郧阳汉江四桥设计方案研究

李凡雄 褚莹莹 任 亚

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

1 设计原则

1) 桥梁跨越汉江应该在满足使用要求的前提下，结构造型力求适用、安全、经济、美观，体现时代风貌，反映出我国在工程建设上的新技术、新水平，同时要立足国内，选用技术先进可靠、经济合理适度、施工方便可行、养护维修方便、使用安全耐久的方案。

2)汉江是我国内河的较大河流之一，又是航运水利的重要水道，该项目靠近郧阳城区，在桥型方案选择时，除了要满足桥梁的行车安全外，还应保证满足航运、水利、防洪等诸多方面的要求。拟选桥型方案应尽量避免或减少对航运的影响，当考虑的桥型方案不能一跨过江时，在进行桥孔布置时要考虑中、枯水期及洪水期通航的要求，以及在施工期间应具有足够的航道水域以确保正常航运，同时要尽量减小船舶撞击桥墩的概率。

3)由于十堰市具有独特的地区优势和丰富的旅游资源，目前汉江上已建成和在建的跨江大桥各具特色，它们既沟通了两岸交通，又成为提升城市整体形象的靓丽风景。本项目在桥型布置和结构的选择时，既要考虑与古老的风景名胜相衬托，又要与汉江上的数座大桥交相辉映，为十堰市增添一道新的人文景观，同时还要考虑到大桥桥位作为一种无法再生的天然资源格外珍贵，在桥型布置和结构选用时，在满足使用要求、经济合理适度的原则下，还要重视对桥位资源的有效利用。

2 桥梁主要技术指标

1) 道路等级：一级公路。

2) 设计车速：60 km/h。

3) 设计荷载：公路-I级。

4) 车道规模：双向4车道,桥面总宽度为26.0 m。断面布置为中央分隔带1.0 m+左侧路缘带0.5 m×2+行车道3.5 m×4+右侧路缘带0.5 m×2+人行道与非机动车道混合车道4.5 m×2 =26.0 m。

5) 通航标准：通航等级为III级，设计最高通航水位168.20 m(黄海高程)。

6) 结构设计基准期：100年。

7) 环境类别：I级。

8) 结构设计安全等级：一级。

9) 设计基本风速：百年一遇v=24.1 m/s。

3 桥型方案介绍

桥型方案除满足各方面使用功能外，主桥桥型结构力求技术先进、结构新颖、施工方便、使用耐久、外型美观。结合郧阳区域汉江桥梁建设状况，构思了能以大跨径跨越江面的上承式拱桥、中承式拱桥、悬索桥为主桥的3种桥梁方案进行比选。

1) 方案一。主跨430 m上承式钢管混凝土拱桥。钢管混凝土拱桥具有塑性好、质量轻、强度高、耐冲击、耐疲劳等优点，随着高强复合材料加入，薄壁结构出现，转体施工、缆索吊装系统等技术成功应用，钢管混凝土拱桥逐渐成为大跨度桥梁理想桥型之一。

本方案采用的桥梁跨径组合为4×40 m预应力混凝土连续T梁+456 m钢管拱混凝土拱桥+10×40 m 预应力混凝土连续T梁，主桥计算跨径为430 m钢管拱混凝土拱桥，全桥长1 023.0 m，桥型布置立面见图1。

图1 上承式钢管混凝土拱桥立面布置图(单位：cm)

主桥上部为上承式钢管混凝土桁构式肋拱，计算跨径430 m，计算矢跨比1/5.5，矢高78.18 m。拱肋采用钢管混凝土主弦管和钢管桁片组成的空间桁架结构，上下游2道拱肋平行布置，截面高度从拱顶截面中心高7.0 m变化到拱脚截面中心高14.0 m，拱肋宽度为4 m，2肋间距13 m，2条主拱肋设横撑以加强其共同受力。弦管采用直径1 200 mm×壁厚35(26)mm钢管内灌C60自密实无收缩混凝土，拱上立柱采用闭口钢箱，断面为140 cm×100 cm(内壁加劲)、高度为2.2～65.5 m，拱上盖梁采用整体钢箱结构。

拱上建筑采用跨径24 m钢-混组合梁，梁高2.0 m、标准宽度2.25 m，引桥采用40 m先简支后连续预应力混凝土T梁，北岸引桥为4×40 m，南岸引桥为10×40 m。

2) 方案二。主跨450 m悬索桥。悬索桥是通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索桥主梁结构轻盈，主塔外形变化较多，在各种体系桥梁中的跨越能力最大。

本方案采用的桥梁跨径组合为30 m 预应力混凝土简支T梁+450 m悬索桥+7×30 m 预应力混凝土连续T梁，全桥长为702.0 m，桥型布置立面见图2。

图2 钢-混组合梁悬索桥立面布置图(单位：cm)

主桥为跨度450 m的单跨双铰悬索桥，主梁采用钢-混组合梁，标准节段长8.5 m，梁全宽为27.4 m，高2.2 m。两岸锚碇均采用重力式，主体部分采用C25钢筋混凝土，预应力操作室待预应力张拉完毕并灌浆后用片石混凝土封填。主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS), 吊索为挤包护层扭绞型拉索，纵向间距8.5 m，每处吊点设置1根吊索。

主塔为门式框架结构,材料为C50钢筋混凝土。主塔中部和上部分别设矩形下横梁和上横梁,主塔上部设有弧形装饰罩。塔柱由底部到顶部为直立等截面,纵向6.0 m、横向4.0 m,塔柱高度85.2 m。

塔柱按钢筋混凝土构件设计,横梁按预应力混凝土构件设计。主塔采用分离式基础，每个塔柱下设9根直径2.2 m的桩基础。

3) 方案三。主跨430 m中承式钢管混凝土拱桥。本方案采用的桥梁跨径组合为：30 m 预应力混凝土简支T梁+450 m钢管拱混凝土拱桥+7×30 m 预应力混凝土连续T梁，主桥计算跨径为430 m钢管拱混凝土拱桥，全桥长为702 m，桥型布置立面见图3。

图3 中承式钢管混凝土拱桥(单位：cm)

主桥上部为中承式钢管混凝土桁构式肋拱，计算跨径430 m，净矢跨比1/4，净矢高107.5 m。拱肋采用钢管混凝土主弦管和钢管桁片组成的空间桁架结构，上下游2道拱肋平行布置，截面高度从拱顶7.0 m变化到拱脚14.0 m，拱肋宽度为2.92 m，两肋间距26.7 m，2条主拱肋设横撑以加强其共同受力，弦管采用直径1 220 mm×壁厚35 mm钢管内灌C50自密实无收缩混凝土。

拱上立柱采用直径920 mm×壁厚12 mm的双柱钢管混凝土排架，拱上吊杆采用平行钢丝冷铸锚，横梁为组合截面梁，桥面为预应力钢筋混凝土π形连续梁，全桥吊杆和立柱间距均为12 m。

4 桥型方案比选

总体原则[1-2]。城市桥梁除了满足交通功能外，设计方案还应综合考虑十堰市及武当山的地域特色、自然景观和人文环境，让桥梁成为装扮城市的建筑艺术品，甚至成为一座城市的文化标志和象征。

1) 桥位环境。桥位处江面开阔，大桥桥型将成为江中景观的主体，因此桥型体量不宜太低矮和单薄，同时随着滨江新区的逐步开发，要考虑到大桥的造型与南北岸临江区域的远期现代建筑相协调。对比上述3种桥型，上承式拱桥整体雄伟壮观，略微装饰后，将具有更好的夜色景观效果，与周边的环境最为协调一致。

2) 地域人文特色。十堰是鄂西生态文化旅游圈的核心城市，“武当山”“丹江水”“汽车城”3张世界级名片闪耀全球。十堰的特色是青山绿水，武当文化厚重道远，上承式拱桥犹如一道飞虹跨越汉江，远观如旭日在江面冉冉升起，代表着十堰人民的勃勃生气，使之融景观性、象征性、文化性和统一性于一体，创造出属于十堰地域特色的桥梁景观。

3) 桥梁文化。随着十堰城市建设的发展，目前市区已建成的桥梁共有5座，具体概况见表1。

表1 十堰市区桥梁一览表

从表1可以看出，市区汉江上桥型较为丰富，本项目如果采用上承式钢管混凝土拱桥，不仅能完善十堰市区的过江桥库，同时桥型古典与现代的结合更能体现城市锐意进取，开拓创新的精神。

以下将从结构形式、施工难度、造价等技术、经济指标对3种桥型进行综合比较，具体内容见表2。

表2 主桥桥型方案综合比较表

以上通过对3种桥型的各种比选因素进行详细介绍和定性分析，随后基于模糊数学理论[3-4]对3种桥型进行定量的分析评价。

4.1 方案评价过程及结论

1) 确定评价指标项。

①桥位环境、人文、景观；②施工技术难度；③工程造价；④后期养护管理。建立综合因素集合U={u1,u2,u3,u4}。

2) 确定评价等级。桥型方案比选模型的等级集合为V={v1,v2,v3,v4}。分别对应:好,较好,一般,差。

3) 建立隶属度矩阵。由5位专家和15位普通市民组成的评审团对桥型方案各自作出评价后,进行归一化处理,从而得到隶属度矩阵R。

4) 确定U中各评价指标的权重。由5位专家确定的原始权重矩阵为

从原始权重矩阵可以看出，专家对桥位环境、人文、景观和工程造价2个方面比较重视。

5) 计算U的综合模糊评价矩阵。利用K=AR公式计算并对计算结果进行归一化处理后得出结果如下。

方案一。K1={0.423,0.395,0.169,0.023}。

方案二。K2={0.342,0.378,0.164,0.126}。

方案三。K3={0.425,0.345,0.141,0.109}。

6) 分析评价结果。分值向量集合赋值为S=[s1,s2,…,sn]=[100,85,60,30]，即分别对应:好100分,较好85分,一般60分,差30分。

则3个桥型方案得分结果如下：E1=86.7 ，E2=79.9 ，E3=83.6。

可以看出方案一的上承式钢管混凝土拱桥方案最优。

5 结语

从桥位环境、桥梁文化、人文等方面及结构形式、施工难度、工程造价等技术、经济指标进行综合比较，认为上承式拱桥是郧阳汉江四桥的最理想桥型。通过聘请5位桥梁专家和随机抽取15位市民组成评审团对3种桥型打分推荐，并采用模糊数学理论对3种桥型进行定量分析评价，其结果与推荐的桥型方案一致。最终确定本项目采用主跨430 m上承式拱桥方案。

郧阳汉江四桥采用主跨430 m上承式拱桥方案得到了相关方案评审专家的认可，下阶段将在更详实的水文、地质、地形等资料的基础上进一步优化此桥梁方案。