跨南水北调特大桥方案比选研究

颜浩杰

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450001）

0 引言

南水北调工程已通水运营，为保证水源质量，后跨越南水北调的道路需采用桥梁一跨式跨越［1］。因路线走向或其他控制点的制约，后跨越桥梁不一定能正交跨越，与干渠有一定的夹角，从而增加了桥梁跨径［2］。桥梁方案的比选对结构的力学性能、适用性、经济性及美观性等方面尤为重要。

文中以某高速跨越南水北调干渠特大桥为依托，对跨越南水北调总干渠适合的桥梁结构体系进行比选，对比分析适合结构体系的不同桥梁方案，并对推荐方案的结构控制性受力性能进行分析，对跨越南水北调干渠桥梁和类似桥梁方案的选择提供思路。

1 工程概况

桥位所在处路线与南水北调总干渠相交，紧邻已运营高速的枢纽互通、高铁、普通铁路、市政道路等主要控制点。由于桥位处控制因素的制约，桥轴线与南水北调总干渠中心线呈130°斜交。受路线先行下穿已运营高速和高铁限制，主墩处桥面至地面最大高度约为18m。

后跨越干渠的桥梁需主跨一跨跨越总干渠两岸防护围栏，桥梁承台施工基坑开挖不能影响总干渠防洪堤及渠道内边坡，并应采取一定支护措施，避免对总干渠防护围栏及防护堤产生影响。

依托工程交叉点处南水北调总干渠断面正宽160.18m，路水交角130°，主跨两承台前沿最小距离为228.95m，考虑承台宽度和施工安全距离后确定桥梁主跨跨径应不小于265m。

2 桥梁结构体系比选

主跨跨径在250～300m范围、位于平原微丘区的桥梁通常采用预应力混凝土连续刚构、钢管混凝土拱桥、钢箱梁自锚式悬索桥、预应力混凝土斜拉桥及预应力混凝土部分斜拉桥5种结构体系。

预应力混凝土连续刚构桥主梁采用挂篮悬浇施工，施工技术成熟，施工周期短；但该桥桥位处由于路线限制，桥墩太低，墩身刚度太大，温度荷载和抗震计算无法通过，该结构体系不可行。

钢管混凝土拱桥设计技术成熟，景观效果也较好；但需搭设支架施工，南水北调总干渠不允许搭设支架，施工技术不可行；钢管拱需定期防腐涂装，对水源会造成污染，不满足环保要求，该结构体系不可行。

钢箱梁自锚式悬索桥设计技术成熟，景观效果也较好。自锚式悬索桥通常采用先梁后索的施工方法，加劲梁的施工一般采用支架现浇或顶推施工［3］。南水北调总干渠不允许搭设支架或临时墩，加劲梁无法施工，施工技术不可行。钢箱梁需定期做防腐涂装，无法通过环保评审，因此结构体系不可行。

预应力混凝土斜拉桥结构受力合理；索塔较高，主塔施工难度较大，施工周期较长；工程造价较低，但运营成本较高［4，5］。桥塔较高，与周边环境不协调，可作为比较方案。

预应力混凝土部分斜拉桥结构受力合理，抗震性能和耐久性好；施工技术成熟，施工周期短；工程造价和运营成本低；桥梁造型美观，与周边环境较协调，是安全、实用、经济、美观、环保的桥梁结构形式［6-8］，可进行深入分析。

3 方案比选

预应力混凝土斜拉桥和部分斜拉桥能够一次性跨越南水北调总干渠，设计、施工技术成熟，施工和运营期间不会对南水北调干渠造成污染，因此初步选定部分斜拉桥、单塔斜拉桥、双塔斜拉桥、双塔斜拉桥（漂浮体系）四种桥型方案进行对比，并从结构受力、施工难易、建设周期、经济性、美观及后期运营养护等方面对桥型方案进行比选。

3.1 部分斜拉桥

双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥方案，结合桥位处情况，跨径布置为（143+265+143）m，边中跨比0.539，采用塔梁固结、墩顶设支座的结构形式；下部结构采用矩形空心墩，承台群桩基础。

上部结构采用采用单箱三室预应力混凝土箱梁，箱梁顶宽29.5m，底宽14.43～16.63m，箱梁外腹板斜置；支点梁高8.5m、跨中梁高5.0m。梁高在支点60m范围内按1.8次抛物线变化。斜拉索布置在中室，横向布置两根。主塔采用钢筋混凝土A型桥塔，布置在中央分隔带上，塔高41.5m，为主跨1/6.38。部分斜拉桥方案效果如图1所示。

图1 部分斜拉桥方案效果

部分斜拉桥方案结构受力合理，主梁采用常规的挂篮悬浇施工，施工工艺成熟；塔型简约、索面清爽、桥面视野开阔、空间透视性好、与周边环境协调；主塔高度适中，施工简单；斜拉索一次张拉，不用二次调索，施工较为方便。该方案建设周期22个月，建安费约18225万元，后期养护成本也低，各方面性能均较好。

3.2 单塔斜拉桥

单塔双索面预应力混凝土斜拉桥方案，结合桥位处情况，采用（221+265）m跨径布置，边中跨比0.834，采用墩塔固结、漂浮体系的结构形式，桥塔处主梁设2个横向限位装置；下部结构采用承台群桩基础。

主梁采用双主肋等高预应力混凝土梁，中心处高2.5m。主梁全宽30.7m，顶板宽27m，厚0.25m。斜拉索扇形布置，塔上竖向索距2m，梁上锚固点纵向索距分6m和7m两种，边跨密索区索距3m。斜拉索在梁端齿板锚固，塔端采用锚具直接锚固。主塔采用预应力混凝土H型桥塔，箱型断面，布置在主梁两侧，桥塔总高131.6m，为主跨1/2.01。单塔斜拉桥方案效果图如图2所示。

图2 单塔斜拉桥方案效果

单塔斜拉桥方案设计技术成熟，结构受力分配合理，主梁采用挂篮悬浇施工，施工工艺成熟。塔型中规中矩、受力合理、稳定感好，但因桥梁斜交角度大，双索面较为凌乱，桥塔过高与周边环境不协调，景观效果较差，且桥塔高、施工难度较大；斜拉索需进行二次索力调整、工序较为复杂。该方案建设周期28个月，建安费约18336万元，后期养护成本高。

3.3 双塔斜拉桥

双塔单索面预应力混凝土斜拉桥方案，结合桥位处情况，采用（132.5+265+132.5）m跨径布置，边中跨比0.5，采用墩塔梁固结的结构形式，墩身采用钢箱梁混凝土断面形式，群桩基础。

主梁采用单箱三室预应力混凝土箱梁，箱梁外腹板斜置，箱梁等高，梁高3.5m。箱梁顶宽29.5m，底宽13m；斜拉索布置在中室，横向布置两根。主梁标准段长度6.5m，边跨拉索加密段5.95m。拉索采用扇形布置，梁上拉索锚固点横向间距为1.2m，纵桥向标准索距6.5m，塔上标准索距1.9m。主塔为钢筋混凝土柱式桥塔，布置在中央分隔带上，塔高72.7m，主跨1/3.645。双塔斜拉桥方案效果图如图3所示。

图3 双塔斜拉桥方案效果

双塔单索面斜拉桥方案结构受力合理，主梁也采用成熟的挂篮悬浇法施工。但桥塔较高，在该地区景观效果一般，且施工较困难；斜拉索也需进行二次索力调整，工序较复杂。该方案建设周期24个月，建安费费约18297万元，后期养护成本也较高。

3.4 双塔斜拉桥（漂浮体系）

双塔双索面预应力混凝土斜拉桥方案，结合桥位处情况，跨径布置为（132.5+265+132.5）m，边中跨比0.5，采用漂浮体系结构形式；下部结构承台群桩基础。

主梁采用双主肋混凝土梁。主梁中心处梁高2.5m，主梁全宽30.7m，顶板宽27m，厚0.25m。拉索扇形布置，主桥各塔均布置21对斜拉索，在每个索塔处布置一对0#索及横桥向限位装置。拉索纵桥向标准索距6.0m，边跨密索区索距5.5m。塔上标准索距1.5m，塔底距塔上第一对拉索距离为55m。

双塔斜拉桥（漂浮体系）方案结构受力合理，主梁采用牵拉挂篮悬浇施工，施工工艺成熟；但主塔高，施工困难；斜拉索索力也需进行调整，施工较复杂。该方案建设周期26个月，建安费约19475万元，后期养护成本也较高。

3.5 部分斜拉桥结构验算

采用有限元模型对重点推荐的部分斜拉桥进行结构验算，按照该桥设计时采用的JTGD 62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称规范）的各种荷载组合规定按全预应力混凝土构件对其上部结构受力构件进行验算。主梁受力和斜拉索索力是部分斜拉桥上部结构验算的控制性内容，因此重点对其进行验算。桥上部主梁、主塔采用梁单元模拟，共488个单元，斜拉索采用桁架单元模拟，划分为80个桁架单元；其中1为左边跨支点单元，100、106分别为左主塔双肢下主梁单元，292、298为右主塔双肢下主梁单元，398为右边跨支点单元，结构计算模型如图4所示。

图4 空间杆系结构离散计算模型

3.5.1 主梁持久状况正常使用极限状态验算

按照规范对主梁正截面抗裂和斜截面抗裂进行验算，全预应力构件在作用（荷载）短期效应组合下，主梁的正截面不容许出现拉应力，主拉应力规范容许值为1.14MPa，主梁具体应力验算结果见图5、图6。

图5 正截面抗裂验算

图6 斜截面抗裂验算

3.5.2 主梁持久状况构件应力验算

按照规范对主梁正截面混凝土法向压应力和斜截面混凝土主压应力进行验算，在持久状况下，主梁法向压应力规范容许值为19.25MPa，主压应力规范容许值为23.1MPa，主梁的压应力验算结果见图7、图8。

图7 正截面混凝土法向压应力验算

图8 斜截面混凝土的主压应力验算

3.5.3 斜拉索拉索应力计算结果

斜拉索是部分斜拉桥的关键构件，对其在活载和运营阶段的最大应力进行验算。斜拉索在运营阶段的最大应力位于951～1080MPa之间，没有超过斜拉索钢绞线的容许应力0.6fpk=1116MPa。在活载作用下，斜拉索应力最大值位于12.5～30.2MPa之间，斜拉索应力幅为31.06MPa，且符合部分斜拉桥活载作用下斜拉索应力幅较小的特点。验算结果见图9、图10。

图9 拉索在活载作用下的索力

图10 拉索在运营阶段最大索力

4 结语

文中通过对后跨越南水北调总干渠的桥梁结构体系进行比选，对适合的斜拉桥体系进行深入的方案比选，并对推荐方案的结构控制性应力进行验算，得出如下结论：

（1）桥梁主跨跨径在250～300m范围，并受后跨越南水北调干渠的限制，斜拉桥方案是最为适宜的方案；对该跨径范围内的斜拉桥方案进行深入比选，双塔单索面部分斜拉桥是安全、经济、合理、高效的桥梁结构形式。

（2）在主梁结构受力方面，部分斜拉桥的主梁根部及跨中截面为验算的控制性截面，经合理的截面设计、主梁预应力和斜拉索索力的优化配置，结构各项力学性能合理，各项指标满足规范要求，且有一定安全储备。

（3）在斜拉索索力方面，部分斜拉桥的索力在活载作用下具有应力幅较小的特点。