大石大桥扩建工程设计与施工

张立文

(广州市公路勘察设计有限公司,广东广州510500)

1 工程概述

G105国道大石大桥扩建工程位于广州市番禺区，横跨三支香水道（水面宽约280 m），连接洛溪岛和大石镇，往北通过洛溪大桥便是广州老城区，往南便是番禺、南沙等新区，是广州市南北向主要通道之一，同时还是广州亚运会配套工程。旧大石大桥始建于1984年，全长455.5 m，宽12.5 m，双向2车道。近年来，随着交通量的持续增长，该桥已经成为严重的交通“瓶颈”（两侧道路基本已按双向8车道扩建完成）。对旧桥进行改、扩建已势在必行。该项目道路等级为一级公路（兼城市主干道），设计速度为60 km/h，设计荷载为公路-I级，地震动峰值加速度0.1 g。因检测结果显示旧桥属于二类桥，业主采取了利用旧桥、扩建新桥的方案。因为旧桥的通航净空只有45 m×7 m（只满足Ⅵ级航道标准），设计通航水位为7.2 m（广州城建高程系统）,且旧桥仍将长期利用。经专家论证并经航道主管部门同意，新大石大桥采用与旧桥相同的通航净空和设计通航水位。

2 沿线自然地理情况

（1）地形地貌特征。项目场地属滨海平原地貌，路线走向基本为南北向，沿线两边均已市政化。

（2）气象特征。项目所在地气候属南亚热带海洋性季风气候带，气温受偏南季风影响，降水丰沛。

（3）水文。项目所在地河网交错，多自西北流向东南，项目区为珠江汊河。

（4）地层岩性。路线途经地区地层由新至老有第四系人工填土（Qme）、第四系冲积层（Q4al）、第四系残积层（Q4el），基岩为白垩纪泥质粉砂岩。

3 主要工程内容

本次对旧大石大桥予以扩建，路段全长1.27 km。工程主要内容包括：新大石大桥主体工程、南北桥头引道工程、南北桥头交通节点改善工程、南北桥头人行系统改善工程、绿化工程（包括北岸公园）和照明工程等。

4 桥梁设计要点

4.1 平面

根据规划和场地条件，路线总体沿老路布置。根据交通量需要和桥头道路已按双向8车道拓宽完成的实际情况，本次桥梁扩建后也需达到双向8车道。设计方对桥梁单侧加宽和双侧加宽进行了比较。由于规划方案为单侧（东侧）加宽，且可为后期继续改造预留空间，最终采取了东侧加宽的方案。为了保证新、旧桥结构安全，方便日后对旧桥的维修和进一步改造，采取了新、旧桥完全分离的形式。上部结构间距0.9 m，桩基最小净距4.25 m。桥位总平面布置图见图1。

4.2 纵面

为了新、旧桥的协调和方便引道的衔接，新桥纵坡采用与旧桥相同的人字坡（3%和-3.3%）。

4.3 横断面

旧桥跨径组合是6×25 m+(43.75+62.5+43.75)m+6×25 m，其中引桥为简支T梁，主桥为T构加挂梁。在新桥设计中，对主桥进行了连续梁、连续刚构和下承式系杆拱等方案的比较，对引桥进行了现浇连续梁、预制小箱梁和顶推箱梁等方案比较。从受力特点、与旧桥的外观协调性、工期、造价和养护工作量等多方面因素考虑，最终主桥采用了连续梁方案，引桥采用了简支小箱梁（桥面连续）方案。为了适应桥下被交路和堤岸，新桥采用了与老桥相比略有变化的跨径组合，即：3×25 m+（25.6+24.4+25）m+(43.75+62.5+43.75)m+3×25 m+（25+23+25）m。绝大部分桥墩横向都能对齐，个别桥墩通过调整桥墩的交角，也能基本对齐，达到了视觉上的协调。

由于利用了旧桥2个车道，新、旧桥联合断面的中央分隔带和路拱相对于扩建部分是不对称的，而扩建部分总宽度达到30.8 m，宜分成左、右两幅。为了方便设计、施工、节约成本和工期，自然以两幅主体结构尽量对称为好。怎样将这对矛盾统一起来，这是该桥不同寻常的地方。通过深入研究，设计团队创作了一个巧妙的方案：新建部分的左、右两幅采用几乎完全对称的主体结构，仅将右幅墩顶和上部结构根据桥面设计横坡做微小弯折（实践证明施工时并不太麻烦），桥面系和中央分隔带根据整体车道分幅需要设置即可。这样，很好地解决了上述矛盾。主跨墩顶横断面如图2所示。

4.4 主桥连续箱梁上部结构设计

4.4.1结构尺寸

主桥(43.75+62.5+43.75)m连续箱梁的上部结构采用单箱双室变截面连续箱梁，半幅箱梁底板宽为11.2 m，顶板宽为15.4 m，外侧悬臂2.6 m，内侧悬臂1.0 m。左、右半幅的内侧悬臂通过1.2 m宽的现浇湿接缝连接，主梁梁高为3.5～1.8 m，采用挂篮悬臂浇筑法施工，主要材料采用C50混凝土。

图1 桥位总平面布置图（单位：m）

图2 主跨墩顶横断面图（单位：cm）

中支点断面梁高3.5 m(高跨比为1/17.9)，跨中及边跨支架现浇梁段梁高1.8 m(高跨比为1/34.7)，梁高按二次抛物线变化规律从根部3.5 m变至跨中1.8 m。桥面板设置双向2%横坡，底板与顶板同坡，腹板铅垂。箱梁底板厚度亦按二次抛物线变化规律从根部45 cm变至跨中25 cm。全梁腹板厚度采用55 cm、35 cm两种，中间设过渡梁段。外侧悬臂端部厚度18 cm，内侧悬臂端部厚度35 cm，内外侧悬臂根部厚度均为60 cm，箱内顶板厚25 cm。

4.4.2预应力体系

主桥连续箱梁按A类部分预应力构件设计，采用双向预应力体系，即：纵向预应力和竖向预应力。

纵向预应力钢束采用标准强度fpk=1 860 MPa的Φs15.2高强度低松弛钢绞线，锚下张拉控制应力σcon=0.75fpk=1 395 MPa。钢束穿束管道采用预埋塑料波纹管成孔，采用真空压浆工艺灌浆。顶板束采用9Φs15.2钢绞线束及12Φs15.2钢绞线束；腹板束采用12Φs15.2钢绞线束；边跨与中跨的边腹板底板束均采用12Φs15.2钢绞线束，边跨及中跨的中腹板底板束均采用6Φs15.2钢绞线束。除边跨顶板接长束采用单端张拉外，其余钢束均采用两端张拉，因此要求在主桥边跨顶、底板钢束张拉完毕之后方可架设相邻引桥的预制箱梁。

竖向预应力钢筋布置于腹板，采用精轧螺纹粗钢筋，直径为25 mm，抗拉强度标准值fpk=785 MPa（σb≥980 MPa，屈服强度 σ0.2≥785 MPa），单根张拉力为347 kN，竖向管道采用内径50 mm的金属波纹管，在顶板上进行单端张拉，采用普通压浆工艺灌浆。

4.4.3主桥箱梁分段及施工顺序

该桥主墩为7#和8#墩，左右幅共计4个单T，每个单T以墩对称每边分为7段，墩顶上部10.5 m为0#梁段，重571 t，在搭设于承台上的托架上浇筑；1#～3#梁段长3 m，4#～7#梁段长4 m，采用挂篮悬浇，其中1#梁段最重，重达105.3 t；合龙段（8#梁段）长2 m，在吊架上施工；边跨支架现浇段长11.45 m，支架由在水中打入的钢管桩形成。

合龙顺序为：先合龙边跨，后合龙中跨，最后拆除边跨支架及主墩临时支撑，完成体系转换。

4.4.4结构计算

整体计算采用MIDAS2006有限元程序，划分为54个单元，共11个施工阶段。受篇幅所限，计算部分不再赘述。

4.4.5主墩临时支撑设计

每个主墩(半幅)采用8根D800 mm，壁厚8 mm的支撑钢管，内填C30混凝土，每根钢管内设两束5Φs15.2钢绞线,分别锚在承台内和0#梁段上，钢绞线张拉应力为1 302 MPa。

4.4.6挂篮设计与悬臂施工

为了加快施工进度，施工单位采用了4对挂篮同时施工的方案。挂篮形式为三角挂篮。设计单个挂篮承载力为160 t，挂篮自身重量45 t（包括模板）。设计考虑冲击系数1.1，胀模系数1.05，施工荷载考虑200 kg/m2。挂篮主要由主桁架系统、悬吊系统、锚固系统、行走系统、底篮和模板系统组成。节段施工严格要求混凝土强度达到设计强度的90%，且养护龄期达到5 d方可张拉预应力钢筋。一对梁段的施工周期一般为7～8 d。

4.5 主桥连续箱梁下部结构设计

主桥(43.75+62.5+43.75)m连续箱梁的下部结构主墩采用分离式空心墩，半幅墩身采用单箱双室截面，纵桥向宽3.4 m，横桥向墩顶宽11.2 m，墩身宽10.2 m。主墩承台厚度2.8 m，左、右半幅的承台相连成为整体；主墩基础采用群桩基础，一个主墩（左、右半幅合计）共设12根D150cm的桩基，沿路线分为两排。过渡墩分为左、右半幅，均采用三柱式墩，盖梁高1.6 m，宽1.85 m，墩柱直径D130cm，桩基直径D150cm，在墩柱间设置截面尺寸为1.2 m×1.0 m的系梁。主桥基础均采用钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。

4.6 引桥预制简支小箱梁上部结构设计

引桥上部构造为跨径23 m、24.4 m、25 m及25.6 m的先简支、后桥面连续预应力混凝土小箱梁，采用预制吊装施工，梁高为1.40 m，每孔由10片小箱梁组成。

4.7 引桥预制简支小箱梁下部结构设计

引桥桥墩分为左、右半幅，均采用双柱式墩，盖梁高1.6 m，宽1.70 m，墩柱直径D130cm，桩基直径D150cm。桥台也分为左、右半幅，均采用扶壁式桥台，并与路肩挡土墙相接。半幅桥台设置6根D120cm桩，沿路线纵向分为两排。

4.8 桥墩防撞

由于三支香水道通航等级较低，仅在主跨（第8跨）双向通航（通航净空45 m×7 m，相当于Ⅵ级航道标准），且新桥位于老桥下游，经方案比较和论证后，采用了在新桥主墩上设置附着式柔性防撞护舷的方案，安装位置为承台和墩身的通航孔侧和两端，护舷型号分别为拱形（H25×L150cm）和拱形（H25×L200cm）。

4.9 排水

桥面雨水通过纵向管收集后引到两头桥下地面，经过隔油池（为了防止污染河水）并入市政雨水管后排入河中。因河水受潮汐影响，水位变化很大，经常发生倒灌现象，甚至淹至桥下被交路路面，本次设计特别在出水口处增加了拍门井，收到了防止倒灌的效果。

5 桥梁施工要点

（1）分别从南北两岸向河中搭设钢便桥，留出通航孔，保证施工期间不影响通航。

（2）由于主墩左、右幅的承台是连成一个整体的，施工塔吊正好可以安装在承台中部的空隙处。

（3）为了争取工期，桩基施工采用冲击钻。为了确保新桥桩基施工不对老桥产生危害，采取了减小钻头提升高度、加长钢护筒、观测老桥变形等措施。

（4）主墩采用钢板桩围堰进行施工。

（5）由于新老桥间距较小，老桥施工时可能会遗留一些混凝土块在新桥范围，故施工前要注意摸查相关情况，采取有效措施，以免耽误工期。

（6）施工过程中宜沿老桥栏杆（靠新桥侧）设置围闭，确保施工和过往行人的安全。

6 结语

经过约16个月的紧张施工，新大石大桥于2010年9月（广州亚运会开幕前2个月）顺利建成通车。