來賓正龍紅水河特大橋工程初步設計

聶尚杰 劉潛

摘 要：來賓正龍紅水河特大橋上跨紅水河II（3）級航道，大橋推薦方案為主跨200 m預應力混凝土連續剛構，為解決運營期主梁下撓過大問題，主橋設置了體外預應力備用鋼束，提高結構安全儲備。為解決大橋主墩墩高超矮問題，通過計算優化了雙肢薄壁墩尺寸。

關鍵詞：連續剛構橋;超矮墩;方案比選;結構分析

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A

1 工程概況

本項目地貌總體類型為溶蝕低丘、壟崗地貌，橋梁跨河兩側主墩附近為巖溶峰林、石芽殘丘地貌。紅水河自西向東流，河岸附近地勢較陡。歷年平均氣溫20.7℃，極端最低和最高氣溫分別為-3.3℃和39.6℃。橋梁規模受紅水河通航凈空尺度、設計洪水位、主橋結構形式、路線縱面設計等因素控制。

2 技術標準采用情況

（1）公路等級：雙向4車道一級公路;（2）設計速度：80 km/h;（3）橋梁設計基準期：100年;（4）耐久性設計環境類別：Ⅱ類;（5）地震烈度：抗震設防烈度Ⅵ度，加速度為0.05 g;（6）設計洪水頻率：特大橋1/300;（7）航道等級：規劃II（3）級航道;（8）單幅橋梁寬：12 m。

3 紅水河特大橋橋型方案研究

3.1 橋型及跨徑方案研究

初步設計階段開展了項目通航條件影響評價，根據研究結果，橋區河段規劃航道內，水流流速主要分布為1.9～2.6 m/s，橫向速度不超過0.29 m/s，橋中心線與水流方向角度約為98°。綜合考慮通航凈寬、橋軸線與水流夾角、兩側紊流寬度后，橋址區單孔雙向通航凈寬要求為153 m，考慮兩側紊流總寬度30 m后，要求最小通航孔寬度（左、右柱墩或承臺內壁距離）不小于183 m。根據評價結論，經測算主跨至少需200 m。就本橋而言，鋼管混凝土拱橋、斜拉橋等橋型造價相對較高，施工難度大，初步設計不再對其進行深入研究。

200 m跨徑左右，連續剛構橋具有優越的結構性能和良好的經濟指標，其工程造價不高、施工工藝成熟、營運期維護費用低，是具有競爭力的橋型方案。200 m跨徑同樣是矮塔斜拉橋的經濟跨徑，而塔高為常規斜拉橋的1/2～1/3，造型景觀效果較好。

在滿足通航、防洪要求前提下，基于經濟性和營運期維護考慮，初步設計最終確定：方案一為110+200+110 m預應力混凝連續剛構橋方案;方案二為110+200+110 m預應力砼矮塔斜拉橋方案。

3.2 橋型方案介紹

3.2.1 方案一：預應力混凝土連續剛構

全橋橋跨布置為：110+200+110 m，全橋長640.7 m。

主梁材料為C55混凝土，分為懸臂和支架現澆兩部分。箱梁分幅設計，主梁箱室底寬6.5 m，頂寬12 m。頂板懸臂翼緣長2.75 m。箱梁梁高由跨中4 m向根部12.5 m按1.8次拋物線變化。箱梁頂板厚28 cm，根部局部80 cm。根據抗剪截面驗算需要采用變厚度腹板。

設計中根據計算結果適當增加連續剛構梁高，優化連續剛構成橋狀態。為善主梁應力情況，提高其承載能力，增加梁高非常有效，箱梁根部梁高與主跨跨徑的比例關系一般在1/16～1/18之間，本項目主橋根部梁高12.5 m，較傳統設計中相同跨徑連續剛構橋提高0.5 m，較大優化主梁受力。

箱梁0號節段長13 m，懸澆節段從根部至跨中分別為8×3.5 m+6×4.0 m+9×4.5 m，懸澆節段總長92.5 m。箱梁墩頂橫隔、跨中橫隔、梁端橫隔厚分別為1.8 m、0.5 m和2.5 m。箱室內設置體外預應力轉向塊，預留后期增加體外預應力的布置通道。

為降低橋梁縱坡，減少橋長，控制工程規模，主橋下部結構主墩采用“雙薄壁超矮墩”設計，墩身采用C50混凝土，單幅橋墩寬8.5 m，壁厚1.8 m，墩間凈距5.4 m。北岸墩高21 m，南岸墩高橋25 m，最小墩高約為跨徑1/10，已達到連續剛構橋設計的極限，設計難度大。

本橋位于巖溶發育地區，為避免地勘工作量不足導致后期出現較大變更，地勘工作深度、質量和進度要嚴格控制，鉆孔采用逐樁鉆，保證設計質量和工程投資可控，在地勘鉆孔基礎上，樁基采用12根直徑3.0 m的端承樁穿越巖溶發育區。承臺、樁基采用C40和C30水下混凝土。

紅水河大橋主橋跨越紅水河，通航標準為II（3）級的航道，設計應考慮航道兩側主墩的防撞問題，本橋浮動鋼覆復合材料防撞設施，以減少水位升降對于防撞效果的影響。

3.2.2 方案二：預應力混凝土矮塔斜拉橋

方案二橋跨布置于方案一相同，主梁為帶大挑臂的單箱三室變截面箱梁，跨中梁高3.5 m，支點梁高7.0 m，支點值跨中按2.0次拋物線變化。箱梁總寬26 m，底板寬度14.31～12 m，懸臂板長5 m。箱梁腹板斜率1∶3，中室采用直腹板。斜拉索為中央索面布置，主梁橫隔板設置與斜拉索錨固點相對應。

主塔主體高度為29 m，塔柱采用尺寸5×3 m的矩形實心截面?？蓳Q索式鞍座布置于塔身上部。斜拉索與鞍座橫向雙排布置。斜拉索扇形布置在中央分隔帶范圍內，單塔上布置有14對總計28根索，全橋合計56根。斜拉索間距梁上按4.0 m布置，塔上按1.0 m布置。斜拉索采用環氧全噴涂無粘結鋼絞線體外索，應用雙重防腐措施，外包一層PE和一層HDPE套管。

由于矮塔斜拉橋主梁墩頂高度7.0 m，小于連續剛構橋的12.5 m，因此在相同縱坡的情況下主墩高度提高了5.5 m，較好的增加了橋墩高度，最小墩高為26.5 m，橋墩受力較剛構方案好。

3.3 紅水河特大橋橋型方案比選

根據目前國內外橋梁建設的技術和經驗，從兩方案在投資規模、施工難度、結構的合理性、工期、維修養護等方面綜合考慮，兩個橋型方案優缺點詳細比較見下表：

根據上表對橋型方案采用綜合比較法進行比選，方案一在工程經濟性、結構耐久和可維護性上占優勢，對于存在的主墩超矮的情況，經過結構對橋墩結構的優化，受力性能可以滿足設計和規范需求，因此，推薦（110+200+110）m預應力混凝土連續剛構橋方案。

4 推薦方案結構分析

4.1 計算模型及主要荷載與組合

采用空間有限元軟件Midas Civil進行考慮施工過程的計算分析。施工階段分析即是按施工過程逐階段計算內力、應力和位移，并隨著施工工況的進展逐步累計，直至成橋階段。在運營階段，按成橋狀態下的自重恒載、活載、預應力、混凝土收縮、徐變、支座強迫位移、溫度升降、制動力對結構進行了分析計算，并據此進行各構件或截面的設計。

計算過程中考慮了多種組合，最不利組合為：恒荷載+汽車+汽車制動力+墩不均勻沉降+體系溫度作用+梯度溫差作用。上述荷載組合中恒載均包括了自重、預應力和混凝土的收縮、徐變的效應。

通過有限元模型分析，重點對主梁高度和橋墩結構尺寸進行優化。

4.2 上部結構驗算

根據施工過程將模型劃分為88個階段。通過施工階段計算，主梁最大壓應力、拉應力分別為15.40 MPa和1.07 MPa，計算結果均滿足規范要求。

運營階段對主梁承載能力、抗裂和各項應力指標進行驗算，按全預應力混凝土構件考慮。經驗算，上構箱梁正截面抗彎和斜截面抗剪承載力均符合規范要求。運營階段主梁各單元上、下緣在短期效應組合下均未出現拉應力，符合抗裂驗算要求;短期效應組合下最大主拉應力1.08 MPa出現在墩頂，滿足規范要求;標準值組合下主梁截面上、下緣出現最大壓應力分別為17.35 MPa、13.87 MPa，小于規范限值。

4.3 下部結構驗算

由于北岸主墩墩高僅21 m，約為跨徑1/10，且兩岸墩高存在一定高差，已達到連續剛構橋設計的極限，設計難度大，是一種大跨度不規則結構，溫度、制動力等荷載作用較多集中于矮墩，矮墩受力不利，通過有限元計算優化雙肢薄壁墩肢距和單肢壁厚，最大程度改善主墩受力。

對優化后的矮墩截面進行偏心受壓構件驗算，單肢主墩截面為1.8×8.5 m矩形截面，配有336根HRB400主筋，直徑32 mm，間距12 cm，計算結果顯示，基本組合下橋墩處于彈性受力階段，最不利安全系數為2.06，橋墩強度滿足規范要求;橋墩裂縫寬度最大0.087 mm，小于規范限制;橋墩抗剪承載力足夠，所受到的剪力較小，故忽略橋墩抗剪驗算。

5 總結

來賓正龍紅水河特大橋上跨紅水河II（3）級航道本文從經濟性、結構耐久和可維護性等方面對橋梁設計進行了研究，推薦主跨200 m預應力混凝土連續剛構橋方案。對于存在的主墩超矮的情況，經過結構對橋墩結構的優化，受力性能可以滿足設計和規范需求;考慮可能存在的運營期主梁下撓過大問題，主橋設置了體外預應力備用鋼束，提高結構安全儲備;較傳統設計中相同跨徑連續剛構橋提高0.5 m，較大優化主梁受力狀態。

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