白旗松花江大桥主桥结构选型研究

王力波 杨斌 刘国庆

(吉林省交通科学研究所 吉林长春 130012)

白旗松花江大桥是新建国道G229 饶河至盖州一级公路连接舒兰市、九台区两地的重要节点，于舒兰市白旗镇西北侧约1 500 m 的霍家渡口北侧约150 m 处跨越第二松花江。桥址区位于吉林省中部，地处松花江两侧阶地，地貌形态类型较单一，属冲积平原地区地貌单元，场地地形起伏不大。

1 水文条件

1.1 流域概况

第二松花江的发源地位于长白山天池西南的望天鹅峰北麓，海拔高程为2 691 m，是松花江的南源。在白山水库上游13 km 处，头道松花江与二道松花江汇合后称之为第二松花江，汇集各支流后，最后与嫩江在松原市宁江区的杨家堡子西北三岔河处汇合，称之为松花江[1]。

第二松花江从东南流向西北，干流流经吉林省安图县、靖宇县、柳河县、梅河口市、东丰县、辉南县、磐石市、桦甸市、永吉县、吉林市、舒兰市、榆树市、九台区、德惠市、农安县、松原市、扶余市、前郭县等24个市县。河流总长825.4 km，流域集水面积约为7.38万km2。流域内有较为发达的水系，丰满上游的主要支流有蛟河以、辉发河、二道松花江以及头道松花江，丰满下游的主要支流有饮马河、沐石河、鳌龙河、团山子河、牤牛河、温德河等。

松花江丰满水库至乌拉街段67 km段受丰满电站发电、泄洪影响，常年无封冻状态，乌拉街至龙棚23 km段结冰期仅为月余，最大冰厚不超过30 cm，结冰封江通常在1 月初，解冻开江通常在2 月中旬。龙棚以下江段结冰期约4 个月，最大冰厚大于70 cm，结冰封江通常在11 月中下旬，解冻开江通常在翌年3 月末或4月初[2]。

1.2 涉河工程

第二松花江流域内水利工程较多，共建有900余座蓄水工程和3 600 余座塘坝，总蓄水量达210×108m3，其中大型蓄水工程8 座，包括丰满水库、白山水库等，1998 年后对大中水库、堤坝进行了安全加固，上述水利设施的建设，充分发挥了发电、灌溉、防洪治涝及城市用水等综合利用效益，为吉林省的繁荣发展、美化环境起到了极其重要的作用。各水库的技术指标具体见表1。

表1 主要大型水库技术指标表

该项目位于丰满水库下游约106 km处，丰满水库控制流域面积4.25 万km2（白山水库以上控制流域面积1.9万km2），占第二松花江流域面积的58%。丰满水库始建于1937 年，是一个以发电为主，兼顾防洪、灌溉、供水、航运、养鱼等综合利用的大型水库。水库大坝为混凝土重力坝，全长为1 080 m，最大坝高为90.5 m，坝顶顶宽为9～13.5 m，坝顶高程为266.50 m，全坝分为挡水坝段、溢流坝段以及发电取水坝段等。丰满水库属狭长型河谷式水库，水库最大水面面积为550 km2，最大回水长度为180 km，最大水面宽为10 km，最大水深为75 m。水库防洪标准千年设计、万年校核，死水位为242 m，相应的死库容为26.9 亿m3，最高库水位为267.70 m，发电库容为53.5 m3，防洪库容为26.7 m3。丰满水库P=2%最大放流量为4 000 m3/s，P=0.33%最大放流量为9 240 m3/s。

2 桥位河段防洪和通航要求

2.1 桥位河段防洪标准

第二松花江干流堤防设计标准为1/50，堤顶宽度为6 m，迎水坡边坡坡率和背水坡边坡坡率均为1∶3，堤顶超高为2 m。桥址处堤防设计流量5 500 m3/s，设计平均流速0.955 m/s。

2.2 桥位河段通航要求

第二松花江为松花江干流的上游段，是吉林省境内的第一大河流，吉林市区至陶赖昭段即桥位所江段的航道规划技术等级为Ⅳ级。依据《内河航道标准》选取500 t级货船作为代表船队，船队尺寸长×宽×设计吃水为138.0 m×11.0 m×1.4 m，现状通航的80客位旅游船舶作为控制船型，船型尺度为32.4 m×6.0 m×1.0 m，舷上高度5.4 m。

桥位处最高通航水位为167.56 m，采用1/10 洪水重现期的水位，设计最低通航水位为162.25 m，采用95%通航保证率的水位。

3 主桥桥型方案选择

3.1 桥跨选择

主桥桥跨选择时充分考虑以下4个方面因素。

（1）桥位处主河槽宽度约290 m，桥轴线与第二松花江流水方向的交角约90°。

（2）航道规划等级为Ⅳ级，根据《内河通航标准》要求，通航要求净宽50 m，净高8 m，上底宽不小于41 m，侧高不小于5.0 m，设2个通航孔。

（3）桥址上下游既有桥梁工程。桥位上游约76 km处设有九站松花江特大桥；九站松花江特大桥与丰满水电站之间吉林市城区段分别设有秀水桥、金珠大桥、雾凇大桥、临江门大桥、江湾大桥、龙潭大桥、吉林大桥、松江大桥、哈龙大桥、兰旗大桥、清源大桥等多座跨越松花江的桥梁；桥位下游约20 km 处设有半拉山松花江大桥，下游约70 km处设有乌金屯松花江大桥、下游约85 km处设有陶赖昭松花江大桥。该项目上下游代表性桥梁建设规模情况具体见表2。

表2 上下游代表性桥梁建设规模表

（4）桥位处河床床面冲淤比较稳定，河床演变基本完成，河槽趋于稳定。

从保障大桥结构安全、减小船只碰撞桥墩几率以及减小桥墩阻水的角度考虑，应适当放大主桥孔跨。根据桥位处河槽宽度，并统筹经济性、通航要求、泄洪要求、施工方便性以及景观等因素，可在90～150 m 之间选取主桥跨径，综合考虑上述各影响因素，初步拟定主桥跨径采用100 m、130 m两种。

3.2 桥型选择

根据桥位处地形地貌、水文条件及上下游桥梁结构型式的分析，从结构安全可靠、保障通航安全、满足泄洪要求、施工方便性、经济合理性和景观要求出发，可考虑预应力混凝土连续刚构、连续梁、拱桥以及斜拉桥等作为主桥桥型方案。

3.2.1 预应力混凝土连续刚构、连续梁

我国连续刚构或连续梁的建设经验非常成熟，该结构大多数应用于跨径200 m 以内的桥梁，最大跨径的连续刚构可达330 m。这种桥型特点是主梁为连续体系，具有较好的结构整体性和抗震性能，相比于同等跨度的其他桥型，具有造价相对较低、方便施工、工期相对较短等优势[3-4]。

3.2.2 波形钢腹板预应力混凝土箱梁

波形钢腹板预应力混凝土箱梁由法国于20 世纪80 年代开发，国外修建较多，我国应用到工程实例中较少，设计、施工经验还不是很成熟。这种桥型特点是将厚重的混凝土腹板用波形钢腹板代替，减轻了结构的重量，合理发挥材料性能，提高材料的利用率，结构受力合理，经济效益、抗震性能较好，但波形钢板制作加工尚未完全成熟，箱梁横向刚度弱，施工控制相对困难，运营期维护费用较高[5-6]。

3.2.3 斜拉桥

斜拉桥是大跨径桥梁的一种主要的形式，具有造型优美、跨越能力大、规模宏伟等特征，跨径在300～600 m 时会有明显优势[7]。该方案结合桥位地形地貌条件和景观要求以及主河槽范围，可选用斜拉桥方案，但综合考虑到该桥的使用功能、施工难易程度、建设投资及后期维修养护费用等因素，此次不推荐此方案。

3.2.4 拱桥

作为跨江桥梁，拱桥也是一种备选结构方案，施工时不需要庞大的设备，可以化整为零进行施工，造型优美，当前我国拱桥的最大跨径已经达到575 m[8]，工程建设经验较为丰富。根据桥位处的地形地貌特征、地质条件，不适宜采用该种桥型结构。

综上所述，考虑到较大跨径连续梁运营期下挠明显，而实际桥梁墩高在20 m左右刚构体系在全桥固结的情况下桥墩整体抗推刚度较大，容易积聚较大的次内力，结合桥位处实际地质条件、墩柱整体高度及刚度分配，推荐主桥采用预应力混凝土箱型半刚构-连续梁体系，提出如下3个桥型方案。

方案一：（65+100+100+65）m 预应力混凝土半刚构-连续梁。

方案二：（65+100+100+65）m波形钢腹板预应力混凝土半刚构-连续梁。

方案三：（85+130+85）m 预应力混凝土半刚构-连续梁。

4 桥型方案比选

桥型方案对比情况具体见表3。

表3 桥型方案对比表

5 结论

根据以上桥型方案比较，得出以下结论。

方案一：该方案桥梁结构在吉林省内修建较多，工程造价低，设计、施工技术非常成熟，施工难度小，施工安全性高，工期短，运营期养护量少，满足通航泄洪要求。

方案二：该方案桥梁结构符合国家关于钢铁产能和钢结构桥梁的政策，但吉林省内已建成较少，设计、施工技术较不成熟，波形钢板的制作加工尚不成熟。与混凝土结构相比，该结构的横向刚度较弱，国外一般采用耐候钢作为波形钢腹板来保证其耐久性，而国内耐候钢应用尚未成熟，且施工周期长，施工控制难度相对大，运营期养护费用较高。

方案三：该方案桥梁结构在吉林省内修建较少，设计、施工技术较为成熟靠，施工难度相对较大，施工安全性高，工期短，运营期养护量少，满足泄洪及通航的基本要求，但通航能力稍差，造价相对较高。

综合考虑各桥型方案的安全性、工程造价、工期、施工难度、对通航和泄洪的影响、运营期养护费用及环保等因素，推荐方案一：（65+100+100+65）m 跨径的预应力混凝土箱型半刚构-连续梁。