赤水市凉江大桥总体方案设计

杜 威

（中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

赤水市半岛旅游度假区位于赤水市东南部，复兴镇西北部，距市区7 km，距复兴镇3.8 km。拟建凉江大桥位于复兴镇境内，横跨赤水河，连接凉江半岛和长江半岛，是半岛旅游度假区内路网规划的一座重要桥梁。

1 建设条件

赤水市属长江水系，有大小河流352 条，总长度1255 km，其中流域面积大于20 km2的河流26 条，总长度335 km。赤水市河网密度达到0.7 km/km2，赤水河为境内最大的河流，属长江一级支流。拟建大桥位于赤水市复兴镇下游3.3 km 处，桥址距下游赤水河口67.6 km，位于赤水河狗狮子—合江77.9 km航段，桥区航道等级为Ⅴ级。

根据勘察揭示，场区的岩土层按其成因分类主要有：第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）粉质黏土与细砂；下伏为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）泥岩与长石石英砂岩。自上而下叙述如下：

①质黏土（Q4al+pl）：黄褐色，可塑，层厚0.80～7.00 m，平均厚度3.05 m，为中等压缩性土。

②细砂（Q4al+pl）：灰红褐色，稍湿，松散，局部夹黏性土，平均厚度3.60 m。

②1泥岩（J2s）：暗紫红色，全风化，岩石结构、构造已完全风化，层厚0.60～2.20 m，平均厚度1.52 m。

③2泥岩（J2s）：暗紫红色，强风化。层顶高程230.56 ～237.02 m，层厚1.70～3.00 m，平均厚度2.58 m。

③3泥岩（J2s）：暗紫红-灰褐色，中风化。该岩石饱和状态下为软岩，岩体完整程度为较完整，岩石饱和单轴抗压强度frk= 12.8 ～22.2 MPa。层顶高程179.62～234.02 m，层厚1.70～30.30 m，平均厚度13.19 m。

④长石石英砂岩（J2s）：浅灰- 灰紫色，中风化，该岩石饱和状态下为较硬岩，岩体完整程度为较完整，岩石饱和单轴抗压强度frk=34.0～57.6 MPa。层顶高程184.12～212.76 m，层厚2.50～15.2 m，平均厚度6.46 m。

依据赤水市城市总体规划，桥梁位置选择主要由河道情况、通航条件、岸坡地形地质条件、路网规划等因素决定。结合桥梁位于弯道上的情况，同时考虑到赤水河生态环境保护原则，尽量减少大桥的建设对赤水河及赤水河内珍稀鱼类等造成影响。拟定凉江大桥采用200 m 主跨一跨跨越赤水河，在满足通航要求的同时尽量减小桥梁建设过程和运营阶段对赤水河的影响。

2 主要技术标准

（1）道路等级：二级公路。

（2）设计荷载：公路-Ⅰ级，人群荷载取3.0 kN/m2。

（3）设计行车速度：40 km／h。

（4）断面组成：0.7 m（索区）+5.0 m（人行道）+7.5 m（车行道）+1.6 m（中间带）+7.5 m（车行道）+5.0 m（人行道）+0.7 m（索区）=28.0 m。

（5）地震：地震动峰值加速度值为0.05g。

3 总体设计

主桥采用200 m 的单跨斜拉- 拱组合桥。主拱布置为提篮式钢箱拱，内倾角12°，拱轴线采用非对称多项式悬链线；桥塔为无背索斜塔，倾斜角度为60°，由直线塔和曲线塔两部分组成。其中：直线塔为混凝土矩形截面，曲线塔为钢管截面，塔高60 m；主梁采用钢梁，纵横梁体系。引桥均采用16 m 跨径预应力混凝土空心板。桥梁立面总体布置见图1 所示。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

4 桥梁结构体系

目前世界范围内大跨径的斜拉- 拱组合桥实施极少，能够检索到的有位于湖南湘潭的莲城大桥（主跨400 m，见图2）和马来西亚吉隆坡的詹巴坦·神·绍贾拉桥（主跨300 m，见图3）。莲城大桥主桥跨径布置为120 m+400 m+120 m，其结构体系为钢管混凝土中承式拱桥与斜拉桥组合，对称结构，主跨斜拉索锚点设置在拱肋上。詹巴坦·神·绍贾拉桥跨径为300 m，其结构体系为钢管混凝土中承式拱桥与有背索斜塔斜拉桥组合，对称结构，主跨斜拉索锚点设置在主梁上。

图2 莲城大桥之实景

图3 詹巴坦·神·绍贾拉桥之实景

拟建凉江大桥采用无背索斜拉桥与中承式拱桥组合共同承受桥面荷载，无背索斜塔仅设置在一侧，为非对称结构，具有技术先进、受力复杂、造型优美、视觉突出等特点。凉江大桥作为创新型桥梁结构体系，需要充分研究无背索斜拉桥与中承式拱桥两种桥梁体系并将其合理融合。桥梁效果图见图4 所示。

图4 凉江大桥效果图

5 结构设计

5.1 索塔

索塔由直线部分和曲线部分组成，两部分通过联系形成整体。

直线塔采用C50 钢筋混凝土结构。直线塔高60 m，沿线路方向倾角60°。塔柱采用矩形截面，实体塔柱，横向宽度2 m，高度2.5 m，左右两侧塔柱塔底端部靠近桥梁边缘，与横梁一起浇筑；塔顶向桥梁中心线靠近，宽度4 m，索塔正立面见图5 所示。

图5 索塔正立面图（单位：cm）

曲线塔采用钢结构，钢材为Q345，采用φ1.5 m的钢管，厚度28 mm。直线塔与曲线塔之间采用φ60 cm 钢管相连，厚度20 mm。钢结构与横梁间使用预应力构件连接，索塔侧立面见图6 所示。

图6 索塔侧立面图（单位：cm）

5.2 拱肋

拱肋采用中承式多项式悬链线无铰提篮钢箱拱，以两拱脚连线为轴线分别向线路中心线侧倾斜12°以形成提篮。单拱以拱顶为界，分左右不同拱轴系数，左侧计算跨径L=208 m，拱轴系数m=1.6，矢跨比f/L=1/5.859；右侧计算跨径L=192 m，拱轴系数m=1.4，矢跨比f/L=1/5.408；两条拱肋之间拱脚处中线横向间距为32.531 m；拱顶中线横向间距17.464 m；主拱立面见图7 所示。

图7 拱肋立面图（单位：mm）

拱肋采用等截面钢箱，宽2 m，高3 m，钢箱顶底板、左右侧腹板厚均为28 mm，纵向加劲板、横隔板厚均为18 mm。两条拱肋之间共设三道风撑，风撑轮廓最大宽度6.19 m，最小轮廓宽度4 m，高0.6 m，风撑中心以椭圆形挖孔；风撑钢板厚均为16 mm。主拱断面见图8 所示。

图8 拱肋断面图（单位：mm）

5.3 斜拉索及吊杆

斜拉索及吊杆均采用PES（FD）索体，该索体为双层HDPE 防护的全防腐索体。

吊杆采用单吊杆，最大长度约27 m，吊杆采用两端叉耳销轴形式，桥面纵梁作为张拉端，拱肋作为固定端。斜拉索由于索长相对较长，塔端采用螺母形式作为张拉端，梁端采用叉耳销轴形式作为固定端。斜拉索及吊杆构造见图9、图10 所示。

图9 塔端斜拉索图示（单位：mm）

图10 梁端吊杆图示

5.4 主梁

主梁采用纵横梁体系，全宽26.6 m。主梁设三道主纵梁，四道小纵梁，横梁间距与吊杆同间距，每8 m设置一道；主梁起点侧梁端设置为混凝土结构，与主塔固结，横梁宽4.5 m，高2.5 m，终点侧横梁为钢结构，横梁宽2 m，高2.5 m。

主纵梁底板水平，顶板设置2%的双向人字坡；主纵梁均采用箱形截面，边梁梁宽2 m，梁高2.5 m，中梁梁宽2 m，梁高2.694 m；三道主纵梁顶底板及腹板厚度均采用20 mm，纵横向加劲板厚度均采用18 mm；小纵梁采用工字型截面，梁高1.24 m，钢板厚16 mm。

吊杆吊箱设置在横梁端部的边纵梁外侧，每8 m设置一道，吊箱上顶板宽0.847 m，下底板宽1.230 m，高2 m，纵向长度1.5 m。主梁构造见图11 所示。

图11 主梁断面图（单位：mm）

5.5 支承体系

主拱为无铰拱，拱脚埋入拱座内与拱座固结；索塔与主梁通过混凝土实体段固结，梁底设置支座支承于拱座顶面；非索塔侧主梁通过支座支承于拱座墩柱上。索塔侧支承构造见图12 所示。

图12 索塔侧支承构造图（单位：cm）

6 结构计算

该桥为斜拉- 拱组合体系，采用空间有限元计算软件MIDAS CIVIL 建立结构空间杆系分析模型，空间有限元计算模型见图13 所示。

图13 空间有限元计算模型

6.1 索塔

直线塔最大轴力为9484 kN；最大正弯矩为13667 kN·m，最大负弯矩为-16500 kN·m；最大剪力为1837 kN。曲线塔最大应力为73 MPa，最小应力为-134 MPa。

6.2 拱肋

拱肋最大轴力为-37324 kN，最大剪力为3219 kN，全拱肋范围内分布较为均匀；拱肋跨中最大正弯矩为18007 kN·m，拱肋跨中最大负弯矩为-14197 kN·m；拱脚处最大正弯矩为34462.8 kN·m，拱脚最大负弯矩为-12870.8 kN·m。

活载作用下拱肋最大值为52 mm，最小值为-70 mm，则正负挠度绝对值之和为122 mm，跨度L=200 m，L/1000=200 mm，122＜L/1000，满足规范要求。

6.3 斜拉索及吊杆

斜拉索最大索力出现在近索塔位置，最大索力为1408.3 kN，破断索力为4692 kN，安全系数为3.3。吊杆最大拉力出现在梁端位置，最大拉力为2901.7 kN，破断索力为7776.6 kN，安全系数为2.7。

6.4 主梁

中纵梁最大正弯矩为12961 kN·m，最大负弯矩为-14999 kN·m，最大轴力为-4024 kN，最大剪力为2234 kN。中纵梁最大弯曲应力为83 MPa，最大轴应力为17 MPa，最大剪应力25 MPa。

边纵梁最大正弯矩为9665 kN·m，最大负弯矩为-4896 kN·m，最大轴力为-1859 kN，最大剪力为-1079 kN。边纵梁最大弯曲应力为59 MPa，最大轴应力为8 MPa，最大剪应力13 MPa。

有索区横梁最大弯曲应力为163 MPa，最大轴应力为9 MPa，最大剪应力45 MPa。无索区横梁最大弯曲应力为174 MPa，最大轴应力为9 MPa，最大剪应力67 MPa。

活载作用下纵梁挠度最大值为46 mm，最小值为-87 mm，正负挠度绝对值之和为133 mm，跨度L=200 m，L/800=250 mm，133＜L/800，满足规范要求。

7 结语

（1）非对称斜拉-拱组合桥梁形式具有结构新颖，造型独特的特点。

（2）斜塔采用直线混凝土塔与曲线钢管塔的组合结构，较好地解决了斜塔斜拉索张拉锚固的构造问题，受力更加合理。

（3）斜拉桥与拱桥均属于多次超静定结构，两者组合在一起共同承担桥梁荷载，索塔及拱肋与主梁的协调变形关系及内力分配极其复杂，需要进行大量的计算分析。

（4）非对称斜拉-拱组合桥梁形式景观效果极具视觉冲击力，可为同类桥梁的设计提供参考。