浮山县丞相河特大桥桥型方案研究

关 伟，王奎涛

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

浮山县丞相河特大桥是浮山县城至北王公路改造工程项目中的控制性节点工程，路线起于浮山县柏村附近，与浮山县西环北街相接后，向西北方向延伸，设丞相河特大桥跨越丞相河后，在南霍村附近与县道X540平交相接，路线经南霍村之后对原有县道X540西侧进行加宽，经平里后逐渐改为东侧加宽，路线终点设于北王，路线全长5.443 km。项目地理位置及桥位见图1、图2。

图1 项目地理位置

图2 桥位图

2 主要技术标准

a）公路等级：一级公路；b）设计速度：80 km/h；c）桥面宽度：28 m（主桥）；d）桥梁纵坡：-0.87%（下坡）；e）汽车荷载等级：公路 -I级；f）人群荷载：3.5 kN/m2；g）设计基本风速：27.7 m/s（重现期 100年）[1]；h） 地震动加速度峰值：0.20g；i） 洪水频率：1/300；j）通航要求：无。

3 建设条件

3.1 地形地貌

丞相河特大桥跨越丞相河河谷，桥址处地势较复杂，高差变化较大。桥位处丞相河两岸整体上柏村岸侧高，南霍岸侧低，柏村岸侧山坡地势较陡，南霍岸侧地形为梯地，地势较平坦。桥址处路线纵断面及丞相河河水流向与桥轴关系见图3。

图3 桥址路线平、纵面图

桥址处地形呈“W”形，丞相河特大桥桥位处两岸台地与河谷高差分别为90.8 m、87.3 m，桥址处河槽宽分别为100 m和90 m。部分桥墩位于陡坎附近，且左右侧地面线高差较大，为了减少桥梁墩台开挖工程量，所以应合理设置桥跨，降低施工难度，同时减小桥墩对河道阻水的影响。

3.2 丞相河河道

丞相河河槽摆动频繁，是典型的游荡性河道，丞相河主河槽紧靠柏村岸侧，柏村岸侧河槽、南霍岸侧河槽见图4。

图4 桥位处河槽现场照片

根据现场实际调查，丞相河河槽水位较浅，桥梁基础施工难度小，河槽不进行通航。河槽内桥梁桥墩布设不受通航影响，河槽范围内的桥梁跨径布设满足防洪、适应河道变迁的要求即可。

3.3 气象

浮山县属温带大陆性气候区，主要特征是多风少雨。一月份最冷，平均温度-3.7℃，最低气温-19.2℃，七月份最热，日均温度24.2℃。年平均降水量556.3 mm，最大896.8 mm，雨量多集中在7—8月份。冻土深度一般为30～50 cm，极端为67 cm。

3.4 水文

桥位处丞相河河流总长31.8 km，河流径流深为62.1 mm，其流量主要受大气降雨控制。桥位处水位情况（黄海高程）：设计水位701.800 m，一般冲刷697.573 m，局部冲刷692.918 m。

3.5 工程地质条件

桥址区地貌单元以黄土台地区和冲洪积河谷区为主，桥位处工程地质条件小、大桩号桥台处（黄土台地区）较差，为Q3黄土，具有湿陷性（湿陷厚度在2～12 m左右）。河槽处（黄冲洪积河谷区）整体上地势起伏较大。桥址处地质构造简单稳定，主要由表层为第四系全新统河流冲积相的砾卵石层夹粉质黏土等，下部为第四系下更新统楼则峪组，卵石、砾石层为主，夹粉土、红色黏土及粉质黏土，下伏二叠系上统上石盒子组（P2s）砂岩，砂岩埋深较深，地下水埋藏较浅。工程地质纵断面见图5。

图5 桥位处工程地质纵断面图

由于湿陷性黄土遇水浸泡容易丧失其结构强度，因此对桥梁工程均有很大影响，使桥梁桩基产生侧摩阻力，对桩基受力不利。同时桥台部位易产生湿陷下沉，引起桥头跳车现象。根据工程地质条件，考虑水文冲刷深度，桥梁基础采用钻孔灌注桩基础，按摩擦桩进行设计。

3.6 地震

根据山西省地震动峰值加速度区划图，项目区位于汾渭地震带上，距地震频发的山西地震带上的临汾盆地较近，新构造运动强烈，在地震动峰值区划图上位于0.20g区内，相当于地震基本烈度Ⅷ度区。

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）[2]的抗震设防目标及分类划分标准，丞相河特大桥抗震设防措施等级为9级。在桥梁选型时应选择轻型化的结构型式，控制结构整体刚度，加强丞相河特大桥减隔震设计。

3.7 丞相河生态区

桥址位于丞相河生态区中，丞相河生态区规划面积约6 km2，河道总长约14.3 km，该生态区以恢复河流自然生态系统为目标，以体现古朴、自然、田园为宗旨，集乡村旅游、农业观光、生态体验、防洪安全于一体的丞相河生态景观带。

丞相河特大桥位处于自然环境优美的生态区中，在桥型跨径选择时应重视美学景观需求，与桥位区域环境相协调。除注重桥梁跨高比例协调外，也应注重主桥、引桥各部分跨径变化的协调，结合桥位处丞相河河谷壮阔的地形、地貌以优美的、韵律的跨径组合充分展现桥梁美学。

4 桥梁设计理念[3]

a）安全稳妥。丞相河特大桥是该项目的控制性节点工程，建成后将对促进区域经济、文化发展具有重要的战略意义。桥位处路线设计标高至沟底最深处达90.8 m，桥墩高度高，同时还有冲刷等不利因素同时存在，因此，丞相河特大桥设计把质量、安全和耐久性作为设计的基本目标，在安全稳妥的前提下充分利用成熟技术，关键技术点上适度创新，使丞相河特大桥做到设计理论成熟、施工质量易于控制、使用性能良好、便于检测维护。

b）投资适度。综合考虑地区建设规划和生态环境保护等条件，桥梁桥型方案和桥孔布置考虑全寿命周期成本，工程规模和投资、工程效益和社会效益、工程建设和工程养护投资等关系，降低投资风险。

c）造型美观。考虑到浮山县自然、人文背景及桥梁位于丞相河生态区中，重视桥梁的景观设计，结合桥址独特的建设条件，在“安全稳妥”和“投资适度”的前提下使桥梁与丞相河生态区环境相融合，充分展现桥梁的地标性。

5 桥型方案选择

综合桥位处的桥梁建设条件，丞相河特大桥跨径选择宜采取分段考虑。根据桥梁上、下部工程规模比例协调的原则，两河槽区域采用相同的桥梁结构形式，小、大桩号两桥台台地及两河槽之间区域采用相同的桥梁结构形式。因此，两河槽区域设为丞相河特大桥主桥区，小、大桩号两桥台处及两河槽之间区域设为丞相河特大桥引桥区。

桥梁跨径选择不仅与桥型的经济技术指标、施工难易程度和项目建设的工期息息相关，还与桥位处的建设条件相关。结合现代桥梁设计理论和国内的建桥实例及沟谷底宽，可考虑主桥跨径为100～160 m，由于该跨径范围内的桥梁形式比较单一、特点鲜明，主桥采用连续刚构或矮塔斜拉方案。根据路线平纵面桥梁布孔后，引桥平均墩高44.1 m，最大墩高59.3 m，可考虑引桥跨径为40 m的标准跨径。

桥梁方案的总体布置直接关系到工程规模、工程质量及运营后的安全。针对丞相河特大桥的特点、功能作用以及所带来的社会效益、经济效益、技术效益，从经济、技术、耐久、施工、后期管养和景观等方面综合考虑，选取5个桥型方案进行深入比选。桥型方案设置见表1。

表1 桥型方案设置表

6 桥型方案比较

对5种桥型方案进行比较，桥型方案综合比较表见表2。

a）方案一、方案二桥型均引入连续刚构体系。方案一（2×（66.5+120+66.5）m连续刚构）与方案二（（66.5+6×120+66.5）m连续刚构）相比，虽造价方面方案一略低于方案二。但方案一在主河道和次河道设置刚构体系，相比于方案二在主河道、次河道，及其之间均设置刚构体系，方案一上下部美观协调性均次于方案二；且方案一墩台基础开挖工程量大于方案二，方案一对桥位处环境影响较大。此外，方案二施工周期较方案一长，结构安全度、稳定性、行车舒适性，景观效果等方面均优于方案一。

b）方案二主桥为六孔一联连续刚构设置于主、次河槽及其间区域，其一联总长度达853 m。由于墩高高度相差较大，对于刚构体系来说，其结构为超静定结构，由于主桥受温度、混凝土收缩徐变、预应力等荷载的影响，其受力和变形存在不协调之处，尤其对主桥中间较矮桥墩受力不利。方案二桥梁桥面景观效果无异于普通梁桥，桥面景观效果较差。

c）方案三（34×40 m预应力混凝土连续T梁）为工可推荐方案，方案三工程造价高于方案一、方案二。方案三从桥梁美学效果、施工难度、结构受力、抗风抗震，行车舒适性等方面分析均较方案一、方案二差。方案三位于丞相河主河道及次河道中桥墩的数量较方案一、方案二多，不利于丞相河河道泄洪，同时墩台基础开挖工程量较大，对桥位处环境影响较大。

d）方案四、方案五均引入PC矮塔斜拉桥，两方案跨径布置相同，方案四上部主梁采用单箱三室箱形截面，拉索布置于桥面中心处为单索面布置，方案五上部主梁采用单箱双室箱形截面，拉索布置于桥面外侧处为双索面布置，在同梁高情况下方案五主梁抗扭性能明显优于方案四，所以上部主梁材料用量方案五要低于方案四，造价较低。景观效果方面方案四主塔为“1字”形塔略显呆板，而方案五“Y”形主塔造型新颖，景观效果强。下部结构方案五框架式薄壁双柱墩较方案四双肢薄壁空心墩更显轻盈、灵动。由于方案四、方案五拉索的存在，桥梁后期养护费用较高。

经综合比较，方案五桥梁桥型引入斜拉索参与桥梁结构受力，桥梁造型新颖美观、景观效果强，结构安全度高，桥跨布置对桥位处丞相河泄洪影响较小，桥梁工程造价适中，选定方案五为推荐方案。

表2 桥型方案综合比较表

7 结语

图6 丞相河特大桥效果图

浮山丞相河特大桥为山西省首例采用造型桥塔PC矮塔斜拉桥型结构型式，两座Y形桥塔似人张开双臂呈迎接未来之势，桥塔造型美观、外形俊秀灵动，两塔一连续，四塔前后呼应，该桥桥型效果图见图6。桥梁方案可供山区同类型桥梁在方案设计时参考。