柳南高速公路改扩建新旧六景郁江特大桥设计研究

聂尚杰，刘 潜

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引言

随着经济发展，各区域之间的交通量与日俱增，原有高速公路交通量日益饱和，难以满足通行需求。因此，对早期建设的四车道高速公路进行改扩建，可以起到提升道路服务质量和品质的作用，但改扩建方案的选择是一个重难点。相较于新建高速公路，改扩建常用的方案有原位拆除重建、利用原道路进行两侧或单侧扩宽、分幅新建且提升原道路技术等级等。无论采用何种方式，考虑最大程度利用原有道路进行改扩建的方案是相对经济性好、占地少的办法。而涉及桥梁的改扩建更是此类项目的关键，本文对泉州至南宁高速公路柳州至南宁段六景郁江特大桥改扩建工程进行介绍，总结出可供参考的特大桥改扩建和工程质量提升综合技术经验。

1 工程概况

泉州至南宁高速公路柳州至南宁段是广西高速公路网的重要主骨架。该工程于1997年建成通车，经过二十几年的运营，原设计双向四车道的通行能力已无法满足交通量迅速增长的需求。为提高服务水平，广西壮族自治区启动了柳南高速公路改扩建工程，将其原来的双向四车道高速公路扩充为双向八车道高速公路，以适应经济与社会发展需求。六景郁江特大桥位于南宁市横州市六景镇郁江下游约1 km处，桥位处河段顺直，河床断面右岸较陡，左岸相对平缓。桥址常水位河宽约200 m。两岸属冲洪积河谷地貌，覆盖为粉质黏土、黏土、碎石土，下伏基岩为中厚状白云质灰岩。桥位处属亚热带气候，年平均气温为20 ℃～23 ℃，年平均降雨量为1 432.1 mm，平均相对湿度为80%，降水主要集中在4～8月。

六景郁江特大桥作为全线跨越郁江的控制性桥梁，其改扩建方案是项目的重点。

2 技术标准

(1)公路等级：高速公路。

(2)设计速度：120 km/h。

(3)汽车荷载：公路Ⅰ级。

(4)通航标准：现状 Ⅱ 级航道，通航净空220 m×10 m，远期按通航净空230 m×13 m的Ⅰ级航道规划。

3 六景郁江特大桥改扩建总体方案比选

六景郁江特大桥旧桥主桥为主跨220 m中承式钢管混凝土拱桥，桥面全宽25.1 m，净矢高44 m。综合桥位处工程地质、水文、通航及桥头引道布置条件等因素，设计阶段考虑两个改扩建方案开展综合比选。

方案一：保留旧桥，在其下游扩建单向四车道新桥，旧桥经改造后，与新桥共同组成八车道高速公路。

方案二：弃用旧桥，另选桥位新建八车道特大桥。

经比较，方案一可充分利用旧六景郁江特大桥的通行能力，经济性较方案二优势明显，其方案成立的前提条件是旧桥工作性能能够满足设计要求。旧桥的检测报告显示，拱肋工作性能整体良好，其主要病害集中在桥面系，而对桥面系进行维修加固[1-2]后，可利用其作为半幅桥使用。综合考虑，选用方案一作为实施方案。

4 新桥结构设计

4.1 桥型总体布置

结合桥位处地形条件及通航要求(通航净空尺度>230 m×13 m)，六景郁江特大桥新桥主跨跨径需≥265 m。综合造价、景观协调性因素，新桥采用下承式钢管混凝土系杆拱桥方案，与旧桥结构形式基本统一，整体景观效果较好。

六景郁江特大桥新桥主桥为计算跨径265 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥，计算矢高为58.89 m，见图1。

主桥拱肋与桥墩固结，通过在拱脚间张拉系杆平衡水平力，桥面系采用半漂浮体系，端部设置竖向支座，桥面系与主墩间设置纵向锁定器(LUD)以抵抗地震效应及汽车纵向制动荷载。

4.2 主桥上部结构

4.2.1 拱肋

悬链线拱轴，矢跨比为1/4.5，拱轴系数为1.352。拱肋采用四肢格构结构，截面尺寸为6.0 m×2.8 m，两拱肋横向中心距为25.65 m。拱肋上、下弦杆均采用外径1 000 mm钢管，壁厚根据受力情况分为28 mm、24 mm、22 mm、20 mm四种。弦杆间上、下平联为610 mm×12 mm钢管，竖腹杆、斜腹杆为450 mm×12 mm钢管。弦杆及吊点处平联钢管内灌C55微膨胀混凝土。拱肋节段采用基于悬臂拼装的整体式桁架单元，相邻两节段间仅需对接弦杆，可有效减小现场高空作业量。弦杆节段间焊接。全桥拱肋有10个节段，最大吊重约为97 t。详见图2(a)。

全桥拱肋设8道K型横撑，1道拱顶米字型横撑。横撑中心距为22.85 m。横撑水平弦杆为610 mm×12 mm钢管，斜向弦杆为550 mm×12 mm钢管。其余杆件均为350 mm×10 mm钢管。拱圈、横撑采用Q345C钢材。详见图2(b)。

图1 六景郁江特大桥新桥桥型布置图(cm)

(a)1/2拱肋立面布置

(b)拱肋横撑布置

4.2.2 吊杆

吊杆作为拱桥的重要构件，应在设计时从构造和计算上考虑其强健性。由于拱桥吊杆强健性分析计算目前没有相应的规范或经验可以参考，本项目根据已有的研究成果，考虑吊杆破断时的结构动力效应[3]，并参照《公路悬索桥设计规范》(JTG-TD65-05-2015)第10.4.2条第2款规定进行断索情况下相邻吊杆的偶然状况承载能力计算，以此保证吊杆的强健性。

吊杆采用GJ15-27整束挤压成型钢绞线吊杆，纵向间距为10 m，全桥共24对。吊杆上端采用张拉端锚具，上锚头采用球型支座和垫板锚固于拱肋上平联，通过调节螺母位置对吊杆长度进行调整。吊杆下端采用固定端锚具，下锚头采用销接式，叉形耳板与横梁处耳板通过销轴连接。详见图3。

4.2.3 系杆

系杆可以平衡拱脚水平力，作用至关重要。六景郁江特大桥采用柔性系杆，相比刚性系杆其易损性较高，一旦损坏，主拱的水平推力将直接传递至下部结构和基础，同时拱脚会产生较大的水平位移，进而引起主拱产生较大的附加弯矩，其强健性相对较差[4]。系杆破断对全桥结构的安全影响较大，在无规范直接规定的情况下，本桥设计时参照《公路斜拉桥设计细则》(JTG/TD65-01-2007)第6.2.1条第8款的规定对结构进行要求，即一根系杆破断后，结构不利增量应小于设计应力的10%，以此保证结构的强健性。

系杆为体外预应力束，采用全防腐型高强度低松弛钢绞线成品拉索，可重复张拉、更换。系杆从拱座中穿过后锚固于端部，每片拱肋单侧布置16根系杆，全桥共32根。每道横梁上设置轮轴式支撑架，保证系杆纵向自由滑动。详见图4。

4.2.4 桥面系

早期建成的钢管混凝土拱桥桥面系纵向联系弱，一旦出现吊杆断裂，极易引发桥面系落梁，形成严重事故。六景郁江特大桥新桥桥面系设计见下页图5，其对边纵梁进行加强设计，适当增加中纵梁数量，与以往的悬吊结构[5]相比，整体性好，强健性较好。

钢横梁分为吊杆横梁、次横梁、端横梁三类。吊杆横梁对应于吊杆位置，横向长35.05 m，纵向间距为10 m，吊杆横梁采用工字型断面，高2.0 m，宽0.7 m，吊点范围局部加宽至1.5 m。吊杆横梁顶板厚28 mm，底板宽1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm。全桥共设24道吊杆横梁。次横梁设置在相邻两道吊杆横梁间，长度与吊杆横梁相同，断面也为工字型，高1.0 m，宽0.6 m，其顶、底板厚16 mm，腹板厚14 mm，全桥共设25道次横梁。此外，还设置了2道端横梁。

钢纵梁分为边纵梁与中纵梁两类。边纵梁置于两端，横向间距为20.15 m，采用高2.0 m，宽0.6 m，顶板厚18 mm，底板厚24 mm，腹板厚16 mm的工字型结构。在边纵梁间设置3排中纵梁，横向间距为5 m，采用高1.0 m，宽0.6 m，顶、底板厚16 mm，腹板厚14 mm的工字型结构。

桥面系纵、横梁连接采用顶板焊接，腹板、底板栓接的栓焊结合形式。

桥面板为分块预制的C50钢筋混凝土结构。桥面板厚25 cm，吊装就位后与钢梁通过剪力钉和现浇钢纤维混凝土形成组合梁，单块最大吊重约16 t。

图3 吊杆构造图(mm)

图4 系杆及锚固构造图(mm)

(a)桥面系平面布置(mm)

(b)主桥标准横断面(cm)

4.3 下部结构

拱座与承台间桥墩为纵向凯旋门式矩形空心墩，单片桥墩纵、横向尺寸为4.5 m×9.4 m，壁厚为1.0 m。每个拱肋对应一片桥墩，两片桥墩横向通过拱座横梁连接为一体。拱座横梁采用单箱双室截面，高4.0 m，宽14.38 m，顶、底板厚0.6 m，腹板厚1.0 m。详见图6。

5 旧桥加固设计

旧六景郁江特大桥为主跨220 m中承式钢管混凝土拱桥，拱肋为四肢格构式，桥面系采用混凝土横梁上安装小纵梁的悬吊体系。详见图7～8。

(a)侧面

(b)立面

图7 六景郁江特大桥旧桥桥型布置图(cm)

图8 六景郁江特大桥旧桥横断面布置图(cm)

旧桥于1997年建成，运营20多年，受外部因素影响所致，桥梁病害较为严重。本次改扩建设计方案为将旧桥作为单幅桥梁参与运营，须对其进行维修加固。根据该桥近年的桥检情况来看，拱肋整体工作性能较好，主要存在的问题是吊杆锚头锈蚀、桥面系开裂病害严重，直接投入运营风险较大，根据已有的检测成果，需对其进行整体更换以满足工作性能要求[6-11]。旧桥桥面系更换加固方案充分结合了新桥设计特点，具体方案如下：

(1)全桥更换桥面系。

旧桥面系结构形式与新桥一致，旧桥吊杆间距为5.1 m，更新桥面系横梁间距与新桥保持一致。具体构造见图9。

(a)桥面系横梁布置

(b)桥面系横断面

(2)全桥更换吊杆体系。

更换后吊杆结构形式与新桥总体一致。吊杆采用拱上张拉，下端为固定端。由于桥面系减轻，吊杆规格由原61φ7 mm更换为55φ7 mm镀锌平行钢丝。

经分析，更换桥面系后，结构强健性明显提高，旧桥各构件均能较好满足运营期结构安全性要求。

6 结语

六景郁江特大桥改扩建设计过程中充分考虑了新、旧桥梁的各自特点：主拱拱肋采用大节段预制吊装，主桥拱肋划分节段少，大幅度减小现场接头数量，确保了拱肋施工质量，节省建设工期，对于项目的快速实施具有重要意义；采用钢纵、横梁格组合桥面结构，整体性、强健性好；通过对吊杆、系杆的强健性设计，提高了全桥在突发状况下的安全性，保证了吊杆、系杆的可调可换性；系杆采用全防腐型整束可调可换高强度低松弛钢绞线成品拉索，提高了可维护性。通过优化拱肋和桥面系设计，使得主桥大部分构件均能进行标准化工厂预制，使六景郁江特大桥的施工周期得到大幅缩减，经济、社会效益好。对旧桥进行更换吊杆、将混凝土桥面系优化为钢-混组合梁结构，显著提高了桥面系工作性能，同时有效降低桥面荷载，提高了拱肋安全度。

六景郁江特大桥改扩建工程于2015年开工建设，已于2018年建成通车，目前运营情况良好。本项目的成功实施，对柳南高速公路的服务品质提升具有重大意义。