跨海河复线桥设计方案比选研究

□文/李 婕 鲍 春 杨恺敏

1 工程概况

桥梁工程位于连接天津港和京津塘二线的一条高速公路上，为该跨海河桥，具有美观要求高、桥梁跨度大以及施工难度较高等特点。

现状桥位处已建有一座桥位于海河入海口处，新港船闸和防潮闸内侧。桥宽23 m，为双向四车道，起点位于海河南岸，终点止于新港二号路，与城区段高架桥相接，全长2 030 m。其中跨越海河主桥为独塔斜拉桥，利用河中岛屿布置主塔，主跨为310 m，具体跨径布置为46 m+3×48 m+310 m，主桥全长500 m，两侧引桥为预应力T梁。

鉴于现状跨海河大桥的桥梁宽度较窄，车道数少，无法满足使用要求，需要进行改扩建。该桥自通车以来，已经安全运行了6 a左右，设计车速为80 km/h，与拟建项目的标准一致，因此将充分利用现有桥梁结构，将其作为半幅桥梁使用，在现状桥梁的一侧新建一座大桥作为另一半幅。

2 设计原则与技术标准

2.1 设计原则

跨河通道桥梁建设方案除满足实际的使用和景观要求外，还应处理好过河通道与航道的关系并注意对周围环境的保护[1]。

由于现状海河大桥已经成为天津的门户标志，而新建大桥与之相邻，两桥轴线距离很近，两座桥梁在景观上的协调问题不容忽视[2]。

因此制定了以下设计原则：

1）新建桥梁要安全可靠，尽量采用成熟的技术，降低技术风险；

2）降低对现有交通的干扰，同时要不损害原有桥梁结构的安全性能；

3）桥梁布置要满足景观要求，尽可能做到与原桥协调、统一；

4）尽量节约投资，降低工程造价。

2.2 建设标准

1）通航标准。原则上同现状海河大桥，即满足规划小万吨级船舶通行，具体通航净空：最高通航水位2.50 m（大沽水准），通航孔净宽≥160.0 m，通航孔净高≥37.0 m。

2）设计洪水频率1/300。

3）设计时速 80 km/h。4）设计荷载：车辆荷载公路I级，无人群荷载。5）抗震等级：基本烈度7度；设计烈度8度。

3 主桥方案设计

新建跨海河桥作为海河入海口的标志性建筑，其景观要求尤为突出；同时考虑跨河桥梁的安全、工期、经济等综合因素，提出了4种桥梁方案。

3.1 方案一

新桥、原桥对称布置方案。本方案新桥结构与原桥基本相同，采用主塔位置对称布置的单塔双索面斜拉桥，跨径布置为310 m+2×50 m+3×40 m，主梁高3 m，全桥共设36对斜拉索。新旧桥主桥中心距35 m，桥面净距12 m。见图1。

3.1.1 主梁

全桥主梁采用混合梁结构，即主跨310 m大部分采用钢梁，全部边跨以及主跨靠近主塔10 m长度范围内梁段采用预应力混凝土梁结构，梁高均为3 m。

图1 方案一

1）钢箱梁部分。钢箱梁段投影总长300 m，纵桥向共分为20个节段。标准段长16 m，与索距相同。钢梁大部分梁段处于5 000 m半径的竖曲线上，距主塔中心10 m处为钢梁与混凝土梁的混合接头。

钢箱梁采用单箱三室的扁平流线形断面形式，全宽23.3 m（含风嘴），梁高3.0 m，高跨比为1/103，宽高比为1/7.3。

钢箱梁标准段顶板厚16 mm，底板厚为14 mm，拉索锚箱位置局部加厚至30 mm。桥面板纵向采用U肋加强，U肋厚8 mm，U肋开口宽300 mm、高300 mm、底宽184 mm。

靠近混凝土梁结合段11 m长度范围内顶板加厚至18 mm，底板加厚至16 mm，腹板加厚至16 mm。

2）混凝土箱梁部分。预应力混凝土箱梁采用与钢梁外形一致的单箱五室断面形式。梁高3.0 m，顶板厚0.3 m，底板厚0.3 m，支点处腹板厚度0.7 m，跨中腹板厚度0.5 m，在支点附近线性变化。跨中横梁间距根据拉索间距不同而有所不同，其间距在4～5.1 m。

3.1.2 主塔

主塔造型与原桥一致，为“钻石”型。直接坐落在承台顶面上，塔座以上全高为164.798 m，桥面以上为126.365 m。主塔由塔靴、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下横梁及上横梁组成。

1）上、下横梁部分。下横梁位于主梁下，在下、中塔柱的转折处，高6.0 m，单箱单室结构，顶板厚80 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm。横梁跨间设置两道中横梁板，板厚60 cm。上横梁为单箱单室结构，横梁高5.0 m，顶板厚80 cm，底板厚80 cm。

2）主塔塔柱部分。下塔柱顺桥向宽8.0 m，壁厚1.2 m；横桥向宽为4.7～6.8 m，横桥向壁厚1.2 m。上塔柱和中塔柱顺桥向宽6.0～8.0 m，从塔顶线性过度到下横梁顶面位置。上塔柱顺桥向壁厚1.5 m，中塔柱顺桥向壁厚0.8 m。上塔柱和中塔柱横桥向宽3.0～4.0 m，从塔顶线性过度到下横梁顶面位置。上塔柱和中塔柱横桥向宽均为0.6 m。

3.1.3 斜拉索

采用空间扇形布置，共37对、74根，设计安全系数2.5。索面竖直方向在主塔上交点间距为1.5～2.5 m，在横桥方向上斜拉索锚点位于塔壁中心线。

主梁上主跨侧的水平方向索距为16 m，横桥向斜拉索锚点距道路中心线10.719 m，竖直方向斜拉索锚固点距梁顶（最高点）1 m，斜拉索通过钢锚箱与梁体连接。

3.2 方案二

新桥采用与原桥结构一致、位置平行的单塔双索面斜拉桥，跨径布置与原桥完全相同。主梁梁高3 m，全桥设斜拉索36对。主桥中心距47.75 m，桥面净距24.75 m。主梁、主塔尺寸以及斜拉索布置与方案一相同。见图2。

3.3 方案三

采用大跨径的单塔双索面斜拉桥，纵向桥塔和桥墩错墩布置，跨径布置为47 m+48 m+47 m+72 m+420 m。主梁梁高3 m，设斜拉索40对，新旧桥主桥中心距35 m，桥面净距12m。主梁尺寸与方案一相同。见图3。

图2 方案二

图3 方案三

3.3.1 主塔

主塔造型与原桥一致，为“钻石”型。直接坐落在承台顶面上，塔座以上全高为207 m，桥面以上为166 m。主塔由塔靴、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下横梁及上横梁组成。

下横梁位于主梁下，在下、中塔柱的转折处，高6.0 m，下横梁采用单箱单室结构，顶板厚80 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm，横梁跨间设置两道中横梁板，板厚60 cm。上横梁为单箱单室结构，横梁高5.0 m，顶板厚80 cm，底板厚80 cm。

3.3.2 斜拉索

采用空间扇形布置，共40对、80根，斜设计安全系数2.5。索面竖直方向在主塔上交点间距为1.5～2.5 m，在横桥方向上斜拉索锚点位于塔壁中心线。

主梁上主跨侧的水平方向索距为20 m，横桥向斜拉索锚点距道路中心线10.719 m，竖直方向斜拉索锚固点距梁顶（最高点）1 m，斜拉索通过钢锚箱与梁体连接。

3.4 方案四

新桥采用大跨径的中承式拱桥，纵向拱桥基础和现状桥桥墩错墩布置，跨径布置100 m+450 m+100 m，主桥中心距38 m，桥面净距15 m。主梁尺寸与方案一相同。见图4。

1）拱肋。主拱肋跨度450 m，矢高为97.3 m，矢跨比0.216 2。

拱肋采用钢结构形式，单箱单室矩形断面，横桥向宽度4.0～5.0 m，高度3.0～6.3 m；钢箱顶底板和腹板厚16～35 mm，纵向采用I型加劲肋，加劲板高140 mm，厚12～20 mm。

图4 方案四

主拱设置11道横撑，断面为单箱单室正方形断面，边长3.0～4.7 m，四周板厚16 mm，纵向采用I型加劲肋，加劲板高140 mm，厚12 mm。

2）吊杆。顺桥向间距10 m，主拱27对吊杆，全桥共计54根吊杆。索体采用环氧涂层钢丝双层HDPE的防腐索体，钢丝强度等级1 670 MPa，直径5.0 mm。吊杆两端均采用叉耳式冷铸锚，固定端布置在钢拱位置，张拉端设在主梁上。

4 方案比选

综合考虑跨海河桥的观景要求、施工难度、工期和造价等因素对四个方案进行比选研究。

方案一：结构基本统一，新桥与原桥主塔对称布置、桥墩对齐布置，景观效果较好；桥塔对称布置，利于节约下部基础用地面积，节约工程造价。

方案二：结构完全统一，整体景观效果好，对桥下交通影响较小；但桥塔布置在同一位置，由于结构布置的要求，横向间距比方案一增加了12.75 m，需要增加工程用地面积大，工程造价较高。

方案三：主跨跨径较大，新桥与原桥桥塔错开布置，工程占地面积较小；但结构形式不完全统一，拉索的位置与倾斜角度均不相同。

方案四：提篮式拱桥主跨跨径较大，对桥下交通影响较小；但下部基础宽度很大，须采用错墩布置，同时拱桥的基础较高，对景观有所损害；天津地区地质条件差，对需要承受一定水平推力的拱桥基础施工难度较大，同时施工周期较长。

从桥梁美学来看，要求桥梁结构物与桥位处的自然景观和附近的建筑物达到协调统一[3]。方案一与方案二均能较好地与既有桥梁保证结构造型的一致性，从而满足景观要求；而方案三与方案四，由于结构形式的差异，与既有桥梁形成视觉上的冲突，景观效果较为一般。

从施工速度与施工难度来看，方案一与方案二与既有桥的结构形式一致，施工的速度与难度都能得到较好的控制。方案三涉及水中作业，施工难度稍大。方案四采用大跨拱桥结构，此类桥梁施工难度大周期长。从对工程用地和周边交通及环境等影响来看，方案一与方案三涉及到的拆迁面积小。方案二与方案四由于与既有桥的中心距较大，会造成拆迁面积加大。四个方案对交通及环境影响均在可接受范围内。

从桥梁自身建设成本及周边拆改费用来看，方案一相对造价最低，其次是方案二，方案三和方案四造价较高。

5 结论

本工程位于塘沽城区，属于城市桥梁的一部分，因此在桥梁方案设计时还应应着重考虑美学因素；但是这里需要把握一个适当的尺度。美的桥并不是通过奇特的造型和高昂的造价实现的，桥梁的美主要应该通过寻找结构的比例、平衡与和谐，趋向合理的受力性能、经济的结构和方便的施工获得的，这些原则在四个方案中都有一定的体现，但是这种考虑是基于结构受力合理，建造工艺可行为基础的，同时力求经济合理、拆迁面积小，将对环境的影响，施工的难易程度，施工速度等因素纳入了比较，是比较全面和合理的。经过综合比选研究，将方案一作为推荐方案。