木兰湖大桥主桥方案设计与施工

刘锋民，赵站伟，贺国佑

（1.武汉市公路勘察设计院，湖北武汉 430015；2.武汉市规划研究院，湖北武汉 430014）

1 概述

木兰湖即夏家寺水库，是拦截滠水河支流长堰河蓄水而成的人工湖，集灌溉、发电、旅游于一体。木兰湖距木兰山风景区东部约6 km，有132个湖汊，23个岛屿，一碧万顷，清澈如镜，风景纯美，是湖北省4A级风景旅游胜地。木兰湖大桥建成后将完善木兰湖环湖公路路网布局，改善黄陂—红安的旅游交通状况，促进湖区两岸的经济发展。木兰湖大桥推荐方案桥梁长721 m，桥跨布置为：西引桥（3×35）m预应力混凝土连续小箱梁+主桥采用（35+2×60+35）m预应力混凝土V型刚构+东引桥3×（4×35）m预应力混凝土连续小箱梁；桥面全宽位12 m，其横向布置为：1.75 m（人行道）+8.5 m（行车道）+1.75 m（人行道），设2%双向横坡。

2 主要技术标准[1，2]

（1）汽车荷载等级：公路－Ⅰ级；

（2）人群荷载：3.0 kN/m2；

（3）桥梁宽度：桥宽12 m，横向布置为1.75 m人行道+8.5 m行车道+1.75 m人行道；

（4）地震动峰值加速度系数：0.05，按Ⅶ度设防；

（5）设计洪水频率：大桥1/100；

（6）航道等级：木兰湖航道规划为Ⅷ级，按Ⅶ（2）级航道预留，双向通航净空32 m×4.5 m，单向通航净空20 m×4.5 m。

3 桥型方案拟定

3.1 方案构思及主桥方案设计

桥型方案的选择是在桥位、通航净空和路线走向确定后，结合桥址区的地质、水文、施工条件和造价等因素,通过认真分析和深入研究进行综合比选。桥梁设计应遵循“实用、经济、安全、美观”的基本原则，拟定了4个主要桥型方案，分别为预应力混凝土V型刚构、波纹钢腹板连续箱梁、三跨下承式无风撑钢管混凝土拱桥和V型刚构组合拱桥。

（1）方案一：（35+2×60+35）m预应力混凝土 V型刚构

鉴于上述建桥自然条件的特点及大桥位于著名风景区地理位置的需要，方案一主桥采用（35+2×60+35）m四孔一联的预应力混凝土V型刚构，两个边孔均满足Ⅶ级航道单向通航净空20×4.5 m的要求,两个主孔满足Ⅶ级航道双向通航净空32 m×4.5 m的要求，其立面布置如图1所示。两岸引桥均采用35 m的预应力混凝土连续小箱梁。该方案桥梁总长721 m，桥梁全宽12 m。预应力混凝土V型刚构已在千岛湖成功建成，并且景观效果甚佳，具有一定的先进性。

（2）方案二：（35+2×60+35）m波纹钢腹板连续箱梁

该方案采用（35+2×60+35）m四孔一联的波纹钢腹板连续箱梁，两个边孔满足Ⅶ级航道单向通航净空20 m×4.5 m的要求,两个主孔满足Ⅶ级航道双向通航净空32 m×4.5 m的要求，其立面布置如图2所示。两岸引桥均采用35 m的预应力混凝土连续小箱梁。该方案桥梁总长721 m，桥梁全宽12 m。波纹钢腹板桥梁在国内使用甚少，目前已建成的有山东鄄城黄河公路大桥和深圳南山大桥。该方案具有一定的创新性，在整个华中地区尚属首次提出。

（3）方案三：（50+80+50）m三跨连续下承式无风撑钢管混凝土拱桥

该方案采用（50+80+50）m三跨连续下承式无风撑钢管混凝土系杆拱桥，边、中孔均满足Ⅶ级航道双向通航净空32 m×4.5 m的要求，方案三立面布置如图3所示。两岸引桥分别采用30 m和35 m的预应力混凝土连续小箱梁。该方案桥梁总长711 m，主桥桥面全宽15.6 m，引桥桥面全宽12 m。该类桥型已在广东广州和江西赣州建成，景观效果甚佳，具有一定的先进性。

图1 方案一 主桥立面图（单位：cm）

图2 方案二 主桥立面图（单位：cm）

图3 方案三 主桥立面图（单位：cm）

（4）方案四：（40+100+40）m V型刚构组合拱桥

该方案采用（40+100+40）mV型刚构组合拱桥，主桥满足Ⅶ级航道双向通航净空32 m×4.5 m的要求，边跨满足Ⅶ级航道单向通航净空20 m×4.5 m的要求，其立面布置如图4所示。两岸引桥分别采用30 m和35 m的预应力混凝土连续小箱梁。该方案桥梁总长711 m，主桥桥面全宽15.6 m，引桥桥面全宽12 m。该类桥型仅在衢江大桥[3]成功建成。该方案是以V形刚构受力为主，辅以拱结构受力的组合结构体系，把V形连续刚构舒展的造型与拱桥流畅的造型和推力平衡的受力特点结合起来，使V形刚构与拱的优点得以充分发挥，具有良好的受力性能、合理的技术经济指标和丰富的景观效果。

3.2 主桥方案比选

根据当前国内桥梁建设的成功实例和经验，上述桥型方案在技术上是可行的，风险上是相近的。由于桥梁总长、路线纵坡标准不受方案的影响，基础施工方式相同，故方案比选主要基于通航、景观、工程经济性几个方面进行综合比较，如表1所列。

从前述桥位比选知，方案一（35+2×60+35）m预应力混凝土V型刚构桥方案造价适当、轻盈优美、施工和设计技术成熟，可作为推荐方案。

4 推荐方案主桥结构设计

4.1 上部构造

图4 方案四 主桥立面图（单位：cm）

表1 桥型方案比较表

主梁采用单箱单室斜腹板截面，V形墩顶上箱梁梁高2.5 m，长19 m，合龙段及边跨直线段梁高1.6 m，V形墩斜腿顶部至合龙段梁底按二次抛物线过渡，斜腿与梁底采用R=6 m的圆曲线衔接。箱梁顶板宽12 m，设2%的双向横坡，两翼悬臂长2.5 m，悬臂板端部厚15 cm，根部厚45 cm，顶板正常厚25 cm，腹板厚50 cm，底板厚由斜腿处的50 cm按二次抛物线变化至合龙段的25 cm。

4.2 下部构造

主墩采用V型预应力混凝土实体墩，V型墩斜腿横桥向与主梁底板同宽为6 m，厚1.5 m，斜腿轴线与墩中心线交角35°，上下固结，斜腿长为10.8～11.4 m。墩座为普通钢筋混凝土结构，墩座顺桥向宽7.0 m，横桥向宽6.0 m，高3.0 m。主墩采用矩形承台，长9.0 m，宽8.0 m，厚3.0 m，承台下设4根直径2.0 m的钻孔灌注桩，穿透强风化片岩，进入中风化片岩。

过渡墩为薄壁墩，墩身截面尺寸为6 m×2 m，采用矩形承台，长9.0 m，宽8.0 m，厚3.0 m，承台下设4根直径2.0 m的钻孔灌注桩，穿透强风化片岩，进入中风化片岩且深度不小于2.5倍桩径。

5 推荐方案施工方案

木兰湖是人工湖，库区仅有小型船只通行，大型起吊设备和大吨位驳船无法到达桥址。木兰湖最低水位44.87 m，正常水位49.90 m，常年最大水深在19～23 m，湖床最低水深不低于2.5 m,水流缓慢,水位相对稳定。

5.1 基础施工[4]

主桥基础均为深水基础，施工难度较大，主要面临以下难点：（1）水深，钻孔桩施工期间水深19～23 m；（2）覆盖层薄，湖底最低处覆盖层厚不足5 m；（3）桩基必须嵌入中风化岩面。针对上述施工难点及湖区内无大型起吊设备和大吨位驳船的实际情况，桩基施工采用兼具辅助桩固定式钻孔桩施工平台和简易浮式施工平台优点的复合式浮式施工平台。该平台立面结构如图5所示。复合式浮式施工平台是在常规浮式平台基础上，在钢护筒插打稳定后，将钢护筒用独立的固定钢构架相互锁定，使钢护筒与周围的浮动构架脱离并保持一定的距离，冲击反循环钻机及起重桁车等其他施工设备安装在由浮体支撑的平台上，通过设于钢护简顶口特殊的钢丝绳定位装置，使钻头中心始终固定在护筒平面中心，保证了钻孔桩施工时的垂直精度。该平台在钻孔作业时，钢护筒稳定体系具备固定式平台的特点，钻机、起重门架等支撑在浮式平台上，两种支撑体系构件相互分离，互不影响，有效地克服了独立使用任一种平台体系的不足，并充分利用了其优势，该施工平台已成功应用于千岛湖大桥。

图5 复合式浮式施工平台立面布置

5.2 上构施工[4]

V形墩结构是由2个斜腿及其顶部箱梁组成的倒三角形结构，施工中最重要的是控制倒三角形在施工各阶段的内力，特别是斜腿底部的弯矩控制。通常最直接和有效的方法是设置可靠的外部支架，使V形墩与顶部主梁基本在无应力状态下闭合。但在木兰湖大桥的深水中施工V形墩，出于经济上的考虑，只能选择采用平衡支架法施工，采用外部安装平衡膺架，充分利用主体结构来加强支架体系，使支架与主体结构一体化参与承受施工荷载的方法施工，V形墩施工立面布置如图6所示。该法已成功应用于千岛湖大桥并取得了良好的工程效果。V形墩结构是由2个斜腿及其顶部箱梁组成的倒三角形结构，斜腿施工可采用外部安装平衡膺架，内部埋设劲性骨架以承受模板、钢筋及混凝土浇筑时荷载的施工方法；V形墩顶部箱梁在支撑于承台的膺架梁上施工；主桥主梁采用挂篮悬浇逐段施工，分层浇筑。

图6 V型墩施工立面布置

6 结语

桥型方案的拟定应综合考虑桥址区的地质、水文、施工条件和造价等因素。本文通过认真分析和深入研究，针对木兰湖特定的地理位置和施工条件，提出了4种切实可行的桥型方案，结合景观、施工及造价采用（35+2×60+35）m的预应力混凝土V型刚构桥位推荐方案，借鉴千岛湖大桥的成功建造经验，详细地阐述了推荐方案主桥的施工方法，为以后受施工限制的跨湖或跨水库大桥的设计和施工提供有益的经验。

[1]JTG B01-2003，公路工程技术标准[S].

[2]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[3]杨光武.衢江大桥Y腿刚构系杆拱桥设计[J].桥梁建设，2003（3）：57-60.

[4]宋杰.千岛湖大桥主要技术特点及创新[J].桥梁建设，2007，（2）：58-61.