宿迁行运大桥设计及结构特点

曹 宏，马 麟

（无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072）

1 工程概述

宿迁行运大桥位于宿迁湖滨新城古皂河镇东侧，横跨京杭运河，桥西南毗邻全国重点文物保护单位龙王庙行宫(乾隆行宫)，桥东为正在开发中的骆马湖景区，桥址处现为飞龙渡渡口，两岸居民通过渡船过河。为方便两岸居民出行，并在骆马湖景区和龙王庙行宫之间架起一座旅游通道，拟建桥梁主跨横跨京杭大运河，边跨跨越运河两侧现状道路及规划道路，桥梁两侧分设下桥梯道及推坡道接地，见图1。该桥采用桥梁装饰及配套建筑，在风格上采用当地的古建筑特点，同时结合运河文化，使之与现代文明有机相融。在整体尺度比例上，该桥结合使用功能并根据桥梁的尺度进行总体控制，桥墩上设置亭子，将建筑与桥梁结合设计，将交通与人行功能完美结合，该桥的建成将使其与两侧景区融为一体，必将成为宿迁湖滨新城地标性建筑。

图1 桥位图

2 桥梁方案构思

2.1 设计技术条件

（1）通航等级：国家Ⅱ级航道；

（2）通航净空：143 m(净宽)×7 m（净高）；

（3）设计最高通航水位：23.83 m；

（4）设计最低通航水位：18.33 m；

（5）桥梁断面宽度：8 m；

（6）地震：本工程区域地震动峰值加速度为0.3 g，属Ⅲ类建筑场地，场地抗震设防烈度为8度。

2.2 方案构思

通过对现场地形地貌及周围环境的实地考察，结合城市规划、交通运输、航道净空、地质条件等因素进行结构总体设计构思。该桥横跨京杭大运河，联结两岸重要旅游景区，整个湖滨新城将打造成为宿迁城市名片的展示区，承担着为游客与城市居民提供休闲、娱乐、享受自然环境的特殊功能。

（1）当地历史人文背景：宿迁地区自古以来受楚汉文化影响，具有悠久的历史文化底蕴，历代人文辈出，清朝早期乾隆六次下江南，五次宿顿于此，期间兴建了不少具备皇家特色的建筑，如龙王庙行宫，成为当地比较典型的建筑风格。

（2）桥型方案选择：由于桥梁横跨京杭大运河，受该处航道等级限制，桥梁主跨需在150 m以上。对于主跨150 m以上的桥型方案，通常会采用斜拉桥、拱桥、悬索桥及连续梁等。宿迁是一个人文及历史背景浓厚的城市，而且桥位地处景区地段，所以，美学是该桥梁必须考虑的重要因素。根据整个景区规划，该处要打造古典行宫风格需要，进而相对现代的桥型如：斜拉桥、悬索桥则不宜考虑，加之宿迁当地的地震设防烈度较高、场地特殊，大跨径的拱桥不利于抗震要求，所以大跨径拱桥亦不在考虑之列。综合以上分析，连续梁式桥是本桥主要考虑的桥型，该桥型具有受力明确，外观简洁、轻巧，线条连续流畅，外立面简单而富于变化。

（3）桥梁风格体现：桥梁立面在以现代桥梁技术为支撑的基础之上，采用现代较常见的桥型（连续梁式桥）为载体，融合中国清式的古典风格及建筑形式，使之与千年古镇-皂河镇、龙王庙行宫环境相协调，相互补充、自然和谐。桥墩处设仿古亭阁加以点缀，成为千年古镇-皂河镇的延续，如果说规划中的骆马湖景区体现的是现代生态文明，那么跨运河桥便是一条串起古今的纽带，一座穿越时空的桥梁，将皇家建筑特点、古镇繁华景象、地域特点进行宣扬和传承，与现代文明有机融合在一起。

3 桥梁结构设计特点

3.1 结构论证

考虑到航道限制和桥墩的影响，桥梁主跨跨径选择为153 m，主跨在150 m以上的梁式桥有连续梁、连续刚构、刚构-连续组合梁等形式，由于运河两侧分别为骆马湖和龙王庙景区集散广场，且离主桥主墩距离约为80 m，这就要求桥梁边跨跨径在75m左右，故桥梁跨径划分为75 m+153 m+75 m。桥梁全长303 m、宽8 m的梁式桥，由于长宽比近38，横向稳定是个重要问题，连续刚构桥横向稳定性好，但该桥桥墩高度仅为11 m，墩身刚度过大，导致墩身分担很大一部分墩顶梁体弯矩，由于该地区特殊的抗震要求，对桥梁下部结构安全极为不利。刚构-连续组合梁既能满足长宽比大的连续梁横向稳定性不好的要求，又能避免连续刚构桥因温度、收缩徐变产生过大次内力的弊端，因此，该桥结构体系选择刚构-连续梁桥，为较小固结墩的刚度，固结墩身采用双薄壁形式。

对于边-中跨比为0.49的梁式桥，中跨和边跨的不平衡弯矩较大，为解决边-中跨比过小的问题，一般情况下可以通过以下三种方式：（1）边跨段采用普通混凝土，中跨段采用轻质混凝土；（2）中跨跨中段采用钢结构；（3）加大边跨结构尺寸，实现结构配重以平衡中跨弯矩。对于第一种方法，根据国内外桥梁设计及施工经验，我国已建桥梁采用轻质混凝土材料的很少，一般情况下，轻质混凝土的骨料要求极为严格，一般情况下须从国外进口，这样在经济上不具可行性，且行运大桥的工期紧张，在我国进行昂贵的试验以寻找合适的轻质骨料也是不现实的。跨中段如采用钢箱梁结构可以有效的减小中跨跨中及桥墩根部弯矩，但考虑到此处京杭大运河不断航的特殊通航条件，且中跨跨中段采用钢箱梁会增加结构的施工难度，且施工工期较长，这样第二种方法在施工上不具备可行性，不仅如此，钢箱梁的造价要远高于混凝土梁。采用第三种方法，即通过加大边跨的结构尺寸来平衡中跨跨中弯矩，这样虽然增加了部分的混凝土和预应力钢束用量，但相对跨中采用钢结构的造价来说要小得多，而且该方法的施工难度小，可以有效的保证通航条件及工期限制。通过以上分析，该桥拟选用加大边跨结构配重的方法来平衡中跨弯矩。桥型立面见图2。

图2 桥型立面图

3.2 结构特征及设计特点

在连续梁桥中，将墩身与主梁固结从而成为连续刚构桥。由于墩身与主梁形成刚架承受上部结构的荷载，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在结构上充分发挥了潜能，因此连续刚构桥在我国很快得到了应用和发展。一般情况下，墩身内力与桥梁顺桥向抗推刚度以及距主梁顺桥向水平位移零点的长度密切相关，双薄壁式墩身具有抗推刚度小的特点，能有效地降低其内力，但随着桥梁全长的加大，墩身距主梁顺桥向水平位移变形零点的距离亦将加大，在温度、混凝土收缩及徐变等荷载的作用下，桥墩墩顶位置截面与主梁同时产生很大的顺桥向水平和转角位移，墩身剪力和弯矩将迅速增大，而且产生不可忽视的附加弯矩，这样就致使连续刚构形式方案在此桥的桥型形式选择上有着自身的局限性。

在结构上将一个桥墩的墩身与主梁的固结约束予以解除，而以顺桥向水平和转角位移自由的活动支座取而代之，这样就形成刚构-连续组合梁的结构体系。这样的桥型主墩墩身强度过大的问题得以解决，且在一定条件下桥梁总长可相对延长。可见，刚构-连续组合梁是连续梁和连续刚构的合理组合，它兼备了连续梁和连续刚构桥的优点而扬弃各自的缺点，在结构受力、使用功能和适应环境等方面均具有一定的优越性。

4 结构设计

主桥跨径布置为：75 m+153 m+75 m，桥梁总长303 m。全桥位于直线段上，桥跨中心两侧设3.5%的纵坡，竖曲线为R=1 500 m的凸曲线。主桥桥梁型式为单箱单室变截面预应力混凝土刚构-连续组合箱梁，箱梁为直腹板单箱单室断面。靠近皂河镇侧主墩与梁体固结，桥墩采用双薄壁墩形式，靠近骆马湖侧桥墩与梁体之间设置活动支座。

桥梁横断面布置为：栏杆（0.4 m）＋人非混行道（7.2 m）+栏杆（0.4 m），总宽8.0 m。人非混行道采用1.0%的横坡，坡向路边。

人非混行道桥面铺装为：4 cm石材+4 cm M10隔热砂浆+6.4～10 cm C50混凝土铺装层。

4.1 上部结构

箱梁根部梁高9.0 m，跨中及边跨支点梁高4.0 m，梁高按照二次抛物线变化，箱体顶板宽度为8.0 m、9.5 m（主墩处），顶板设平坡，顶板厚度：0～3号块厚度为0.6 m渐变至0.3 m，边跨4～10号块及中跨4～12号块厚0.3 m，边跨11～12号块顶板厚度由0.3 m渐变至0.5 m，边跨13号块至边跨支点顶板厚为0.5 m，跨中13号块顶板厚度由0.3 m渐变至0.25 m，跨中14～18号块及跨中合拢段顶板厚度为0.25 m，见图3。

图3 阶段划分图

箱梁底板宽度6.0 m，横桥向底板保持和顶板同坡度。底板厚度为：跨中1～18号块底板厚度由0.934～0.3 m，厚度按二次抛物线变化，边跨1～10号块底板厚度由0.934～0.463 m，厚度按照二次抛物线变化，边跨11～12号块底板厚度由0.463 m渐变至0.8 m，边跨13号块至边跨支点底板厚度为0.8 m。

箱体腹板厚度：边跨1～10号块为0.75 m、11～12号块腹板厚度由0.75 m渐变至0.95 m、13号块至支点为0.95 m，中跨1～12号块为0.75 m、13号块腹板厚度由0.75 m渐变至0.5 m、14～18号块及合拢段腹板厚度为0.5 m。

箱梁在支点处均设置横梁，端支点处横梁厚2.0 m，靠近骆马湖中墩简支支点处横梁厚3.5 m，靠近皂河镇侧墩梁固结处双薄壁墩横梁为两道1.4 m厚横梁，中墩处横梁均布置一个高1.0 m×0.8 m的人孔，底板设置直径80 cm的永久性检修孔。在中、边跨1/4跨处及中跨跨中均设置一道厚50 cm的跨间小横梁。桥墩处断面见图4，跨中断面见图5。

图4 桥墩处断面

图5 跨中断面

预应力箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工。0号节段长13 m,合拢段2.0 m长。除考虑节段的重量不宜差别太大外，并结合桥跨特点，悬臂浇注梁段长度为 3.0、3.5 m、4.0 m、4.5 m。

桥梁箱梁按全预应力混凝土类构件设计。

横梁及桥面板横向按照钢筋混凝土构件设计。

箱梁纵向预应力钢束均采用标准强度为fpk=1 860 MPa的低松弛预应力钢绞线，弹性模量为Ep=195 000 MPa，公称直径为15.20 mm；最大锚下张拉控制应力为1 395 MPa。

4.2 下部结构

主墩-墩梁固结墩，形式为双薄壁墩。双薄壁墩身横桥向尺寸为3.8 m，纵桥向尺寸为1.4 m，两薄壁墩身净距为3.1 m，墩身高14.4 m。承台尺寸为14.5 m×11.5 m（纵桥向×横桥向），厚4 m，下接12根直径1.5 m钻孔灌注桩基础。

主墩-简支墩，墩身采用板式墩身，墩底截面尺寸为3.8 m×2.8 m（横桥向×顺桥向），墩身顶截面尺寸为6.0 m×2.8 m（横桥向×顺桥向）。承台尺寸为14.5 m×11.5 m（纵桥向×横桥向），厚4 m，下接12根直径1.5m钻孔灌注桩基础。同时承台在悬臂浇筑时作为施工支撑点。

边墩墩采用方柱墩身上接盖梁的形式，下面墩身尺寸为1.6 m×1.6 m，盖梁高1.25～2.5 m，宽6.0 m。承台尺寸为7.5 m×7.5 m，厚2.5 m，下接四根1.2 m钻孔灌注桩基础。

5 结构计算

上部结构设计采用了三维空间计算分析软件MIDAS Civil2012和桥梁博士V3.2版对全桥运营及施工阶段进行了模拟计算分析。全桥纵向按照全预应力构件设计，计算荷载有：施工临时荷载、恒载、活载、温度梯度、基础沉降等，本桥收缩徐变按照10年运营考虑。纵向计算结果见表1。

由表1可以看出，结算结果均满足规范要求，但表中主压应力偏高，考虑到结构的耐久性，设计上采用C60高标号混凝土，同时桥面铺装层采用了隔热砂浆层，减弱了温度梯度对结构的不利影响。

6 结语

本文以宿迁行运大桥工程为背景，介绍了桥梁结构设计，重点探讨了小边跨及大长宽比梁式桥的设计，为同类桥梁的设计提供了一定的参考和借鉴作用。

表1 结算结果（单位：MPa）

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