董雨潔,蒲黔輝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

在公路建設(shè)中，從工程規(guī)模來看，橋梁工程的造價(jià)約為公路總造價(jià)的10 %～20 %，隨著現(xiàn)代橋梁技術(shù)和對(duì)公路線形要求的提高，這一比重還在進(jìn)一步增大中[1]；同時(shí)，橋梁工程不僅是交通運(yùn)輸?shù)难屎淼貛?，也是公路全線通車的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

我國(guó)西部及西南地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)近幾年發(fā)展迅速。然而，不同于東部地區(qū)的是，該地區(qū)地形多為山地，地質(zhì)條件較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面[2]：

(1)地面高程相差大；

(2)頻繁的橫縱向地形起伏變化；

(3)常見不良地質(zhì)現(xiàn)象，如滑坡與泥石流等。

這都為橋梁的設(shè)計(jì)與施工帶來了極大的挑戰(zhàn)與困難。

面對(duì)如此多的橋型方案，工程師們應(yīng)當(dāng)如何選擇呢“經(jīng)濟(jì)、適用、安全、美觀”的比選原則[3]過于籠統(tǒng)，工程師們特別是初學(xué)者們，需要更加具體的比選方法。本文將結(jié)合廣元市某跨江大橋的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，根據(jù)其橋型方案比選的過程，總結(jié)一些比選的操作方法，用于指導(dǎo)比選工作的展開。

1 實(shí)例橋梁設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：三級(jí)公路；

(2)設(shè)計(jì)速度：30 km/h；

(3)汽車荷載等級(jí)：公路I級(jí)；

(4)橋梁寬度：12.5 m，雙向兩車道；

(5)設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100；

(6)通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅲ-(3)級(jí)；

(7)地震動(dòng)峰值加速度：0.10g。

2 橋型控制因素

本項(xiàng)目位于四川省廣元市，跨越嘉陵江，該大橋軸線與嘉陵江近于正交。

2.1 水文條件

該地區(qū)屬于四川盆地北部低山丘陵地區(qū)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。橋梁位于嘉陵江中、上游，降雨具有雨量充沛、分布集中的特點(diǎn)，洪水陡漲陡落、洪峰高、變幅大，沖刷能力較強(qiáng)。本橋位于水電站淹沒區(qū)，最大水深為30～40 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查，橋位處斷裂構(gòu)造不發(fā)育，巖層均呈水平狀或緩傾狀，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于地殼活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，無影響橋位區(qū)地層穩(wěn)定的斷裂構(gòu)造。橋位區(qū)地層為侏羅系上統(tǒng)蓮花口組巖層，巖性為中厚層狀泥巖、砂巖互層，傾向東南，傾角較緩。河谷右岸地形較平坦，地勢(shì)較開闊，左岸地形較陡，地勢(shì)狹窄。

2.3 地震

橋址建筑抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

3 橋型方案

該橋全長(zhǎng)480 m，主橋擬建長(zhǎng)度為320 m，引橋長(zhǎng)度為160 m。本橋無左引橋，右引橋采用4×40 m跨徑先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

在參考相關(guān)資料和工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，根據(jù)該橋梁的工程概況、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和材料指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)原則，考慮工程施工方法與條件，擬定出以下3種橋型方案：

(1)主橋?yàn)?5 m+150 m+85 m預(yù)應(yīng)力混凝土三跨連續(xù)剛構(gòu)橋；

(2)主橋?yàn)?60 m+160 m獨(dú)塔單索面斜拉橋；

(3)主橋?yàn)?0 m+220 m+50 m中承式拱橋。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋

連續(xù)剛構(gòu)橋的特點(diǎn)是主梁保持連續(xù)，梁墩固結(jié)，上、下部結(jié)構(gòu)共同承受荷載，減小了墩頂負(fù)彎矩，這樣既保持了連續(xù)梁無伸縮縫、行車平順的優(yōu)點(diǎn)，又保持了T型剛構(gòu)不需要設(shè)大噸位支座的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了連續(xù)梁(存在臨時(shí)固結(jié)和體系轉(zhuǎn)換)和T構(gòu)(伸縮縫)兩者的缺點(diǎn)，養(yǎng)護(hù)工作量小。此外，連續(xù)剛構(gòu)施工穩(wěn)固性好，減少或避免邊跨梁端搭架灌注[4]。

(1)孔徑布置：全橋共2聯(lián)：(85+150+85)+(4×40) m，橋面橫坡2 %。

(2)上部結(jié)構(gòu)：主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式,采用變截面單箱單室箱型截面，箱梁高度和底板厚度按1.6次拋物線變化。

(3)下部結(jié)構(gòu): 主橋橋墩墩身采用雙肢等截面矩形實(shí)心墩,主、引橋間過渡墩采用空心薄壁式墩,簡(jiǎn)支梁端的橋墩采用柱式墩，橋臺(tái)采用座板式橋臺(tái)；本項(xiàng)目下部施工均位于深水區(qū)，因此采用大直徑樁基將有利于施工及保證結(jié)構(gòu)的安全性，基礎(chǔ)采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁。

(4)施工方法：主橋的連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)采用掛籃懸臂澆筑施工，橋墩采用滑模施工分段澆筑，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和圍堰澆筑混凝土承臺(tái)。本方案主要施工難點(diǎn)在于深水基礎(chǔ)施工，樁基采用浮式平臺(tái)、護(hù)筒跟進(jìn)打入基巖后由護(hù)筒形成鋼管樁平臺(tái)進(jìn)行沖孔和樁基灌注，鋼護(hù)筒作為樁基模板并不予拆除。

橋型布置圖見圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置(單位：m)

3.2 獨(dú)塔單索面斜拉橋

斜拉橋是由受壓的橋塔，受拉的拉索和受彎的梁體結(jié)構(gòu)組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。斜拉橋的梁體尺寸和建筑高度較小，橋梁的跨越能力較大，受到的橋下凈空和橋面標(biāo)高的限制少。斜拉橋的不足之處在于，它是多次超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，拉索與梁或塔索的連接構(gòu)造比較復(fù)雜，施工當(dāng)中高空作業(yè)較多，并且施工控制等技術(shù)要求較為嚴(yán)格[4]。

(1)孔徑布置：(160+160) m+(4×40) m，橋面橫坡2 %。

(2)上部結(jié)構(gòu)：主橋?yàn)閱嗡髅嫘崩瓨蛐问?主梁采用單箱三室等截面箱梁，索塔采用倒Y型索塔，索面形狀采用半扇形，主塔的有效高度為60 m。

(3)下部結(jié)構(gòu): 主橋采用飄浮體系，索塔和橋墩固結(jié)并支承在承臺(tái)上,主、引橋間過渡墩采用空心薄壁式墩,簡(jiǎn)支梁端的橋墩采用柱式墩，橋臺(tái)采用座板式橋臺(tái)；本項(xiàng)目下部施工均位于深水區(qū)，因此采用大直徑樁基將有利于施工及保證結(jié)構(gòu)的安全性，基礎(chǔ)采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁，承臺(tái)為整體式。

(4)施工方法：主橋的主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，索塔采用爬升式模板及工作平臺(tái)的方法，橋墩采用滑模施工分段澆筑，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和圍堰澆筑混凝土承臺(tái)。對(duì)于單索面布置的箱型截面主梁，為了減輕澆筑的重量，我們通常將橫截面分為三部分：中箱、邊箱和懸臂板[5]。先完成主梁錨固系統(tǒng)的中箱，張拉拉索，形成獨(dú)立穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，以中箱和已澆筑的梁段的邊箱為依托，澆筑兩側(cè)邊梁，最后采用小掛籃澆筑懸臂板，使整體單箱按品字形不斷向前澆筑。

橋型布置圖見圖2。

圖2 斜拉橋橋型布置(單位：m)

3.3 中承式鋼筋混凝土拱橋

拱橋的靜力特點(diǎn)是在豎直荷載作用下，拱的兩端不僅有豎直反力，還有水平反力。由于水平反力能夠平衡拱內(nèi)彎矩，設(shè)計(jì)合理的拱結(jié)構(gòu)一般以受壓為主，并同時(shí)承受較小的剪力和彎矩，因此與梁相比，拱的跨越能力更大。然而，拱橋的自重大，相應(yīng)的水平推力較大，下部結(jié)構(gòu)工程量增加，因此對(duì)地基條件的要求較高；施工工序復(fù)雜，建造需要的輔助設(shè)備和勞動(dòng)力較多，建橋時(shí)間長(zhǎng)[4]。

(1)孔徑布置：(50+220+50) m+(4×40) m，橋面橫坡2 %。

(2)上部結(jié)構(gòu)：主橋?yàn)楣皹蛐问?采用中承式拋物線兩鉸拱，拱圈使用鋼筋混凝土，主梁采用單箱單室等截面箱梁，主跨220 m，拱圈高35 m，矢跨比約為1/6。

(3)下部結(jié)構(gòu):主橋采用重力式橋墩，拱結(jié)構(gòu)段橋臺(tái)為空腹式橋臺(tái)；主、引橋間過渡墩采用空心薄壁式墩；簡(jiǎn)支梁端的橋墩采用柱式墩，簡(jiǎn)支兩端橋臺(tái)采用座板式橋臺(tái)；本項(xiàng)目下部施工均位于深水區(qū)，因此采用大直徑樁基將有利于施工及保證結(jié)構(gòu)的安全性，基礎(chǔ)采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁，承臺(tái)為整體式。

(4)施工方法：拱橋上部結(jié)構(gòu)采用纜索吊裝施工法，皆采用預(yù)制裝配式構(gòu)件，橋墩采用滑模施工分段澆筑，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和圍堰澆筑混凝土承臺(tái)。本橋?yàn)闈M足通航要求，對(duì)橋下凈空有一定限制，因此宜采用無支架施工方法，避免橋梁建設(shè)期間對(duì)河流正常航運(yùn)工作的干擾。

橋型布置圖見圖3。

圖3 中承式鋼筋混凝土拱橋橋型布置(單位：m)

4 方案比選

4.1 比選原則

橋梁工程必須遵照“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的基本原則。

4.1.1 安全性

設(shè)計(jì)橋梁應(yīng)對(duì)具有足夠的安全儲(chǔ)備，即其應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性；同時(shí)橋梁的線形應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理，不宜采用過陡的坡度，以確保行車安全與舒適性；各類橋梁附屬設(shè)施應(yīng)按規(guī)范設(shè)置。

4.1.2 適用性

在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，要求在規(guī)劃年限內(nèi)橋梁凈寬、設(shè)計(jì)荷載能滿足通行能力的要求；橋下凈空能滿足泄洪、通航、車輛和行人通行的基本要求；橋梁兩端接線應(yīng)采用合理的線形，方便車輛的進(jìn)出，不應(yīng)導(dǎo)致交通擁堵等現(xiàn)象；同時(shí)考慮基礎(chǔ)建設(shè)的綜合利用，為各類市政管線預(yù)留管道與施工空間，方便各種管線的搭載。

4.1.3 經(jīng)濟(jì)性

橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)遵循因地制宜、就地取材和方便施工的原則，結(jié)合地形地貌、地質(zhì)、水文等自然地質(zhì)條件，同時(shí)設(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮橋梁造價(jià)、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用、以及橋梁的施工、養(yǎng)護(hù)、維修對(duì)交通的影響。

4.1.4 美觀性

現(xiàn)代橋梁不僅是連通地區(qū)的樞紐，同時(shí)也是當(dāng)?shù)氐闹匾坝^，其美學(xué)價(jià)值不可忽視。橋梁的橋型選擇應(yīng)與所處環(huán)境互相協(xié)調(diào)，合理的結(jié)構(gòu)布局與橋梁外形是美觀的關(guān)鍵因素。

4.2 比選過程

本橋在進(jìn)行方案比選時(shí)，除了遵守遵照“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的基本原則外，還全面考慮工程的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即受力特點(diǎn)、工程地質(zhì)情況、施工要點(diǎn)、安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性等，綜合分析了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，比較選出滿足要求的最優(yōu)方案。

4.2.1 受力特點(diǎn)

在連續(xù)剛構(gòu)橋方案(后文簡(jiǎn)稱為方案1)中，主梁保持連續(xù)，梁墩固結(jié)，上、下部結(jié)構(gòu)共同承受荷載，減小了墩頂負(fù)彎矩，為超靜定結(jié)構(gòu)；

在斜拉橋方案(后文簡(jiǎn)稱為方案2)中，拉索的軸力相當(dāng)于在主梁上建立了許多個(gè)彈性支撐，減小了主梁在荷載作用下的彎矩；

在中承式拱橋方案(后文簡(jiǎn)稱為方案3)中，在豎直荷載作用下，拱的兩端不僅有豎直反力，還有水平反力。由于水平反力能夠平衡拱內(nèi)彎矩，拱結(jié)構(gòu)一般以受壓為主，并同時(shí)承受較小的剪力和彎矩。

4.2.2 工程地質(zhì)條件

三個(gè)橋型方案中，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層均為侏羅系上統(tǒng)蓮花口組泥巖(J3l)巖層。采用連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)，橋體結(jié)構(gòu)較輕，對(duì)基礎(chǔ)的要求較低；在斜拉橋方案中，由于采用獨(dú)塔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力要求相對(duì)較高；由于拱橋存在水平推力，且采用中承式結(jié)構(gòu)，因此下部結(jié)構(gòu)工程量大，橋臺(tái)和橋墩對(duì)地基承載力要求高。

4.2.3 施工要點(diǎn)

方案1與方案2的上部結(jié)構(gòu)均采用掛籃懸臂澆筑施工；方案3采用纜索吊裝施工法，并且皆采用預(yù)制裝配式構(gòu)件。其中，方案1與方案3均不需要進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)或臨時(shí)支承，而方案2由于采用斜拉橋形式，因此在索塔施工時(shí)需要采用爬升式模板及工作平臺(tái)的方法，需設(shè)置高空作業(yè)的防護(hù)措施。

4.2.4 安全性

進(jìn)行斜拉橋施工時(shí)，主梁施工，方法成熟簡(jiǎn)便，施工質(zhì)量好；索塔施工到一定高度后，屬于高空作業(yè)，具有一定的危險(xiǎn)性，需做一定的防護(hù)措施；斜拉索施工時(shí)需采用大型吊機(jī)或千斤頂。拱橋施工同樣需采用大型的裝吊設(shè)備，吊裝過程中應(yīng)采取一定安全防護(hù)措施。

經(jīng)比較，連續(xù)剛構(gòu)橋施工安全性最高，在施工的過程中，不需要大型機(jī)械設(shè)備，不需要搭設(shè)支架和臨時(shí)設(shè)備，且該施工方法發(fā)展成熟，施工簡(jiǎn)便，不受氣候影響，整體性好。

4.2.5 適用性

在方案1與方案3中，橋梁建筑高度低，主跨跨越主航道，橋下凈空能滿足通航要求，主墩不在主航道中，河床壓縮小，防撞要求低，汛期泄洪能力較好；主墩不需要設(shè)置支座，養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便。與之不同的是，方案2中，主墩位于主航道中，盡管由于斜拉橋主梁高度低，橋下凈空能滿足通航要求，但是河床壓縮較大，因此還需要額外檢驗(yàn)其防撞要求與汛期泄洪能力是否滿足要求。

4.2.6 經(jīng)濟(jì)性

前兩個(gè)方案中，橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省水泥和鋼材用量，但是斜拉橋需進(jìn)行索塔和拉索的施工，工程造價(jià)高，養(yǎng)護(hù)維修成本較高；而拱橋結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，盡管可以節(jié)省水泥和鋼材用量，設(shè)計(jì)與施工難度較高，工程造價(jià)較高，養(yǎng)護(hù)維修成本較高。

4.2.7 美觀性

這三種方案中，橋梁線形優(yōu)美流暢，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔大氣，均與河谷周圍環(huán)境搭配協(xié)調(diào)。

5 結(jié)論

5.1 可選方案

本文結(jié)合了廣元市某跨江大橋的工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出了3種可選方案：

(1)主橋?yàn)?5 m+150 m+85 m的預(yù)應(yīng)力混凝土三跨連續(xù)剛構(gòu)橋；

(2)主橋?yàn)?60 m+160 m獨(dú)塔單索面斜拉橋；

(3)主橋?yàn)?0 m+220 m+50 m中承式拱橋。

經(jīng)過縝密地比較，最終選擇了方案1(主橋?yàn)?5 m+150 m+85 m的預(yù)應(yīng)力混凝土三跨連續(xù)剛構(gòu)橋)為最佳方案。

5.2 比選方法

根據(jù)其橋型方案比選的過程，總結(jié)一些比選的操作方法，用于指導(dǎo)比選工作的展開：

(1)在“經(jīng)濟(jì)、適用、安全、美觀”的比選原則的指導(dǎo)下，我們可以從橋梁的受力特點(diǎn)、工程地質(zhì)條件和施工特點(diǎn)等幾方面來進(jìn)行比較；

(2)在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的比較時(shí)，主要從工程造價(jià)和養(yǎng)護(hù)維修成本兩方面來考慮，應(yīng)盡量采用構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)約材料，且后期養(yǎng)護(hù)維修較少的方案；

(3)進(jìn)行適用性比較時(shí)，橋梁是否通航、防撞，汛期泄洪的要求是評(píng)判適用性好壞的指標(biāo)；

(4)橋型方案的安全性主要與采用的施工方法及橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)。斜拉橋施工中需進(jìn)行索塔的施工，因此高空作業(yè)不可避免，對(duì)施工設(shè)備的安全性要求高。