大化大元大桥设计方案研究

覃潜

摘要：文章以大化大元大桥为例进行橋梁设计分析，参照桥梁技术标准确定桥梁结构与桥梁道路的安全等级，设计出预应力混凝土连续刚构和钢管混凝土拱桥两种桥梁设计方案，并分别从桥梁的总体结构设计、受力计算、施工方案设计以及引桥预制小箱梁设计等方面对大元大桥设计方案进行具体研究，整合两种方案得出最优设计方案。研究结果表明，主桥采用预应力混凝土连续刚构，引桥采用预应力混凝土小箱梁时，桥梁设计的性价比较高。该研究成果可为工程桥梁相关设计提供参考。

关键词：桥梁设计;施工工艺;受力计算;大化大元大桥

0 引言

目前，我国修建了大量的桥梁工程。在现代桥梁设计时，为确保桥梁设计的合理性和经济性，为桥梁建设积累宝贵的工程实践经验[1-3]，需要从特殊工程地质情况、设计指标、施工工艺、经济效益、社会效益等方面进行最终方案的确定[4-6]。

大化大元大桥是国道G355线上的一座大桥[7]，大桥建成后可以完善城市路网，起到疏散交通，改善交通状况，降低运输成本的效果[8-9]。本文对大化大元大桥的设计方案进行研究，包括桥梁的选型、受力情况、施工方案等方面，研究成果可为类似桥梁工程设计提供参考依据。

1 工程概况

大化大元大桥项目位于广西大化瑶族自治县东南部，其连接大化绕城公路江南段与江北段，是大化绕城公路中重要的跨江桥梁。桥梁全长约为364.08 m，路面设计等级为二级公路。桥址距大化二桥约1.6 km、大化一桥约2.1 km、大化枢纽约3.5 km，距百龙滩枢纽约22.7 km。桥梁地理位置如图1所示。

2 桥位概况

桥址区属溶蚀准平原地貌，高程一般在129～173 m。红水河从西至东穿过勘察区，河道宽约90～130 m，两岸多为冲洪积阶地，局部地段缺失，表层覆盖为第四系冲洪积层，无滑坡风险。区域内地质构造稳定，适合建设桥梁。

场地地层主要由第四系冲洪积层（Qal+pl）、第四系残积层（Qel）及二叠系下统（P1）基岩组成。桥位区可见溶沟、溶槽，未发现漏斗、落水洞等。根据钻探揭露，实施钻孔共5个，均未遇溶洞，属岩溶弱发育区。

3 桥梁技术标准

桥梁道路等级为公路二级，标准路基宽度为12 m，设计速度为60 km/h，桥梁宽度为18 m，为标准桥面宽。设计汽车荷载为公路Ⅰ级，设计洪水频率为主桥1/100，通航等级为内河Ⅳ级航道，通航孔通航净宽为121 m，净高为10 m，侧高为6 m。抗震烈度为Ⅵ度，设计基准期为100年，桥梁结构的设计安全等级为一级。

4 设计方案

桥梁跨径布置主要从沿江道路规划、通航净空、桥墩防撞和设计洪水位等方面进行综合考虑。桥位设计水位为163.43 m，桥位处水面标高为127.34 m，桥梁与河流方向基本正交，桥位处河床稳定，河面较宽，桥面距地面的距离在40 m以内，河道处于正常水位时水深较深，桥位处地基较好，石灰岩岩石裸露。从桥型与地形的匹配性方面考虑，桥型宜选择单跨过江设计方案。

4.1 设计方案一：预应力混凝土连续刚构

4.1.1 总体设计

桥梁设计图如图2所示，桥梁全长364.08 m，主桥上构采用80 m+145 m+80 m预应力混凝土连续刚构，引桥上构为2×25 m预制小箱梁，下部结构桥台采用柱式台，主桥桥墩采用双薄壁墩，引桥桥墩采用柱式墩，上述结构均采用钻孔灌注桩施工。桥面人行道宽度为2×1.75 m，防撞护栏为2×0.5 m，慢车道为2×3.25 m，机动车道为4×3.5 m。

4.1.2 主桥80 m+145 m+80 m连续刚构

主桥上部结构采用C55单箱单室变高度箱梁，梁高为8.6 m，跨中梁高为3.4 m，底板厚为1.0 m到0.3 m抛物线变化，腹板厚度为0.7 m到0.55 m抛物线变化。箱梁顶板宽为18 m，底板宽为10 m，两侧悬臂长为4 m，采用三向预应力体系。

主墩采用C40双肢型薄壁墩，1 #、2 #墩高分别为28 m、31 m，双肢间净距为4.4 m，薄壁墩壁厚为1.8 m，宽为10 m;承台采用C35混凝土，平面尺寸为顺桥向13.3 m，横桥向13.3 m，厚4 m;主墩基础采用C35水下混凝土，基础为直径1.8 m钻孔灌注桩，平面布置为3×3排，桩间距均为5 m。

4.1.3 引桥预制小箱梁

（1）引桥上部结构

城南岸引桥为2×25 m先简支后连续预应力混凝土小箱梁桥。

引桥上部结构采用预制吊装施工，统一选用25 m预制小箱梁。为改善行车条件，引桥采用结构连续方案。引桥按整体式路基进行设计，总宽18 m，横向共布置6片小箱梁。小箱梁梁高为1.50 m，接缝宽度为0.54 m。桥面采用C50防水混凝土现浇层和沥青混凝土。

（2）引桥下部结构

引桥下部构造采用柱式墩和钻孔灌注桩基础结构。墩柱直径为1.5 m，桩径为1.8 m。

4.1.4 受力计算

主桥整体计算采用有限元程序Midas Civil 2017软件建模计算。计算结果见表1。

表1的计算结果表明，按全预应力混凝土结构对结构进行受力验算，验算结果均满足规范要求。

4.1.5 施工方案

主桥上构采用挂篮悬臂现浇，引桥采用预制拼装施工。

4.2 设计方案二：钢管混凝土拱桥

4.2.1 总体设计

桥梁总体布置如图3所示，桥梁型式为：主桥上构采用净跨径为246 m的中承式钢管混凝土拱桥;北岸引桥上构为25 m预制小箱梁，南岸引桥上构为2×25 m预制小箱梁，桥梁全长351 m。

主桥桥面组成：2×1.75 m（人行道）+2×2.0 m（吊桿区）+14.5 m（行车道）=22 m。

引桥桥面组成：2×1.75 m（人行道）+14.5 m（行车道）=18 m。

4.2.2 主桥设计

（1）拱肋

主桥长246 m，采用钢管混凝土中承式拱桥，计算跨径为253 m，拱轴系数m=1.2，拱肋为钢管混凝土桁架式结构。拱肋上、下弦杆为四根1 000 mm钢管形成的桁式截面。主拱肋上、下弦管拱脚段采用1 000×24 mm钢管，主拱肋上弦管拱顶段采用1 000×24 mm钢管、下弦管拱顶段采用1 000×16 mm钢管，均灌注混凝土。

（2）横向联系

采用X撑横向联拱肋，上下弦共设20道，横联钢管直径为700 mm，管壁厚为16 mm。

（3）吊杆

采用钢绞线整束挤压吊索，成品索为无粘结环氧1860级钢绞线。吊杆顺桥向布置，间距为12 m，全桥共布置36根吊杆。

（4）拱上立柱

全桥两侧各设一处拱上立柱、一处肋间横梁，拱上立柱为钢管焊接于主管上，管内为C50混凝土。钢管顶面焊接钢板放置支座。肋间横梁采用钢管桁式结构，两侧与拱肋弦管、腹杆焊接。

（5）桥面系

桥面系采用钢格构体系，由钢主次纵梁、钢主次横梁和钢-混凝土组合桥面组成。主横梁顺桥向设置与吊杆、拱上立柱及交界墩相对应，标准间距为12 m，工字型截面，端部梁高为1.155 m，跨中梁高为1.6 m，底板厚20～28 mm，顶板厚16 mm;次横梁顺桥向标准间距为3 m，工字形截面，底板厚18 mm，顶板厚16 mm;纵梁共设5道，工字形截面，主纵梁底板厚20 mm，顶板厚16 mm，其他纵梁底板厚18 mm，顶板厚16 mm;桥面板利用在梁格上焊接10 mm厚钢板作为底模，现浇15 cm厚钢纤维混凝土。桥面采用7 cm厚AC-13C改性沥青混凝土。

（6）过渡墩

过渡墩墩柱直径为150 cm，主桥每侧共3根，间距为6.5 m。过渡墩设置于拱座基础上。

4.2.3 引桥预制小箱梁

北岸引桥为25 m预应力混凝土简支小箱梁桥，南岸引桥为（2×25）m先简支后连续预应力混凝土小箱梁桥。引桥上、下部结构的结构形式同方案一。

4.2.4 受力计算

采用Midas Civil 2019软件对主桥结构、拱肋和腹杆等结构进行分析，边界条件按实际进行模拟。计算结果见表2。

从表2可知，各项计算指标均满足规范要求。

4.2.5 施工方案

下部结构基础安排在枯水期进行施工。扩大基础采用明挖方法进行施工，桩基可采用钻孔灌注桩，根据地层岩性和地下水的具体情况采取适当的基坑支护措施。拱肋安装采用无支架缆索吊装、斜拉扣挂的施工工艺、两岸悬拼和跨中合龙的施工方法。引桥25 m小箱梁均采用预制拼装施工。

5 结语

本文以大化大元大桥为研究对象，设计两种方案，具体从桥梁的总体结构、受力计算、施工方案以及引桥预制小箱梁等方面进行设计，得到以下几点结论：

（1）采用预应力混凝土连续刚构和钢管混凝土拱桥两种设计方案计算的受力和变形均能满足设计技术指标。

（2）方案一具有施工技术经验成熟，占用施工场地小等优势，方案二具有拱结构承载潜力大的优势，而主桥采用预应力连续刚构，引桥采用预应力混凝土小箱梁时，桥梁设计的性价比较高，说明方案一的应用效果更佳。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

参考文献：

[1]凌建林.平潭竹屿湖大桥初步设计方案比选探讨[J]. 福建建筑， 2019， 252（6）：60-63，100.

[2]陈君翔.梧州港口大桥结构设计方案和施工技术研究[J].工程建设与设计，2018，383（9）：114-118.

[3]张文斌，文功启.某中低速磁浮试验线桥梁总体设计[J].铁道标准设计，2019，63（6）：93-97.

[4]王德志，杨 恒，曾甲华，等.福州至厦门高速铁路桥梁总体设计[J].铁道标准设计，2019，63（8）：67-73.

[5]杨 胜.钢-混结合梁大边跨连续箱梁桥总体设计[J].中外公路，2019，39（2）：165-168.

[6]钟小洪，谢家鸿. S43922国道G105北澳线虎形桥桥梁设计方案研究[J]. 中国水运（下半月），2017， 17（9）：240-241.

[7]刘明艳.山区高速公路桥梁设计方案研究[J].智能城市，2019，5（8）：56-57.

[8]刘瑞勋.长江沿岸圩区中小桥梁设计方案研究[J].安徽建筑，2018，24（2）：167-168.

[9]林 乔.桥梁桩基础承载力特征研究[J].西部交通科技，2019，149（12）：112-115.