【原】跨汉江特殊航道桥型方案论证

职称申报 2022-12-05 发布于河南

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张山山徐欣

中交第二公路勘察设计研究院有限公司

摘要：文章以汉江牛首特大桥为背景，该桥受城市规划、汉江水产生态保护区等因素制约，需跨越汉江未整治到位的双航道段落，本文依据通航、防洪专题研究成果确定桥位，通过多方案比选，特别以独塔斜拉桥和三塔斜拉桥进行综合比较，以论证容易被忽视、感性认为单价指标很高的独塔斜拉桥在跨越双航道处的优势，同时对主梁型式进行对比分析、择优选择，为类似工程项目提供参考。

关键词：独塔斜拉桥;双塔斜拉桥;双航道;方案比选;

文章结合G207改建工程中跨汉江特大桥勘察设计情况，对跨越特殊航道段落的桥型方案进行深入比选。该段汉江航道受种种原因影响未整治到位，存在规划航道和现状航道两个可通航水域，根据省港航局初审意见，桥梁必须同等级别分别跨越两个航道。

前期定性思维局限于三塔斜拉桥、三塔悬索桥桥、钢桁架拱等桥型方案进行比选，选择造价优势明显的三塔斜拉桥方案，但忽视了感性以为造价指标很高的独塔斜拉桥方案，后期经深入比选，发现独塔斜拉桥因主桥规模缩短、主梁规模增加有限等因素，造价更具优势，景观上更加宏伟，并与附近的跨汉江桥梁不存在桥型重复，经专家评审、论证后最终推荐独塔斜拉桥方案。

由于桥梁较宽、主跨大，文章对工字梁组合梁、小边箱组合梁、整体箱组合梁和PK箱组合梁等主梁型式进行深入比选，以确定更加合适、合理的主梁型式。

文章通过论证独塔斜拉桥跨越双航道的优势、主梁型式的比选等，以期指导类似桥梁总体方案的确定。

1 工程概况

汉江牛首特大桥为G207改建工程中的控制性工程，是过汉江的又一快速通道，由于临近城区，桥梁兼顾城市道路工程，双向六车道，并设置非机动车道、人行道，桥梁标准宽度34.5m。

桥梁北岸起于牛首互通，在牛首镇西侧约900m跨越北岸大堤，在国家级水产种质资源保护区上游约800m跨越汉江，继续南延跨越南岸大堤后终止，桥梁全长4453m。

受城市规划、汉江水产生态保护区等因素制约，桥梁只能从水产保护区上游、牛首镇西侧跨越，但该段汉江航道受种种原因影响未整治到位，存在规划航道和现状航道两个可通行航道。

自2014年崔家营航电枢纽蓄水以来，工程河段水域宽阔，加上人工活动的影响，工程河段在桥位处局部出现分汊，规划航道径向宽280m，现状航道径向宽250m。

经通航论证专题评审及批复，同意推荐桥位，并要求桥梁必须同等级别分别跨越两个航道，航道范围内不允许设置桥墩，由于桥梁和航道稍有斜交，并考虑桥墩尺寸等因素，桥梁跨径要求不小于2孔330m。

防洪论证专题研究了桥位处流场情况，经建模分析，桥梁轴线基本与水流方向正交，满足汉江防洪要求。

2 桥型方案比选

根据以上分析确定的主跨330m桥梁跨径，适用桥型有斜拉桥、悬索桥和拱桥等。

(1)斜拉桥方案。斜拉桥方案采用对称悬臂拼装施工，边跨部分节段采用支架施工，施工期内不会对环境和通航造成较大影响，由于主桥采用了两个相等跨径主跨的布孔方式，故合适的桥型方案有独塔斜拉桥和三塔斜拉桥，其中独塔斜拉桥方案主桥桥长较短但单价指标较高，三塔斜拉桥方案主桥桥长较长但单价较低，两个方案在经济性上具备可比性，故独塔斜拉桥方案和三塔斜拉桥方案均是成立的，两个方案初拟总体布置如下。

图1 三塔斜拉桥方案初拟总体布置下载原图

(2)悬索桥方案。据初勘地质钻孔揭示，主桥桥位处覆盖层较厚(≥25m)且水深较深(≥15m)，并不具备修建大规模重力式锚碇的适宜条件，考虑到主跨330m的悬索桥方案跨径适中，尚处于自锚式悬索桥的适用范围，故宜采用自锚式悬索桥的结构体系，总体布置如下。受通航要求限制，河道内并不具备沿主梁全长搭设满堂支架的条件，故推荐采用“先斜拉，后悬索”的施工方案，该方案极大地提高了施工措施费，考虑到自锚式悬索桥方案虽然造价较高但是景观效果好，在景观桥梁中应用得非常多。综合考虑，自锚式悬索桥方案是成立的。

图2 独塔斜拉桥方案初拟总体布置下载原图

图3 自锚式悬索桥方案初拟总体布置下载原图

(3)拱桥方案。为避免大尺寸拱座侵占航道整治边线，同时提高桥孔可通航宽度利用率，在主桥跨径维持330m不变的情况下，拱桥方案宜采用中承式无推力系杆拱，系杆作为抵抗拱架水平推力的重要构件，是系杆拱桥的生命线，同时也是较易出现病害的构件，我国已有多座柔性系杆拱桥在建成运营后实施了系杆的维修或更换工作，考虑到主跨330m的拱桥方案跨径较大，推荐采用刚性系杆，拱桥方案初拟采用中承式钢桁架刚性系杆拱桥，总体布置如下。

图4 中承式钢桁架刚性系杆拱桥方案初拟总体布置下载原图

钢桁架拱桥上部结构为全钢结构，制造及后期养护费用均较高，较多地应用于对刚度要求更高的铁路桥梁，钢桁架拱桥方案拱肋曲线优美，造型美观，镂空的拱架柔中带刚，景观效果尤其突出。综合考虑，中承式钢桁架刚性系杆拱桥方案是成立的。

(4)方案比选。自锚式悬索桥、钢桁架钢桁架拱桥虽景观较好，但明显不具有造价优势，且施工难度相对较大。

斜拉桥方案中的独塔或三塔方案如何选择?以往定性思维，独塔斜拉桥因桥塔规模成倍增加，感性判断造价将增加较多，实际并非如此，因本桥桥面较宽，主梁断面尺寸主要受控于桥面宽度，独塔和三塔方案主梁造价差异较小，主要差异在于主塔和缆索，两个方案经深入设计、比选后，主桥每延米造价指标仅增加约30%，但主桥长度减少约290m，结合引桥长度变化情况，总体工程造价独塔斜拉桥较三塔斜拉桥降低约9000万，造价优势非常明显。

根据以上比选情况，综合考虑工程造价、施工工期、通航条件、景观效果等，最终推荐造价更具优势、外形壮观的独塔斜拉桥方案作为汉江特大桥主桥推荐方案。

3 主梁型式选择

统计国内外已建成、在建的斜拉桥，主梁型式主要有预应力混凝土梁、钢-混组合梁、钢箱梁、钢桁梁等。对于主跨330m的独塔斜拉桥，预应力混凝土主梁已不再适用;钢桁梁斜拉桥整体刚度大，行车舒适性好，较常应用于铁路桥梁及跨度较大或运输条件受限的公路桥梁，对于主跨330m的独塔斜拉桥，钢桁梁斜拉桥造价相对较高，同时本桥跨越汉江航道，运输条件未受到限制，故钢桁梁主梁不予考虑;钢-混组合梁和钢箱梁应用于主跨330m的独塔斜拉桥均是合适的，且在造价上差别不大，考虑到本桥重载交通占比大的特点，混凝土桥面板有效地规避了正交异性钢桥面板易疲劳开裂、桥面铺装耐久性差的缺点，同时受通航净空的影响，本方案未设置辅助墩，结构刚度是决定方案成立与否的关键因素之一，较重的主梁对于提高结构的整体刚度是有利的，从合理的结构体系的角度而言，钢-混组合梁也是更合适的选择，综上，主梁推荐采用钢-混组合梁。

(1)断面形式

钢-混组合梁的断面形式主要有工字梁组合梁、小边箱组合梁、整体箱组合梁和PK箱组合梁。

(1)工字梁组合梁的钢梁部分由工字钢梁、钢横梁以及小纵梁形成的钢格构体系组成，钢梁上放置混凝土桥面板，钢格构梁与混凝土桥面板间通过剪力钉连接形成组合截面。该类型组合梁施工架设方便，钢梁制造相对容易，但是当跨径、桥宽较大时(双向六车道+非机动车道+人行道，桥宽≥36m)，工字型边主梁的腹板和下翼缘板均需采用较厚的钢板，对钢板的制造、焊接及高强螺栓布置等均造成一定的困难，且厚板效应明显，材料利用率较低，故不建议采用该类型组合梁。

(2)小边箱组合梁是用单箱单室的小边箱代替工字梁组合梁中的工字钢边主梁，可在一定程度上减小腹板及下翼缘板的板厚，降低钢板的制造、焊接及高强螺栓布置等的难度，故该类型组合梁在应用于大跨、宽幅斜拉桥时是较为合适的。

(3)整体箱组合梁在整体钢箱梁的基础上，将正交异性钢桥面板替换为混凝土桥面板，该类型组合梁刚度大、整体性较好、气动稳定性较好;相较于工字梁及小边箱组合梁，其各部分板材的板厚均为常规厚度，且不需要采用高等级钢材，故该类型组合梁在应用于大跨、宽幅斜拉桥时是较为合适的。

(4)PK箱组合梁类似于整体箱组合梁，是在PK钢箱梁的基础上，将正交异性钢桥面板替换为混凝土桥面板，相较于整体箱组合梁，其刚度、气动稳定性均相对较差，但是钢材利用率相对较高、造价相对节省，故该类型组合梁在应用于大跨、宽幅斜拉桥时是较为合适的。

本桥为双索面结构，由于主梁较宽，斜拉索给主梁提供了强大的扭转约束，主梁自身的抗扭刚度对主梁的自振扭转频率影响并不大，同时桥址处设计风速相对较小且主梁较重，气动稳定性并不控制主梁选型，故整体箱组合梁和PK箱组合梁相较于小边箱组合梁抗扭刚度大、气动稳定性好的优点在本桥中并不能凸显其作用;同时，整体箱组合梁和PK箱组合梁钢梁均为开口断面，运营期内由于混凝土桥面板开裂导致的箱内渗水对钢梁耐久性会产生较大影响;此外，整体箱组合梁和PK箱组合梁箱内封闭空间较大，内部除湿系统需较大的功率，日常耗能较多，养护费用更高。综合以上因素，本方案主梁推荐采用小边箱组合梁。

由于组合梁自重较大，对抗风相对有利，故无需设置风嘴即可满足抗风要求，小边箱组合梁断面如图5所示。

图5 小边箱组合梁标准横断面下载原图

组合梁中心线处梁高3.8m，宽37.5m;两侧小边箱由顶板、腹板及底板构成，顶板、腹板厚28mm，底板厚40～60mm。组合梁标准节段长12m，内设3道横梁，横梁标准间距4m，采用工字型断面，标准横梁顶板厚24mm，腹板厚16mm，底板厚28mm;纵梁接头采用栓焊混合连接，顶板采用焊接连接，腹板及底板采用栓接连接，纵梁与横梁接头采用栓接连接。混凝土桥面板厚26cm，并在过渡墩附近节段加厚至50cm，桥面板在工地现场分块预制，为减少混凝土的收缩、徐变效应，桥面板存放期不得少于6个月。组合梁钢梁部分除主塔附近部分纵梁节段采用Q420qD级钢材外，其余纵梁节段及横梁均采用Q370qD级钢材，桥面板部分采用C60混凝土。

根据施工的需要，全桥组合梁共划分为55个节段，其中桥塔处及左右各1个节段于桥塔处搭设托架，浮吊吊装;过渡墩区节段于过渡墩处搭设托架，浮吊吊装;其余各节段均采用桥面吊机吊装。

根据主梁刚度验算情况，总体情况较好。在汽车荷载作用下，主梁最大上挠393.6mm，最大下挠-540.8mm，最大竖向挠度约为L/610，小于规范限值L/400，主梁刚度满足规范要求。