聶尚杰，劉 潛

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各區(qū)域之間的交通量與日俱增，原有高速公路交通量日益飽和，難以滿足通行需求。因此，對(duì)早期建設(shè)的四車道高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建，可以起到提升道路服務(wù)質(zhì)量和品質(zhì)的作用，但改擴(kuò)建方案的選擇是一個(gè)重難點(diǎn)。相較于新建高速公路，改擴(kuò)建常用的方案有原位拆除重建、利用原道路進(jìn)行兩側(cè)或單側(cè)擴(kuò)寬、分幅新建且提升原道路技術(shù)等級(jí)等。無(wú)論采用何種方式，考慮最大程度利用原有道路進(jìn)行改擴(kuò)建的方案是相對(duì)經(jīng)濟(jì)性好、占地少的辦法。而涉及橋梁的改擴(kuò)建更是此類項(xiàng)目的關(guān)鍵，本文對(duì)泉州至南寧高速公路柳州至南寧段六景郁江特大橋改擴(kuò)建工程進(jìn)行介紹，總結(jié)出可供參考的特大橋改擴(kuò)建和工程質(zhì)量提升綜合技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

泉州至南寧高速公路柳州至南寧段是廣西高速公路網(wǎng)的重要主骨架。該工程于1997年建成通車，經(jīng)過(guò)二十幾年的運(yùn)營(yíng)，原設(shè)計(jì)雙向四車道的通行能力已無(wú)法滿足交通量迅速增長(zhǎng)的需求。為提高服務(wù)水平，廣西壯族自治區(qū)啟動(dòng)了柳南高速公路改擴(kuò)建工程，將其原來(lái)的雙向四車道高速公路擴(kuò)充為雙向八車道高速公路，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展需求。六景郁江特大橋位于南寧市橫州市六景鎮(zhèn)郁江下游約1 km處，橋位處河段順直，河床斷面右岸較陡，左岸相對(duì)平緩。橋址常水位河寬約200 m。兩岸屬?zèng)_洪積河谷地貌，覆蓋為粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土，下伏基巖為中厚狀白云質(zhì)灰?guī)r。橋位處屬亞熱帶氣候，年平均氣溫為20 ℃～23 ℃，年平均降雨量為1 432.1 mm，平均相對(duì)濕度為80%，降水主要集中在4～8月。

六景郁江特大橋作為全線跨越郁江的控制性橋梁，其改擴(kuò)建方案是項(xiàng)目的重點(diǎn)。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)公路等級(jí)：高速公路。

(2)設(shè)計(jì)速度：120 km/h。

(3)汽車荷載：公路Ⅰ級(jí)。

(4)通航標(biāo)準(zhǔn)：現(xiàn)狀 Ⅱ 級(jí)航道，通航凈空220 m×10 m，遠(yuǎn)期按通航凈空230 m×13 m的Ⅰ級(jí)航道規(guī)劃。

3 六景郁江特大橋改擴(kuò)建總體方案比選

六景郁江特大橋舊橋主橋?yàn)橹骺?20 m中承式鋼管混凝土拱橋，橋面全寬25.1 m，凈矢高44 m。綜合橋位處工程地質(zhì)、水文、通航及橋頭引道布置條件等因素，設(shè)計(jì)階段考慮兩個(gè)改擴(kuò)建方案開(kāi)展綜合比選。

方案一：保留舊橋，在其下游擴(kuò)建單向四車道新橋，舊橋經(jīng)改造后，與新橋共同組成八車道高速公路。

方案二：棄用舊橋，另選橋位新建八車道特大橋。

經(jīng)比較，方案一可充分利用舊六景郁江特大橋的通行能力，經(jīng)濟(jì)性較方案二優(yōu)勢(shì)明顯，其方案成立的前提條件是舊橋工作性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求。舊橋的檢測(cè)報(bào)告顯示，拱肋工作性能整體良好，其主要病害集中在橋面系，而對(duì)橋面系進(jìn)行維修加固[1-2]后，可利用其作為半幅橋使用。綜合考慮，選用方案一作為實(shí)施方案。

4 新橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 橋型總體布置

結(jié)合橋位處地形條件及通航要求(通航凈空尺度>230 m×13 m)，六景郁江特大橋新橋主跨跨徑需≥265 m。綜合造價(jià)、景觀協(xié)調(diào)性因素，新橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋方案，與舊橋結(jié)構(gòu)形式基本統(tǒng)一，整體景觀效果較好。

六景郁江特大橋新橋主橋?yàn)橛?jì)算跨徑265 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計(jì)算矢高為58.89 m，見(jiàn)圖1。

主橋拱肋與橋墩固結(jié)，通過(guò)在拱腳間張拉系桿平衡水平力，橋面系采用半漂浮體系，端部設(shè)置豎向支座，橋面系與主墩間設(shè)置縱向鎖定器(LUD)以抵抗地震效應(yīng)及汽車縱向制動(dòng)荷載。

4.2 主橋上部結(jié)構(gòu)

4.2.1 拱肋

懸鏈線拱軸，矢跨比為1/4.5，拱軸系數(shù)為1.352。拱肋采用四肢格構(gòu)結(jié)構(gòu)，截面尺寸為6.0 m×2.8 m，兩拱肋橫向中心距為25.65 m。拱肋上、下弦桿均采用外徑1 000 mm鋼管，壁厚根據(jù)受力情況分為28 mm、24 mm、22 mm、20 mm四種。弦桿間上、下平聯(lián)為610 mm×12 mm鋼管，豎腹桿、斜腹桿為450 mm×12 mm鋼管。弦桿及吊點(diǎn)處平聯(lián)鋼管內(nèi)灌C55微膨脹混凝土。拱肋節(jié)段采用基于懸臂拼裝的整體式桁架單元，相鄰兩節(jié)段間僅需對(duì)接弦桿，可有效減小現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)量。弦桿節(jié)段間焊接。全橋拱肋有10個(gè)節(jié)段，最大吊重約為97 t。詳見(jiàn)圖2(a)。

全橋拱肋設(shè)8道K型橫撐，1道拱頂米字型橫撐。橫撐中心距為22.85 m。橫撐水平弦桿為610 mm×12 mm鋼管，斜向弦桿為550 mm×12 mm鋼管。其余桿件均為350 mm×10 mm鋼管。拱圈、橫撐采用Q345C鋼材。詳見(jiàn)圖2(b)。

圖1 六景郁江特大橋新橋橋型布置圖(cm)

(a)1/2拱肋立面布置

(b)拱肋橫撐布置

4.2.2 吊桿

吊桿作為拱橋的重要構(gòu)件，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)從構(gòu)造和計(jì)算上考慮其強(qiáng)健性。由于拱橋吊桿強(qiáng)健性分析計(jì)算目前沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)可以參考，本項(xiàng)目根據(jù)已有的研究成果，考慮吊桿破斷時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)[3]，并參照《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG-TD65-05-2015)第10.4.2條第2款規(guī)定進(jìn)行斷索情況下相鄰吊桿的偶然狀況承載能力計(jì)算，以此保證吊桿的強(qiáng)健性。

吊桿采用GJ15-27整束擠壓成型鋼絞線吊桿，縱向間距為10 m，全橋共24對(duì)。吊桿上端采用張拉端錨具，上錨頭采用球型支座和墊板錨固于拱肋上平聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母位置對(duì)吊桿長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。吊桿下端采用固定端錨具，下錨頭采用銷接式，叉形耳板與橫梁處耳板通過(guò)銷軸連接。詳見(jiàn)圖3。

4.2.3 系桿

系桿可以平衡拱腳水平力，作用至關(guān)重要。六景郁江特大橋采用柔性系桿，相比剛性系桿其易損性較高，一旦損壞，主拱的水平推力將直接傳遞至下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，同時(shí)拱腳會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移，進(jìn)而引起主拱產(chǎn)生較大的附加彎矩，其強(qiáng)健性相對(duì)較差[4]。系桿破斷對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的安全影響較大，在無(wú)規(guī)范直接規(guī)定的情況下，本橋設(shè)計(jì)時(shí)參照《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD65-01-2007)第6.2.1條第8款的規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行要求，即一根系桿破斷后，結(jié)構(gòu)不利增量應(yīng)小于設(shè)計(jì)應(yīng)力的10%，以此保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)健性。

系桿為體外預(yù)應(yīng)力束，采用全防腐型高強(qiáng)度低松弛鋼絞線成品拉索，可重復(fù)張拉、更換。系桿從拱座中穿過(guò)后錨固于端部，每片拱肋單側(cè)布置16根系桿，全橋共32根。每道橫梁上設(shè)置輪軸式支撐架，保證系桿縱向自由滑動(dòng)。詳見(jiàn)圖4。

4.2.4 橋面系

早期建成的鋼管混凝土拱橋橋面系縱向聯(lián)系弱，一旦出現(xiàn)吊桿斷裂，極易引發(fā)橋面系落梁，形成嚴(yán)重事故。六景郁江特大橋新橋橋面系設(shè)計(jì)見(jiàn)下頁(yè)圖5，其對(duì)邊縱梁進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加中縱梁數(shù)量，與以往的懸吊結(jié)構(gòu)[5]相比，整體性好，強(qiáng)健性較好。

鋼橫梁分為吊桿橫梁、次橫梁、端橫梁三類。吊桿橫梁對(duì)應(yīng)于吊桿位置，橫向長(zhǎng)35.05 m，縱向間距為10 m，吊桿橫梁采用工字型斷面，高2.0 m，寬0.7 m，吊點(diǎn)范圍局部加寬至1.5 m。吊桿橫梁頂板厚28 mm，底板寬1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm。全橋共設(shè)24道吊桿橫梁。次橫梁設(shè)置在相鄰兩道吊桿橫梁間，長(zhǎng)度與吊桿橫梁相同，斷面也為工字型，高1.0 m，寬0.6 m，其頂、底板厚16 mm，腹板厚14 mm，全橋共設(shè)25道次橫梁。此外，還設(shè)置了2道端橫梁。

鋼縱梁分為邊縱梁與中縱梁兩類。邊縱梁置于兩端，橫向間距為20.15 m，采用高2.0 m，寬0.6 m，頂板厚18 mm，底板厚24 mm，腹板厚16 mm的工字型結(jié)構(gòu)。在邊縱梁間設(shè)置3排中縱梁，橫向間距為5 m，采用高1.0 m，寬0.6 m，頂、底板厚16 mm，腹板厚14 mm的工字型結(jié)構(gòu)。

橋面系縱、橫梁連接采用頂板焊接，腹板、底板栓接的栓焊結(jié)合形式。

橋面板為分塊預(yù)制的C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋面板厚25 cm，吊裝就位后與鋼梁通過(guò)剪力釘和現(xiàn)澆鋼纖維混凝土形成組合梁，單塊最大吊重約16 t。

圖3 吊桿構(gòu)造圖(mm)

圖4 系桿及錨固構(gòu)造圖(mm)

(a)橋面系平面布置(mm)

(b)主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(cm)

4.3 下部結(jié)構(gòu)

拱座與承臺(tái)間橋墩為縱向凱旋門(mén)式矩形空心墩，單片橋墩縱、橫向尺寸為4.5 m×9.4 m，壁厚為1.0 m。每個(gè)拱肋對(duì)應(yīng)一片橋墩，兩片橋墩橫向通過(guò)拱座橫梁連接為一體。拱座橫梁采用單箱雙室截面，高4.0 m，寬14.38 m，頂、底板厚0.6 m，腹板厚1.0 m。詳見(jiàn)圖6。

5 舊橋加固設(shè)計(jì)

舊六景郁江特大橋?yàn)橹骺?20 m中承式鋼管混凝土拱橋，拱肋為四肢格構(gòu)式，橋面系采用混凝土橫梁上安裝小縱梁的懸吊體系。詳見(jiàn)圖7～8。

(a)側(cè)面

(b)立面

圖7 六景郁江特大橋舊橋橋型布置圖(cm)

圖8 六景郁江特大橋舊橋橫斷面布置圖(cm)

舊橋于1997年建成，運(yùn)營(yíng)20多年，受外部因素影響所致，橋梁病害較為嚴(yán)重。本次改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案為將舊橋作為單幅橋梁參與運(yùn)營(yíng)，須對(duì)其進(jìn)行維修加固。根據(jù)該橋近年的橋檢情況來(lái)看，拱肋整體工作性能較好，主要存在的問(wèn)題是吊桿錨頭銹蝕、橋面系開(kāi)裂病害嚴(yán)重，直接投入運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較大，根據(jù)已有的檢測(cè)成果，需對(duì)其進(jìn)行整體更換以滿足工作性能要求[6-11]。舊橋橋面系更換加固方案充分結(jié)合了新橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)，具體方案如下：

(1)全橋更換橋面系。

舊橋面系結(jié)構(gòu)形式與新橋一致，舊橋吊桿間距為5.1 m，更新橋面系橫梁間距與新橋保持一致。具體構(gòu)造見(jiàn)圖9。

(a)橋面系橫梁布置

(b)橋面系橫斷面

(2)全橋更換吊桿體系。

更換后吊桿結(jié)構(gòu)形式與新橋總體一致。吊桿采用拱上張拉，下端為固定端。由于橋面系減輕，吊桿規(guī)格由原61φ7 mm更換為55φ7 mm鍍鋅平行鋼絲。

經(jīng)分析，更換橋面系后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性明顯提高，舊橋各構(gòu)件均能較好滿足運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全性要求。

6 結(jié)語(yǔ)

六景郁江特大橋改擴(kuò)建設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了新、舊橋梁的各自特點(diǎn)：主拱拱肋采用大節(jié)段預(yù)制吊裝，主橋拱肋劃分節(jié)段少，大幅度減小現(xiàn)場(chǎng)接頭數(shù)量，確保了拱肋施工質(zhì)量，節(jié)省建設(shè)工期，對(duì)于項(xiàng)目的快速實(shí)施具有重要意義；采用鋼縱、橫梁格組合橋面結(jié)構(gòu)，整體性、強(qiáng)健性好；通過(guò)對(duì)吊桿、系桿的強(qiáng)健性設(shè)計(jì)，提高了全橋在突發(fā)狀況下的安全性，保證了吊桿、系桿的可調(diào)可換性；系桿采用全防腐型整束可調(diào)可換高強(qiáng)度低松弛鋼絞線成品拉索，提高了可維護(hù)性。通過(guò)優(yōu)化拱肋和橋面系設(shè)計(jì)，使得主橋大部分構(gòu)件均能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工廠預(yù)制，使六景郁江特大橋的施工周期得到大幅縮減，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益好。對(duì)舊橋進(jìn)行更換吊桿、將混凝土橋面系優(yōu)化為鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，顯著提高了橋面系工作性能，同時(shí)有效降低橋面荷載，提高了拱肋安全度。

六景郁江特大橋改擴(kuò)建工程于2015年開(kāi)工建設(shè)，已于2018年建成通車，目前運(yùn)營(yíng)情況良好。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，對(duì)柳南高速公路的服務(wù)品質(zhì)提升具有重大意義。