新草滩渭河特大桥的桥型设计方案

赖 波，王 技

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

西安草滩渭河大桥原设计荷载等级为汽车－20级、挂车－100，功能转换为市政道路后，实际运营荷载远大于设计荷载，存在安全隐患，且经技术状况综合评定，该桥按照单个部件控制评价属于C类桥梁。

桥梁目前宽度为26.5m，南岸市政化改造实施宽度为60m，桥头及桥上交通经常发生拥堵，且受原桥跨径和防洪需求限制，本桥无法两侧扩建。随着西铜路城市段市政化改造工程的实施，本桥技术标准不能满足通行需求，已成为西安北出口的交通瓶颈。

因此，新草滩渭河特大桥的建设对推进西铜路城市段市政化改造具有十分重要的意义，同时也有利于消除通行安全隐患和本河段防洪、河势变化带来的不利影响。

1 设计原则

新建草滩渭河特大桥基于桥梁所处的城市环境、地形、地质、水文、施工特点和使用要求等因素，总体设计遵循以下原则。

（1）设计方案应符合西铜路城市段市政化改造的要求，以保障功能和安全为前提，控制建设规模；严格执行“技术先进、安全可靠、耐久适用、美观协调、经济合理、环境保护”的设计原则。

（2）本桥作为西安的北大门标志性建筑，应充分重视桥梁景观设计，力求造型简洁、美观，总体上与周围建筑、环境协调，以体现区域人文历史特色。

（3）设计方案应充分吸取国内外已建桥梁的新理念、新材料、新工艺和先进经验成果；桥梁所采用的结构形式和材料需充分考虑桥梁施工的可行性、结构的耐久性和维护的便利性［1－3］。

（4）应充分考虑城市桥梁的保通需求，在桥梁的设计施工过程中，考虑采用左右幅同时施工、车辆借道绕行的方式，达到既保证两岸交通，又确保桥梁建设顺利、快速建成的目的，同时将对人们日常出行的影响降至最低［4－5］。

2 桥型控制因素

2.1 城市地标性建筑和西安发展定位的需求

本桥所处渭河河段上下游桥梁众多，但桥型结构较为常规。本桥作为城市干道连接渭河两岸，西铜路城市段市政化改造后，对桥梁景观有更高的要求。

作为城市的标志性建筑，要起到为城市增色的效果；桥梁位于渭河生态带建设范围内，自然环境优美，建成后将成为西安城北社会经济、文化交流的重要纽带。

2.2 河道管理规定

按照《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》（简称“审查标准”）要求，渭河桥梁不同河段的容许桥梁间距按规定（表1）控制。

表1 不同河段的容许桥梁间距

本河段要求容许桥梁间距不小于4km，在上下游4km范围内有多座桥梁形成城市桥群，桥群阻水严重，需考虑增大跨径，减少桥群效应对河道防洪的影响。

2.3 河段防洪需求

新西铜高速草滩渭河特大桥的孔跨布置在黄河水利委员会审批时，要求对西铜一级公路草滩桥实行大跨径改造。本桥按5×178m的孔跨布置改造，即主桥主跨不小于178m，主桥桥长不小于890 m，引桥采用50m的桥梁孔跨布置，壅水和导流作用明显减小，能满足本河段的防洪评价要求。

2.4 桥位选择

本桥的拆除重建为西铜路拓宽改造项目的一部分，桥梁应与渭河两岸路线顺接，因此，拟建桥梁桥位选择惟一，即原桥位处。

2.5 桥梁纵断面

本桥南岸桥头路段的市政化改造正在进行，南岸堤顶路与路线采用箱涵立交，为避免后期对南岸路段的二次改造，最大限度地减少占地，节省投资，南岸桥头处纵断面考虑与桥头路线顺接；北岸桥头路线上跨西铜高速梁村收费站匝道，下穿西安铁路北环线铁路桥，桥下净空有限，同时该桥为钢管拱桥，桥梁上部结构建筑高度较高，无上跨该桥的可能，因此北岸桥头处纵断面也考虑与桥头路线顺接；为满足桥梁的泄洪及景观要求，尽可能抬高渭河河槽内的桥梁纵断面。

2.6 桥位地质条件

根据原桥地质钻孔资料显示，桥位处于渭河地堑中平原区域，地质属于新生代第四纪松散冲积沉积物。渭河北岸上层为黄土质亚黏土（夹粉砂）沉积，具有显著的黄土特性。南岸漫滩相，以中粗砂（夹小砾石）和粉细砂为主，夹有不规则亚黏土、轻亚黏土薄层。

河床部分以中、粗砂和细砂为主，厚度较大，水平层理，偶尔中间夹砾石，砂层间还夹有亚黏土、轻亚黏土，厚度在1.6～6.8m，不整合接触，斜向层理。由于沉积环境不同，所以颜色不同，一般具有次生黄土特性，土质较硬，呈硬塑状态。

桥跨布置方案应充分考虑桥位处地质条件，桥位处地面以下50m范围地质基本以粗、中、细砂为主，夹砾石，粗中砂层最厚，地质条件较差，限制了某些桥型方案的采用。

3 桥型方案初步比选

结合地形、地质、水文和周边环境综合比选，首先摒弃了悬索桥、传统拱桥和一般连续梁桥，并在以下结构型式中进行初步比选。

3.1 斜拉桥

斜拉桥造型美观，桥面建筑高度较小，桥梁的跨越能力较大，便于悬臂施工，跨径适应性较强，在200～500m范围内具有竞争力。自2000年湖南岳阳洞庭湖大桥建成以来，国内已建成多座三塔斜拉桥，积累了一定工程经验和技术储备，故选择三塔斜拉桥作为比选方案之一。

3.2 矮塔斜拉桥

矮塔斜拉桥又称为部分斜拉桥，是介于梁式桥和斜拉桥之间的桥型，兼有梁式桥和斜拉桥的优点。相对于变截面连续箱梁，其梁高较低，上部结构质量较小，有利于结构抗震，减小下部结构规模；相对于斜拉桥，其塔高较低，竖向刚度较大，采用后支点挂篮施工，工艺成熟。本方案可作为比选方案之一，但因本桥两岸市政道路限制，桥面高程无法抬高，矮塔斜拉桥景观效果较差。

3.3 钢桁架梁桥

钢桁架梁桥由桁架杆件组成，用稀疏的腹杆代替整体的腹板，从而节省钢材，减轻结构自重，又由于腹杆钢材用量比实腹梁的腹板有所减少，钢桁梁可做成较大高度，从而具有较大的刚度及更大的跨越能力。本方案可作为比选方案之一。

3.4 梁拱组合桥

梁拱组合桥是近年来提出的一种新桥型，以梁式桥为外部条件，拱的水平推力由水平预应力束承担，避免了传统混凝土拱桥建造所承担的风险；梁拱组合式桥梁使梁与拱在受力方面的优点得以充分发挥，因而是一种具有很大潜力的桥梁结构形式［6］。其桥型合理、用材较少、施工方便，可节省造价20%～30%。本方案可作为比选方案之一。

4 桥型设计方案

4.1 主跨338m三塔单索面组合梁斜拉桥方案

本方案主桥为主跨338m三塔单索面组合梁斜拉桥，跨径组成为3×50m＋3×50m（南引桥）、60m＋102m＋2×338m＋102m＋60m（主桥）、2×50m（北引桥）。主桥与南、北引桥间各设1个过渡墩，桥梁总长为1 410m。

主桥为六跨三塔单索面钢－混组合梁斜拉桥，半漂浮体系；下部桩基接承台，钻孔灌注桩基础，如图1所示。

图1 斜拉桥桥型总体布置

本方案桥塔造型取材于先秦古币“方足布”的稳定、厚重，向上延伸既融合了历史元素又不乏现代气息；同时，整个桥塔又呈现出“人”字形，寓意三秦大地政通人和。

本方案的景观构型从视觉和造型两方面进行优化。

（1）视觉角度。通过“方足布”式索塔的斜拉索锚固纵向主梁，以简单的直线型式构成强劲、挺拔的多向动势，包括索塔向上伸展的动势和斜拉索的力动感，对水平延伸的主梁动势在视觉上起到稳定、平衡的作用。

（2）造型角度。拉伸的“方足布”式索塔代表了西安深厚文化底蕴在现代创新攀登的时代特征；主梁和斜拉索轻盈、简洁、舒展、连续、流畅，形成极强的跨越感。

4.2 主跨196m波形钢腹板矮塔斜拉桥方案

本方案主桥为主跨196m波形钢腹板矮塔斜拉桥，跨径组成为3×50m＋3×50m（南引桥）、108m＋4×196m＋108m（主桥）、2×50m（北引桥）。主桥与南、北引桥间各设1个过渡墩，桥梁总长为1 410m。

主桥上部结构为六跨波形钢腹板矮塔斜拉桥，塔、梁固结体系；下部桩基接承台，钻孔灌注桩基础，如图2所示。

4.3 主跨180m变高钢桁架连续梁桥方案

本方案主桥为主跨180m钢桁架连续梁桥，跨径组成为3×50m＋3×50m（南引桥）、5×180m（主桥）、4×50m（北引桥）。主桥与南、北引桥间各设1个过渡墩，桥梁总长为1 410m。

主桥上部结构为五跨钢桁架连续梁桥；下部采用实心矩形墩，下接承台及群桩基础，如图3所示。

4.4 主跨180m下承式波形钢腹板连续梁拱组合桥方案

本方案主桥为主跨180m下承式波形钢腹板连续梁拱组合桥，跨径组成为3×50m＋3×50m（南引桥）、60m＋120m＋3×180m＋120m＋60m（主桥）、4×50m（北引桥）。主桥与南、北引桥间各设1个过渡墩，桥梁总长为1 410m。

图2 矮塔斜拉桥桥型总体布置

图3 钢桁架连续梁桥桥型总体布置

主桥上部结构为七跨下承式波形钢腹板连续梁拱组合桥。下部桩基接承台，钻孔灌注桩基础，如图4所示。

本方案采用波形钢腹板连续梁拱组合桥方案，中间3孔为跨径180m的连续梁拱组合桥，3个波澜起伏、层次分明的拱圈寓意欣欣向荣的三秦大地。同时，本桥北岸桥头路线下穿西安铁路北环线铁路拱桥，南、北两岸堤防工程均为圆弧造型，方案中钢管混凝土拱圈、主梁底板及波形钢腹板也为圆弧形，充分体现了桥梁结构与周围建筑、环境协调的原则。

图4 连续梁拱组合桥桥型总体布置

5 桥型方案比选

从结构方面看，主梁采用钢－混组合梁箱形截面，具有良好的抗风性能，能够防止钢梁局部失稳，节约钢材，质量适中，兼有钢结构和混凝土结构的优点，预制桥面板质量容易控制，平整度好，具有良好的桥面铺装性能，在大跨桥梁中有相当的竞争优势，桥梁造型宏伟、美观，斜拉索空间透视性好，富有张力，与周围环境较协调［7－11］。“方足布”式索塔的斜拉索锚固纵向主梁，以简单的直线型式构成强劲、挺拔的多向动势，包括索塔向上伸展的动势和斜拉索的力动感，对水平延伸的主梁动势在视觉上起到稳定、平衡的作用，因此拟将其作为推荐方案［12－15］。

6 结 语

以上方案研究证明，大跨径斜拉桥方案在优美的造型方面具有绝对的优势，同时设计施工技术成熟，虽然在经济性方面，该方案并不占绝对优势，但是考虑将其设计为西安市地标性建筑，以及考虑施工工期等因素，故在工程可行性研究阶段将大跨径斜拉桥方案作为新草滩渭河特大桥主桥的推荐方案。