来宾正龙红水河特大桥工程初步设计

聂尚杰 刘潜

摘 要：来宾正龙红水河特大桥上跨红水河II（3）级航道，大桥推荐方案为主跨200 m预应力混凝土连续刚构，为解决运营期主梁下挠过大问题，主桥设置了体外预应力备用钢束，提高结构安全储备。为解决大桥主墩墩高超矮问题，通过计算优化了双肢薄壁墩尺寸。

关键词：连续刚构桥;超矮墩;方案比选;结构分析

中图分类号：U442.5 文献标识码：A

1 工程概况

本项目地貌总体类型为溶蚀低丘、垄岗地貌，桥梁跨河两侧主墩附近为岩溶峰林、石芽残丘地貌。红水河自西向东流，河岸附近地势较陡。历年平均气温20.7℃，极端最低和最高气温分别为-3.3℃和39.6℃。桥梁规模受红水河通航净空尺度、设计洪水位、主桥结构形式、路线纵面设计等因素控制。

2 技术标准采用情况

（1）公路等级：双向4车道一级公路;（2）设计速度：80 km/h;（3）桥梁设计基准期：100年;（4）耐久性设计环境类别：Ⅱ类;（5）地震烈度：抗震设防烈度Ⅵ度，加速度为0.05 g;（6）设计洪水频率：特大桥1/300;（7）航道等级：规划II（3）级航道;（8）单幅桥梁宽：12 m。

3 红水河特大桥桥型方案研究

3.1 桥型及跨径方案研究

初步设计阶段开展了项目通航条件影响评价，根据研究结果，桥区河段规划航道内，水流流速主要分布为1.9～2.6 m/s，横向速度不超过0.29 m/s，桥中心线与水流方向角度约为98°。综合考虑通航净宽、桥轴线与水流夹角、两侧紊流宽度后，桥址区单孔双向通航净宽要求为153 m，考虑两侧紊流总宽度30 m后，要求最小通航孔宽度（左、右柱墩或承台内壁距离）不小于183 m。根据评价结论，经测算主跨至少需200 m。就本桥而言，钢管混凝土拱桥、斜拉桥等桥型造价相对较高，施工难度大，初步设计不再对其进行深入研究。

200 m跨径左右，连续刚构桥具有优越的结构性能和良好的经济指标，其工程造价不高、施工工艺成熟、营运期维护费用低，是具有竞争力的桥型方案。200 m跨径同样是矮塔斜拉桥的经济跨径，而塔高为常规斜拉桥的1/2～1/3，造型景觀效果较好。

在满足通航、防洪要求前提下，基于经济性和营运期维护考虑，初步设计最终确定：方案一为110+200+110 m预应力混凝连续刚构桥方案;方案二为110+200+110 m预应力砼矮塔斜拉桥方案。

3.2 桥型方案介绍

3.2.1 方案一：预应力混凝土连续刚构

全桥桥跨布置为：110+200+110 m，全桥长640.7 m。

主梁材料为C55混凝土，分为悬臂和支架现浇两部分。箱梁分幅设计，主梁箱室底宽6.5 m，顶宽12 m。顶板悬臂翼缘长2.75 m。箱梁梁高由跨中4 m向根部12.5 m按1.8次抛物线变化。箱梁顶板厚28 cm，根部局部80 cm。根据抗剪截面验算需要采用变厚度腹板。

设计中根据计算结果适当增加连续刚构梁高，优化连续刚构成桥状态。为善主梁应力情况，提高其承载能力，增加梁高非常有效，箱梁根部梁高与主跨跨径的比例关系一般在1/16～1/18之间，本项目主桥根部梁高12.5 m，较传统设计中相同跨径连续刚构桥提高0.5 m，较大优化主梁受力。

箱梁0号节段长13 m，悬浇节段从根部至跨中分别为8×3.5 m+6×4.0 m+9×4.5 m，悬浇节段总长92.5 m。箱梁墩顶横隔、跨中横隔、梁端横隔厚分别为1.8 m、0.5 m和2.5 m。箱室内设置体外预应力转向块，预留后期增加体外预应力的布置通道。

为降低桥梁纵坡，减少桥长，控制工程规模，主桥下部结构主墩采用“双薄壁超矮墩”设计，墩身采用C50混凝土，单幅桥墩宽8.5 m，壁厚1.8 m，墩间净距5.4 m。北岸墩高21 m，南岸墩高桥25 m，最小墩高约为跨径1/10，已达到连续刚构桥设计的极限，设计难度大。

本桥位于岩溶发育地区，为避免地勘工作量不足导致后期出现较大变更，地勘工作深度、质量和进度要严格控制，钻孔采用逐桩钻，保证设计质量和工程投资可控，在地勘钻孔基础上，桩基采用12根直径3.0 m的端承桩穿越岩溶发育区。承台、桩基采用C40和C30水下混凝土。

红水河大桥主桥跨越红水河，通航标准为II（3）级的航道，设计应考虑航道两侧主墩的防撞问题，本桥浮动钢覆复合材料防撞设施，以减少水位升降对于防撞效果的影响。

3.2.2 方案二：预应力混凝土矮塔斜拉桥

方案二桥跨布置于方案一相同，主梁为带大挑臂的单箱三室变截面箱梁，跨中梁高3.5 m，支点梁高7.0 m，支点值跨中按2.0次抛物线变化。箱梁总宽26 m，底板宽度14.31～12 m，悬臂板长5 m。箱梁腹板斜率1∶3，中室采用直腹板。斜拉索为中央索面布置，主梁横隔板设置与斜拉索锚固点相对应。

主塔主体高度为29 m，塔柱采用尺寸5×3 m的矩形实心截面。可换索式鞍座布置于塔身上部。斜拉索与鞍座横向双排布置。斜拉索扇形布置在中央分隔带范围内，单塔上布置有14对总计28根索，全桥合计56根。斜拉索间距梁上按4.0 m布置，塔上按1.0 m布置。斜拉索采用环氧全喷涂无粘结钢绞线体外索，应用双重防腐措施，外包一层PE和一层HDPE套管。

由于矮塔斜拉桥主梁墩顶高度7.0 m，小于连续刚构桥的12.5 m，因此在相同纵坡的情况下主墩高度提高了5.5 m，较好的增加了桥墩高度，最小墩高为26.5 m，桥墩受力较刚构方案好。

3.3 红水河特大桥桥型方案比选

根据目前国内外桥梁建设的技术和经验，从两方案在投资规模、施工难度、结构的合理性、工期、维修养护等方面综合考虑，两个桥型方案优缺点详细比较见下表：

根据上表对桥型方案采用综合比较法进行比选，方案一在工程经济性、结构耐久和可维护性上占优势，对于存在的主墩超矮的情况，经过结构对桥墩结构的优化，受力性能可以满足设计和规范需求，因此，推荐（110+200+110）m预应力混凝土连续刚构桥方案。

4 推荐方案结构分析

4.1 计算模型及主要荷载与组合

采用空间有限元软件Midas Civil进行考虑施工过程的计算分析。施工阶段分析即是按施工过程逐阶段计算内力、应力和位移，并随着施工工况的进展逐步累计，直至成桥阶段。在运营阶段，按成桥状态下的自重恒载、活载、预应力、混凝土收缩、徐变、支座强迫位移、温度升降、制动力对结构进行了分析计算，并据此进行各构件或截面的设计。

计算过程中考虑了多种组合，最不利组合为：恒荷载+汽车+汽车制动力+墩不均匀沉降+体系温度作用+梯度温差作用。上述荷载组合中恒载均包括了自重、预应力和混凝土的收缩、徐变的效应。

通过有限元模型分析，重点对主梁高度和桥墩结构尺寸进行优化。

4.2 上部结构验算

根据施工过程将模型划分为88个阶段。通过施工阶段计算，主梁最大压应力、拉应力分别为15.40 MPa和1.07 MPa，计算结果均满足规范要求。

运营阶段对主梁承载能力、抗裂和各项应力指标进行验算，按全预应力混凝土构件考虑。经验算，上构箱梁正截面抗弯和斜截面抗剪承载力均符合规范要求。运营阶段主梁各单元上、下缘在短期效应组合下均未出现拉应力，符合抗裂验算要求;短期效应组合下最大主拉应力1.08 MPa出现在墩顶，满足规范要求;标准值组合下主梁截面上、下缘出现最大压应力分别为17.35 MPa、13.87 MPa，小于规范限值。

4.3 下部结构验算

由于北岸主墩墩高仅21 m，约为跨径1/10，且两岸墩高存在一定高差，已达到连续刚构桥设计的极限，设计难度大，是一种大跨度不规则结构，温度、制动力等荷载作用较多集中于矮墩，矮墩受力不利，通过有限元计算优化双肢薄壁墩肢距和单肢壁厚，最大程度改善主墩受力。

对优化后的矮墩截面进行偏心受压构件验算，单肢主墩截面为1.8×8.5 m矩形截面，配有336根HRB400主筋，直径32 mm，间距12 cm，计算结果显示，基本组合下桥墩处于弹性受力阶段，最不利安全系数为2.06，桥墩强度满足规范要求;桥墩裂缝宽度最大0.087 mm，小于规范限制;桥墩抗剪承载力足够，所受到的剪力较小，故忽略桥墩抗剪验算。

5 总结

來宾正龙红水河特大桥上跨红水河II（3）级航道本文从经济性、结构耐久和可维护性等方面对桥梁设计进行了研究，推荐主跨200 m预应力混凝土连续刚构桥方案。对于存在的主墩超矮的情况，经过结构对桥墩结构的优化，受力性能可以满足设计和规范需求;考虑可能存在的运营期主梁下挠过大问题，主桥设置了体外预应力备用钢束，提高结构安全储备;较传统设计中相同跨径连续刚构桥提高0.5 m，较大优化主梁受力状态。

参考文献：

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