m

    纵观国内已建成的连续刚构、连续梁、矮塔斜拉桥等桥梁实例,2008年建成的重庆长江大桥复线桥采用了连续刚构,主梁采用钢一混结合梁,跨径为330 m,而1997年建成通车的虎门大桥航道桥,为国内建成的跨径最大的预应力混凝土主梁连续刚构桥,跨径仅为270 m,且存在不同程度的主梁开裂、下挠等弊端,而连续梁、矮塔斜拉桥跨越能力更难达到本桥跨径要求。因此桥型方案未选择连续刚构、连续梁、矮塔斜拉桥。

    跨越能力大于380 m的桥型,可供选择的包括悬索桥、拱桥和斜拉桥及其适当变化后的组合桥型。因此,结合现场实际提出了悬索桥、拱桥和斜拉桥3种桥型方案。悬索桥可采用钢桁架悬索桥和钢箱梁悬索桥2种结构类型;拱桥方案可采用上承式和中承式,按380 m施工水位设置拱座位置,若采用上承式拱桥,矢跨比需17.2,拱脚受力较大,故拱桥方案仅考虑中承式拱桥方案。基于上述分析,桥型方案重点研究悬索桥方案、中承式拱桥方案、斜拉桥方案。

1  跨径拟定及桥型方案选择

1.1悬索桥方案

    悬索桥方案按380 m施工控制水位设置主塔基础,对应跨度为390 m,但由于两岸地形陡峭,高差较大,引桥设置困难。为减少引桥孔数,降低墩高,悬索桥主跨适当增加,拟定为420 m。同时,主塔基础位于泗淌岸缓坡平台处,便于施工。

    悬索桥初步拟定了4种加劲梁方案,分别为:混凝土板式、钢混叠合板式、钢桁架、钢箱梁,见图3

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    由于桥面设计基准风速较大(31 m/s),桥宽较窄(结构宽度12 m,吊索横向间距13.3 m),宽跨比较小(131.6),加劲梁选择主要由抗风稳定控制。

    混凝土板式加劲梁和钢混叠合板式加劲梁抗风颤振稳定指数分别为9.09.5,颤振稳定安全等级均为4级,抗风性能不够理想。

    因此选择抗风性能较好的钢桁架和钢箱梁悬索桥方案,进行同深度比较,见表1

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    根据现场场地及运输情况,钢箱梁由于构件大,运输困难,需要大型拼装场地等缺点,故设计优先考虑钢桁架悬索桥方案。具体孔跨布置为2×25 m(T)+420 m(单跨双铰悬索桥)+3×25 m(T)。桥梁全长561 m,桥梁净宽:1.5 m(人行道)+8m(车行道)+1.5 m(人行道),桥型整体布置见图4

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1.2拱桥方案

    根据经验,本类桥梁的矢跨比一般在141/5之间,矢跨比越大,拱脚弯矩越小。经试算,本桥拱肋受力主要由拱脚弯矩控制,因此,宜选用较大矢跨比。

    为尽量减小主跨跨度、降低桥梁建设规模、节约工程造价,在满足结构受力合理性前提下,采用桥面处于拱肋矢高相对较高位置,拱肋桥面系上矢高/拱肋矢高=0. 430. 44,根据论证的桥面高程,分别拟定了1414.515矢跨比对应的孔跨布置。

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综合考虑受力情况、主桥建设规模,选取14矢跨比,主拱肋对应净跨度为410 m,起拱线高程393 m,拱座底高程为385.0 m,满足施工水位 (380 m)的要求。

    拱桥方案为净跨410 m的中承式拱桥,拱肋形式可采用钢管拱或钢箱桁架拱。但由于钢箱桁架拱用钢量较大、造价较高、技术难度大,设计优先考虑中承式钢管拱方案。

1.3斜拉桥方案

    斜拉桥受边跨地形限制,宜尽量减少主跨跨径,增加边中跨比,以利于结构配重需要。按380m施工控制水位设置承台底高程,对应主跨为390 m。边跨长度受路线直线段长度限制,可采用的最大边跨长度为140 m,此时,斜拉桥边中跨比为0. 36,略小于常用的0.40.45的边中跨比,但通过适当增加边跨截面、设置压重可进行平衡。因此,斜拉桥孔跨拟定为140 m+390 m+140 m

    斜拉桥方案主跨为390 m,处于混凝土斜拉桥的经济跨度,且钢结构主梁存在造价较高、后期养护维修量大等问题,设计优先考虑混凝土斜拉桥方案。

2方案比选

    根据钢桁架悬索桥方案、中承式拱桥方案、混 凝土斜拉桥方案,将从结构受力及技术难度、施工难度及风险、养护难度、景观效果及工程造价等方面进行综合比较。

2.1结构受力及技术难度

    主跨420 m钢桁架悬索桥,在悬索桥中属较小跨径,技术难度最低,同时主缆自平衡状态下桥塔在成桥状态下主要承受竖向荷载,对地质适应能力较好。综合考虑活载最大竖向挠度、抗风稳定性、主缆用钢量,通过比选,主缆垂跨比选择1/10,矢高为42 m。主缆边跨散索点至主塔中心线距离为130 m,边中跨比为0.309 5,恒载平衡状态时,主索鞍两侧主缆夹角相同,主缆张力相同,可充分保证主缆抗滑要求。边中跨比对桥梁刚度也有一定影响,边中跨比越小,桥梁刚度越大。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)的规定,在成桥阶段主要考虑的6种荷载组合作用下,结构整体变形均能满足规范要求。

    主跨410 m中承式钢管拱,属同类桥型中较大跨径,技术难度相对较高,同时主拱座产生较大的推力,对地质要求较高。由于本方案跨度较大,宽度相对较小,因此,横向稳定是制约本桥设计的一个关键问题。稳定分析模型在空间计算模型的基础上进行修改,活载采用等效均布荷载十跨中集中力的方式,分析以下工况的稳定系数:①成桥恒载的稳定系数;②恒载十全幅车辆及人群荷载的稳定系数;③恒载十全幅车辆荷载十风荷载的稳定系数。计算表明,恒载占全部荷载的比例最大,活载的影响相对较小,风载对稳定的影响几乎可以忽略不计,计算结果见表3

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    主跨390 m斜拉桥,跨度适中,技术难度相对较低,但桥塔基础需承受一定的水平力作用,对边坡稳定要求较高。由于本方案的桥面宽度较窄,经计算,所需的主梁横梁截面高度较低。在同高度的主梁截面条件下,虽然实心边主梁截面较箱型边主梁截面在混凝土用量上稍有增加,但实心边主梁易于施工。箱型边主梁截面由于施工需要,要求截面高度不能取得太低,在与实心肋截面面积相同的条件下,其刚度远大于实心肋截面,意味着主梁上分配的弯矩将大于实心肋截面,而且其箱内构造复杂,施工的困难程度和耗费的时间、费用将大于实心边主梁截面。综合比较,本桥主梁采用实心边主梁截面较为合适。为确保桥梁在各个施工阶段以及运营状态下的结构稳定性,通过建立空间有限元模型,对主桥的最不利施工阶段以及成桥阶段进行总体静力稳定验算。验算的4个最不利阶段为:①阶段1-裸塔;②阶段2-最大双悬臂;③阶段3-最大单悬臂;④阶段4-成桥。荷载工况:进行稳定性分析时,外荷载类型有:永久作用以及风荷载。施工阶段进行稳定性验算时,施工期设计基准风速取10年重现期的设计风速。在成桥阶段稳定分析时,外加荷载为永久作用和风荷载。结构在上述4种状态下的失稳形态及相应的安全系数见表4

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 2.2施工难度及风险

    钢桁架悬索桥方案主桁架采用工厂焊接成桁片,再经由陆路或水路运输至现场拼装场地,在场地拼装为节段后由缆索吊吊装。采用这种方式可以大大降低运输风险,化整为零,由于钢桁架节段重量较轻,吊装过程风险较低,本方案施工难度及风险均较低。

    中承式拱桥方案主拱肋采用散件运输,工地拼装成节段,缆索吊吊装。由于节段重量加大,施工过程中稳定要求较高,主拱肋在成拱过程中焊接质量及线形控制较难。因此本方案施工难度及风险较高。

    混凝土斜拉桥方案主梁采用前支点挂篮悬浇施工。目前国内在390 m左右跨度范围内的类似桥梁较多,施工工艺成熟,施工风险和难度较低。

2.3养护难度及运营风险

    钢桁架悬索桥方案主缆、吊杆、钢桁架需要后期养护,在设计中由于有猫道及检修车,所以其养护工作量及养护难度一般。运营阶段,由于主要构件受力明确,风险较低。

    中承式拱桥方案拱肋、吊杆、桥面系需要养护,尤其是拱肋采用组合桁式结构,增加了养护难度。运营阶段由于存在钢管与管内混凝土脱空风险、短吊杆疲劳风险、桥面系开裂风险,因此其整体运营风险较高。

    混凝土斜拉桥方案其后期养护难度最低,根据目前国内已建成的类似跨径桥梁,主要存在后期桥面开裂问题,运营阶段结构本身不存在类似拱桥方案的风险,风险较低。

2.4景观效果

    3种桥型方案整体景观效果均较好,可很好地与桥位适应,与周边环境构成了各具特色的景观效果。其中钢桁架悬索桥方案造型纤细轻盈,优美而富有气势;中承式拱桥方案造型具有古典美,与水面倒影交辉相映;混凝土斜拉桥方案造型简洁明快,具现代气息。因此从景观效果来看,3种桥型方案各具特色,不分伯仲。

2.5工程造价

    工程造价是影响桥型方案选择的重要因素之一。初步计算3种桥型建安费见表5,其中钢桁架悬索桥最高,混凝土斜拉桥次之,中承式拱桥最低。

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3结语

    (1)钢桁架悬索桥方案虽造价稍高,但运输、吊装方便,施工、运营风险较低,后期养护维修量适中,故予以优先推荐。

    (2)中承式拱桥方案虽造价较低,但施工及运营风险相对较高,后期养护维修量相对较大,全寿命周期成本较高。

    (3)混凝土斜拉桥方案虽造价稍高,但施工期间无大构件的运输、拼装、吊装,施工便利,运营风险相对较低,主梁后期无需定期刷漆,养护维修量相对较小。

    本文通过对清江特大桥3种桥型方案的比选,为今后在类似地形条件及类似桥梁跨径的设计,提供了一定的经验及参考。

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