京杭运河泗阳桃源大桥总体设计研究

曹伟星、汪蕊蕊、邹韵

(华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

京杭运河泗阳桃源大桥作为一项重要的基础设施工程，对当地的交通便利性和经济发展产生深远的影响。大桥跨越水路和城市地区，连接了运河两岸，不仅是一条交通要道，更是一座具有代表性的工程，体现了现代工程技术的高度成就。

本文着重介绍京杭运河泗阳桃源大桥的总体设计，以及在设计和施工过程中所面临的一系列技术挑战和地质环境条件。该大桥的规模宏大，设计和建设涉及多个关键领域，如桥梁结构、地质工程、交通规划等，因此，对其全面的总体设计是确保工程顺利完成的关键。

大桥所在地区地势复杂，地质条件多变，加之跨越的是京杭运河这一重要水路，设计与施工面临着许多挑战。通过深入研究大桥的总体设计和相关技术，可以更好地理解这一杰出工程的背后故事，以及它对当地社区和经济的积极影响。这一工程将为该地区的可持续发展和交通改善做出突出贡献，同时也为工程师和研究人员提供了宝贵的经验教训，将对今后类似工程的实施产生积极的启发作用。

1 工程概况

京杭运河泗阳桃源大桥位于泗阳主县城的西南面，桥梁主桥长615m，北岸引桥长295m，南岸引桥长150m，呈南北走向。路线起自桃源南路与众兴路平交口，向南依次跨越滨河大道、京杭运河、双河路后与绿洲路平交，之后跨越古黄河与杨柳路相交，继续向南绕城南植物园与水杉大道平交，项目全长2.084km。

该工程所在京杭运河属内河水系，河道常年水流平缓，冲淤量不大。桥位处航道段在自然条件下较为稳定，多年来河道边界与河势均没有发生明显变化。该项目区域构造属下扬子准地台苏北凹陷的泗阳(众兴—王集)隆起，北西侧约24km 为陆集—刘集向斜盆地，南东侧约16km 处为龙集—赵集向斜盆地，西侧约40km 处为郯庐断裂带，此区域的断裂均为非全新世活动断裂，可不考虑其对该项目的影响。

该桥建设总里程1060m，主线车道数采用双向六车道，辅道采用双向四车道。项目区属徐淮黄泛平原区，微地貌单元属于黄河泛滥及冲积平原区决口扇平原，桃源大桥北侧，现状为滨河风景区及市政道路（桃源路），路两侧主要为商铺及住宅区。南侧主要为旱地及密集的民房，地势较为平坦。地面标高一般在14.8～18.8m。桥址区位于黄淮冲积平原工程地质区，近场区的地质构造特征表明，该地区不存在全新世活动断裂，因此工程场地的稳定性得到了有效保障。场地地层的组成具有一定的特点，依次包括第四系全新统、更新统、上新统的粉土、粉质黏土、细砂、中砂以及黏土层。而在基岩层面，主要包括第三系的中砂（半成岩）和黏土岩（半成岩），以及太古界至下元古界的胶东群洙边组绿泥石云母片岩。

在工程地质方面，该地区的中下部岩土层具备较好的工程地质性质，使场地属于Ⅱ类场地。场地的地基土主要为中软土，而场区上部则分布着1～2 层软土。这些地质特征将在工程施工和设计中提供有力的支持，有助于确保工程的顺利进行和长期稳定性。

2 主要技术规格

公路等级：城市主干路；设计速度：主路60km/h，辅道30km/h；桥面宽度：40.6m；汽车荷载等级：公路I 级（城-A 级验算）；桥位区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.1g，地震特征周期为0.4s；通航标准：II 级航道，通航净空不小于330m×9m。

3 结构设计

3.1 桥跨布置及结构体系

综合考虑桥址地理特征、地质条件、地震潜在风险、气象条件、水文状况、航运需求及堤防等因素，该项目对于实现单孔双向通航提出了明确的要求。在进行多项比选后，决定采用主跨385m 的双塔中央双索混合梁斜拉桥设计[1]。该设计的主跨长度正好落在斜拉桥的经济跨度范围内，并且通过索塔的独特造型，可使其成为当地的标志性建筑。京杭运河泗阳桃源大桥的主跨布局为95m+115m+385m+115m+150m，总长度为1060m。该大桥采用双塔中央双索混合梁斜拉桥结构，边中跨比为0.2987。主塔的基础采用了嵌岩桩技术，而引桥的上部结构采用了预应力混凝土现浇箱梁，下部支撑则采用花瓶墩和钻孔灌注摩擦桩。整个桥梁采用全漂浮体系设计，同时在索塔和过渡墩的位置设置了横向抗风支座，以及在索塔处配置了纵向阻尼及限位装置，以确保桥梁在各种条件下的安全性和稳定性（见图1）。

图1 京杭运河泗阳桃源大桥立面布置(单位：cm)

3.2 索塔

该桥位于泗阳县城中心区域，横跨京杭大运河，与妈祖文化园相望，大桥建成后需与周边环境相融合，景观要求高。综合考虑结构受力、景观、工程造价、耐久性等因素，采用独柱异形混凝土塔。承台以上总高100m，主梁桥面以下塔柱高度为13.844m，主梁桥面以上塔柱高度为86.156m。横桥向宽度5m，主梁位置渐变至塔底7.5m，均为直线变化。顺桥向为异形，形似水滴或宝瓶，塔顶宽度6m，通过直线段、圆弧段、直线段、圆弧段渐变至纵向最宽处12m，再通过椭圆段、直线段渐变至塔底宽度7.5m。

上塔柱和中塔柱采用空心薄壁断面设计，上塔柱的壁厚为80cm，中塔柱的壁厚为100cm，在靠近主梁位置的部分，壁厚增加至120cm，下塔柱采用实心断面设计。索塔的结构构造细节如图2 所示。

图2 索塔构造(单位：cm)

3.3 主梁

主梁主跨385m 采用钢箱梁，两侧边跨各115m 采用混凝土梁，中间跨度的钢箱梁与两侧的混凝土梁之间通过钢混结合段进行连接，结合部长度2m。

3.3.1 边跨混凝土箱梁

主梁边跨采用混凝土箱梁，混凝土主梁梁高3m，采用单箱五室断面，中间箱室宽度4.6m，次边箱室宽度7.45m，边箱室宽度8.15m；主梁顶板、底板、斜底板厚度30cm，顶板与腹板用120×30 倒角过渡，底板与腹板间倒角30×30。边跨混凝土梁标准横断面如图3所示。

图3 1/2 边跨混凝土梁标准横断面(单位：cm)

3.3.2 中跨钢箱梁

主梁中跨采用抗扭性能较好的单箱五室整体钢箱梁断面，索塔需从钢箱梁中央穿过，在索塔位置钢箱梁预留孔洞，全宽40.6m，梁高3m，顶面2% 横坡，底面水平，采用Q345qD 钢材。中间箱室宽度5.6m，次边箱宽度8.2m，外侧边箱宽度9.3m。断面由正交异形钢桥面板，底板、斜底板、内外腹板、横隔板组成。钢箱梁的标准段长度为12.8m，整座桥梁被划分33 个这样的标准段，每个标准段的重量约为291t，通过环焊缝连接。钢箱梁的横截面细节如图4 所示。

图4 1/2 钢箱梁横断面（单位：mm）

钢箱梁的结构参数如下：顶板厚度为18mm，具有U 形横向肋，间距为600mm，上口宽度为300mm，高度为280mm，厚度为8mm。底板的板厚为16mm，其中在索塔和辅助墩的局部区域进行了加厚，采用U 形加强结构，横向肋的间距为800mm，上口宽度为400mm，高度为260mm，厚度为6mm。在内腹板方面，板厚为24mm，而中间腹板的厚度为14mm，外腹板的板厚为16mm，这些板材均采用了板肋加强结构。横隔板采用实腹式结构，间距为3.2m。一般情况下，横隔板的板厚为12mm，但在索塔两侧，横隔板的板厚增加至20mm。

3.3.3 钢混结合段

中跨钢梁与边跨混凝土梁间通过钢混结合段连接，结合段钢梁侧在U 肋和板肋上进行加强，混凝土梁侧设置倒角和横梁，使刚度过渡更加平稳，应力传递更趋平顺。在钢梁加劲过渡段与混凝土梁加强过渡段之间，引入钢混结合部，其结构采用了有格室后承压板式构造。钢梁截面内力一部分通过承压钢板传至混凝土，另一部分通过抗剪连接件传至混凝土，结合部长度2m。钢混结合段构造见图5。

图5 主梁钢混结合段构造（单位：mm）

3.4 拉索

斜拉索采用扇形布置，中央双索面，为适应索塔内部张拉空间有限的特点，该桥采用钢绞线斜拉索，钢梁段标准索距12.8m，拉索横向间距为4.2m，混凝土梁段标准索距6.9m，在塔上的索距为2m。整座桥梁共设置了4 组×14 对斜拉索，这些索的长度在57～200m 之间变化，总共重约833t。

拉索与钢箱梁的锚固采用钢锚箱构造，锚箱与中间腹板焊接传递拉索索力，锚箱布置于两横隔板之间，在腹板另一侧设置纵横向加劲，扩散集中力。拉索与混凝土梁的锚固在横梁与中间腹板交叉位置梁底预埋钢盒，拉索锚头置于钢盒内，并设置底封板密封。梁端锚固为固定端。拉索与索塔的锚固采用钢锚梁，设置钢牛腿。斜拉索通过锚梁两侧锚箱锚固于主塔上；恒载拉索水平分力由锚梁平衡，竖向分力通过设置于塔壁的焊钉连接件传至主塔；锚梁上张拉斜拉索。

在拉索及主梁间设置减震阻尼装置，起到减震效果，同时在斜拉索外层防护套上设置双螺旋线以减小风振的影响[2-3]。

3.5 过渡墩和辅助墩

一个辅助墩位置横桥向设置两个墩柱，墩柱间距22m，截面纵横向尺寸均为2.5m。下接承台桩基础，承台平面尺寸为6.25m×6.25m，厚度3m。单个承台下接4 根桩基础，桩基直径1.5m。

过渡墩构造除墩柱顶部做成扩大头，同时提供主引桥支撑外，其余构造同辅助墩。墩柱顶部纵向尺寸3.7m，变化段高度3.15m，横桥向等宽2.5m。

4 施工方案

第一阶段，首先施工索塔基础、辅助墩、过渡墩基础及承台，然后施工过渡墩、辅助墩墩身，完成索塔塔柱施工。第二阶段，在边跨搭设支架并预压，在支架上立模现浇边跨混凝土梁端，并在混凝土强度达到设计值的90%以后，张拉梁段预应力钢束，并安装钢混结合段，浇筑结合段混凝土，待混凝土强度达到设计值的90%以后，张拉结合段预应力钢束[4]。第三阶段，首先，搭设塔区支架并进行预压操作，随后利用浮吊吊装主梁的梁端，同时对塔梁进行临时固结。其次，组装桥面吊机，以便进行梁段的对称悬臂施工。再次，使用桥面吊机吊装主梁，并安装第一对斜拉索，完成第一次张拉斜拉索。最后，将桥面吊机前移，进行第二次张拉斜拉索，重复执行前述两个步骤，直至悬臂施工接近中跨合龙段。第四阶段，进一步延续悬臂施工至中跨合龙段，并随后拆除两侧边跨支架。中跨合龙完成后，解除对塔梁的临时固结。第五阶段，拆除桥面吊机，进行钢箱梁的涂装整修工作，并安装桥面系及纵向阻尼装置。最后，进行竣工加载试验，并完成桥梁的竣工通车。

5 结构计算

总体采用静力计算，采用Midas Civil 软件，斜拉索采用桁架单元，主塔和主梁采用梁单元。边界条件采用塔底固定约束，暂不考虑基础刚度，在塔梁处设置横向抗风支座，所有的支座设置竖向约束，一侧支座设置横向约束。汽车荷载考虑按1～6 车道加载，取最不利，纵向折减系数为0.97。冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的规定计算[5]。人群荷载根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）按 照2.4kPa 加 载[6]。

桥梁在汽车和人群荷载作用下，最大竖向挠度之和为41.5cm＜L/400=96.3cm，满足规范要求。

在桥梁完工状态下，索塔的塔身承受最大的压应力为-11.7MPa。在标准荷载组合下，索塔的最大拉应力为5.0MPa，而最大压应力为16.9MPa。值得注意的是，最大压应力出现在斜拉索下方的截面。

基本组合下，钢梁上缘最大压应力1.1×141=155MPa，位于主墩；钢梁下缘最大拉应力1.1×128=141MPa，位于中跨跨中区域。斜拉索标准组合下最大索力6963kN，为边跨最外侧拉索。京杭运河泗阳桃源大桥各主要受力构件在E2 地震作用下的地震响应均满足要求。

钢混结合段混凝土梁段最大主拉应力约2.5MPa，最大主压应力约11.5MPa，满足规范要求。钢结构整体应力水平较低，如图6 所示。在底板钢束锚固位置，受模拟限制，局部应力较大，但范围较小，实际有锚垫板等钢板进行应力扩散，受力满足要求[7-8]。

图6 钢混结合段钢结构底板应力分布

6 结语

泗阳桃源大桥是《泗阳城市总体规划（2011—2030）》中规划的城市主干路桃源南路的重要组成部分，是泗阳县干线交通网中的重要通道。

索塔塔形结合了当地文化特色，采用独柱形索塔方案，桃源大桥为主跨385m、边跨115m 的边中跨比将近0.3 的斜拉桥，最适合的主梁结构形式为混合梁。

采用钢-混凝土混合梁工程方案，其中边跨部分选用预应力混凝土箱梁结构，而主跨段则通过架桥机吊装方式进行施工，可以充分利用施工控制条件，降低工程费用，并且通过控制边跨长度，减少主跨的变形和受力。考虑到该桥建设工期紧迫，采用全钢箱梁施工速度快、施工质量易控制、充分体现钢材低碳环保的优势。

钢箱梁顶板采用正交异性桥面板，桥面铺装拟采用3cm ECO 改性聚氨酯混凝土+4cm 改性沥青混凝土方案。钢混结合段两侧刚度差异大，受力复杂，采用有格室后承压板式结合部，实现刚度、应力传递平顺。格室内部布置焊钉、开孔板连接件，实现钢混间连接；根据结构受力，底板纵向预应力锚固在钢横隔板上，并设置加劲构造，确保钢梁-混凝土梁紧密连接。