遵余湘江大桥桥位桥型方案设计研究

王文涛

中铁二院工程集团有限责任公司 四川 成都 610031

1 概述

贵州省遵义至余庆高速公路是《贵州省交通运输“十三五”发展规划》重点实施项目。项目便捷的连接了黔中经济区遵义和凯里两个中心城市，同时也开辟了遵义市南下珠三角新的高速公路通道。项目实施是对黔中经济区高速公路网的有益补充和完善，充分发挥黔中经济区的辐射带动作用，加强与黔北经济协作区与“三州”（黔东南州、黔南州、黔西南州）民族地区的经济联系，为加快区域旅游、矿产资源的开发利用，促进区域工业化、城镇化和农业产业化的快速发展提供交通保障。

遵余湘江大桥跨越贵州省黔南州瓮安县与遵义市播州区交界的湘江峡谷，是遵余高速公路最重要的控制性工程。大桥为跨越湘江而设，湘江两岸峰丛密集，深窄陡峻，悬崖壁立，峡谷呈“W”形，桥面距离谷底高度超过300m。现场地形地质条件复杂，运输条件受限，施工场地狭窄。

大桥主要技术标准为：道路等级双向四车道高速公路；设计速度80km/h；设计荷载：公路-I级；桥面宽度主桥采用27.5m，引桥2×12.125m；桥面横坡2.0%，纵坡0.5% ～-0.5%；设计基本风速24.9m/s；抗震设防烈度VI度，地震动峰值水平加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。

2 设计思路

分析影响大桥建设的地形地貌、水文、地质、施工运输等诸多因素，选定适合的桥位、桥型方案，通过结构受力、设计施工风险程度、施工难易程度、工程造价、景观性等多方面对比[1][2]，最终确定实施方案。

3 建设条件

3.1 地形地貌

拟建桥地处贵州黔北山地，区域地形属构造侵蚀深切割中低山河谷地貌区，整体上呈东高西低之势，具两山夹一沟的宏观地形。两岸斜坡坡度15～54°，其两岸山体大致对称，跨越段地形呈宽W型，沿线多为灌木林地及荒地，桥址区最低点为湘江河床，地面标高为612.00m，最高点为余庆岸，地面标高为896.23m，相对高差约284.23m。

3.2 水文

项目区属长江流域的乌江水系，湘江为乌江支流，河长155km，流域面积4913km2。桥位处位于乌江构皮滩水电站库区内，构皮滩水电站最大回水高程为630.00m，历年最高洪水位标高为628.28m，由于桥面较高，主墩及其他桥墩处于较高的位置，洪水位不控制设计。

3.3 地质条件

桥址区不良地质主要为崩塌体位于余庆岸主桥墩下方约51m处的崩塌体、岩溶及次生红粘土。

桥址区内地震基本烈度为Ⅵ度，无断裂构造通过，区域稳定性好。桥址区基岩为灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、泥岩组成，地层连续稳定，地整体性较好，土层为坡残积层、崩积层块石碎夹土、次生红粘土Ⅱ、Ⅲ类场地土等组成的场地，总体稳定性较好。

3.4 运输条件

湘江特大桥桥位区既有陆运、水运条件有限，且桥址局部区域范围内地形复杂，在很大程度上限制了结构成品、半成品的尺寸，特别是构件的横向尺寸，大桥的加劲梁宜采用布置灵活、运输方便的组合梁和钢桁加劲梁。

4 桥位选择

4.1 桥位选择原则及控制

⑴大桥的建设严重受制于桥位地质和地形条件，走廊带所经湘江沿岸普遍存在各种地质病害：崩塌、滑坡、泥石流等。所选桥位应尽量远离不良地质，无法避开时应选取病害较少的桥位，同时确保相关病害可以治理或通过分析认为对桥梁安全的影响在允许范围以内。

⑵桥位地形地质条件有利于墩台布设，并降低桥梁规模。

⑶本桥规模较大，推荐方案的跨径在500m以上，适用的桥型以悬索桥、斜拉桥方案为主。所选桥位区的岸坡倾角、形态等地形条件和覆盖层、下伏基岩等地质分布条件，应尽可能有利于减小桥梁跨径、适宜索塔和锚碇基础的布设、方便加劲梁和缆索结构的安装。合适的地形地质条件往往会大大降低桥梁规模、节约工程造价。

⑷桥位选择应兼顾接线的平、纵面指标控制和工程规模，以节省全线总造价为目标，在合理的情况下，尽可能限制湘江特大桥的建设规模，降低特大桥技术难度和建设风险[3]。

4.2 主要制约因素

针对湘江大桥桥梁较长，主跨跨径大，主塔桥墩高的特点以及区域水文气象条件，为降低工程规模和建设风险，本阶段对湘江特大桥桥位、桥梁规模在以下几个方面控制因素进行综合比选。

4.2.1 地形条件

湘江两侧山高沟深，地势北高南低，地形起伏变化大，山体陡峭。总体而言上游峡谷较狭窄，下游峡谷较宽阔。往上游选择桥位，桥梁规模会减小，往下游选择桥位，桥梁规模增大。

在保证与工可推荐桥梁主跨接近、桥面下主墩高度在160m左右的条件下，在地形图上标出承台标高的等高线（湘江两侧770m等高线的位置），从等高线的形态看，工可桥位处较窄，上游桥跨小幅增加，下游桥跨增加较大。桥位越往下游移动，路线顺直失去展线条件，桥位处设计高程越来越高，大桥的长度、主跨跨径和主塔、桥墩高度都在增加；若线位向上游移动，路线绕行较远，桥梁和隧道规模都有所增大。

4.2.2 地质条件

总体而言，湘江为冲切两层硬质岩（灰岩）中夹得厚层软质岩（泥灰岩）形成，岩层的基本沿河流方向，产状为沿着路线方向逆向。湘江左岸（小桩号侧）上层为灰岩，下层为泥灰岩，湘江右岸（大桩号侧）为厚层灰岩。即主桥小桩号侧主墩桩基很可能落在泥灰岩岩层中，大桩号侧主墩桩基落在灰岩中。

4.2.3 不良地质

比选范围内湘江上游有个较大的滑坡体、有陡峭的坡积体和平缓的坡积体，下游未见不良地质体。湘江右岸钻探揭示有岩溶发育。

4.2.4 桥梁结构要求

受小桩号侧珠藏互通和大桩号侧铁厂互通设置高程和纵坡的影响，湘江大桥的设计高程较高，距离最低水面的高差280多m，导致本桥桥梁长，主跨跨径大，主塔高度较高，结构受力复杂，设计难度大，风险较大。根据区域水文、气象条件，为降低工程规模和建设风险，宜将斜拉桥主塔桥面以下桥墩高度控制在160m左右。

4.2.5 施工条件

本桥为较大的特殊结构桥梁，上部结构施工需要较大的施工场地，特别是钢构件的拼装、吊装场地，从地形图上看，施工条件较差。

4.3 桥位选择结论

经过综合比选，确定的桥位具有如下优点：

⑴桥位处桥梁规模相对较小；

⑵地形条件较好，有较平坦的场地作为施工场地，距离桥位近，加工后的构件转运距离小，施工功效高，主梁有拼装场地；

⑶桥梁设计标高能通过一定的展线长度控制，主桥段可以设计成人字坡，对桥梁纵向排水、雨水收集有利；

⑷地质条件相对较好，不存在重大不良地质体，桥位处虽有一坡积体，但坡积体较为平缓，且体积不大，相对稳定，且位于主墩的下侧，对主墩无影响；

⑸桥面下主墩高度较其他桥位低，设计和施工风险相对较小，风险可控。

本桥位优点明显，但也有一些不足：

⑴余庆岸主墩桩基位于灰岩和泥灰岩交接地层中，没有遵义岸主墩桩基完全处于灰岩地层中的条件好。

⑵余庆岸主墩放置于较陡峭的山坡，承台施工平台基坑开挖方量加大，需要进行防护。

5 桥跨布置及桥型方案

5.1 桥型方案设计原则

设计原则的制定，需执行“安全、耐久、适用、环保、经济、美观”的基本技术方针。同时结合本项目的工程实际特点，制定了以下设计原则：

⑴桥型的选择需服从路线总体走向、两侧接线的设计指标，降低工程综合规模，选择合理的桥梁跨径，认真分析桥梁的建设条件，选取合理并切实可行的设计方案。

⑵为进一步推动新技术、新材料、新工艺在工程中的应用，在保证桥梁结构安全，并满足使用功能的前提下，可通过借鉴、类比的方式，采用成熟、可靠的新技术、新材料、新工艺。

⑶耐久性设计上，确保除隐蔽工程外的桥梁构件能做到“可达、可检、可修”，并尽量做到在不影响正常通车运营的前提下构件的可更换。

⑷重视桥梁景观设计，结合当地旅游发展的需求，讲究桥梁自身的结构特点与人文、自然、周边环境的融合，不刻意追求造型上的新奇、怪异[4]。

5.2 桥型选择关键因素

综合考虑本项目建设条件，本项目桥跨布置、桥型方案主要考虑以下因素：

5.2.1 结合地质情况，合理选择索塔和桥墩位置

湘江大桥工程地质情况相对较好，不良地质较少，主要的不良地质为崩塌体，为了确保索塔安全，应尽量远离不良地质，崩塌体主要位于余庆岸侧湘江岸边以上部分，堆积体轴向方向与拟建桥轴线延伸方向大致呈10°夹角，横向宽约205m，纵向长约177m，面积约0.04km2，崩积物的主要成分以具有一定磨圆度的块、碎石土及粘土为主，堆积体呈稍湿致密状态，根据钻探揭露，堆积体最大厚度约为25.90m，属小型崩坡积体，目前堆积体变形迹象不明显，现状较稳定。为了桥位的安全，索塔位置应布置在崩塌体之上的位置。

5.2.2 结合地形情况，合理选择索塔位置

如图1所示，湘江特大桥桥位，均为“W”型山谷，湘江位于较深V谷内，较浅V谷位于湘江遵义侧，两深谷谷底高差约为116m。两V谷之间，K69+470处有一座高程790m的山峰（位置3），此山峰是设置索塔的理想位置，K线桥位从山峰左侧穿过，左侧山坡地势较其他位置平缓，设索塔开挖量不大，并且坡下为一块平地，适合作为施工场地，也可以作为周转构件的场地。另外一侧较缓山坡位于崩塌体K69+000上侧附近（位置2），坡体大概30°左右，此处岩石为中风化的白云岩和中风化灰岩，虽然有些破碎，但设置桩基础还是比较合适的。在K68+860以上山坡，山坡虽然有些陡峭，但岩石情况较好，均为中风化灰岩，整体性好，也可作为索塔的设定位置。在余庆侧山顶，K68+740附近有一块平地（位置1），虽然很平整，但由于距离路基挖方段较近，距离仅为100m，对于500m以上大跨斜拉桥和悬索桥来说，边中跨比过小，结构整体受力不合理，因此此处不适合设置索塔。

图1 桥位地形概况图（单位：m）

5.2.3 索塔位置选择，应考虑上部主梁施工平台的设置

索塔塔位的选择要考虑加劲梁架设中，因施工方案需要，须在塔前预留二级台地或可供搭设临时支架的较缓坡以作为加劲梁端梁段装配需要；同时，要尽量减少开挖、保护环境，并能方便施工便道的布设。

5.3 跨径选择

根据桥面纵坡和地形具体情况，详见图3，在W型山谷中间山峰K69+470处，地面距离桥墩高度为130m，此处适合设塔，可以减小塔高和主跨径，降低工程造价和施工风险；在桩号K68+910处，地面距离桥面高度为190m，为了降低施工和运营风险，建议索塔下塔柱高度控制在160m以内，由此看来，本桥最小跨径设为550m以上较为合适。

由于本桥K线桥位在余庆侧山体存在崩塌体，并且表面岩层风化程度较高，较为破碎，在K68+960以下，地质岩性为泥灰岩和泥岩。根据地形条件，拱桥施工困难，且对地基要求较高，故不予考虑。拱桥外适合主跨在550m以上的桥型有斜拉桥、悬索桥，以下仅对斜拉桥、悬索桥两种桥型进行布跨和比选。

5.3.1 斜拉桥方案

按既定设计原则，引桥桥高控制在80m以内，由图1可以看出，主桥长可以控制在370+500+250=1120m左右，根据主桥跨越的地形特点，边跨需要跨越深谷，需采用大跨跨越，在遵义侧深谷处，不具备搭设支架的条件，所以斜拉桥边中跨比在遵义侧尽可能采用大的比例，采用0.5，采用对称的悬臂施工方式。在余庆侧边跨，主桥起点侧有一块相对比较平整区域，有条件搭设主梁施工平台，余庆侧边跨可以采用相对小的边中跨比，但应根据实际布跨形式，设置两侧边中跨比。

如果两侧均采用相等的边中跨比，根据遵义侧的边中跨比0.5，主跨应为1120/（1+0.5+0.5）=560m，主跨采用560m的跨度。根据实际地形情况，按照桥墩桥面以下控制在160m以下，索塔尽可能设置在坡度较缓的山坡上的原则，两个索塔分别设置在相对地势比较平缓处，利于施工，并且两侧均有塔前预留二级台地，可供搭设临时支架的较缓坡以作为加劲梁梁段装配需要的场地，主桥跨径布置为72+212+560+212+72=1128m。见图2。

图2 布孔方式示意图（单位：m）

考虑施工运输、安装的可操作性，适应560m跨的主梁型式有工字钢组合梁和钢桁梁两种，钢箱梁和钢箱组合梁因运输和安装困难不再进行比选。

5.3.2 悬索桥方案

对于悬索桥，应尽可能减小主桥长度和主跨跨径。

⑴利用中间山峰，设置索塔。

跟斜拉桥情况类似，我们选择桩号为K69+470处的山峰，设置索塔，减小主跨跨径。

将索塔选在与斜拉桥位置相同的地方，如图3单跨560m悬索桥的布跨情况。悬索桥采用单跨560m，余庆侧主缆锚固在边跨223m处，采用重力式锚碇，边中跨比为0.398，遵义侧主缆锚固在边跨294m处，采用隧道锚，边中跨比0.525，余庆侧引桥，由于主桥索塔附近的山坡较陡，如果布置40mT梁，桥墩过高，并且主桥索塔基础开挖放坡，直接影响到引桥桥墩，因此，余庆侧索塔附近引桥接2x70mT构，其余引桥采用40m装配式T梁；遵义侧引桥，由于需要跨越深沟，需设置55+100+55连续刚构，刚构墩高146m；随后接40m装配式T梁。

图3 单跨560m悬索桥布跨图（单位：m）

⑵不利用中间山峰，索塔设置在两侧山坡上。

如图4所示，一跨跨越W型山谷，索塔设置在山坡上，基本上可以避免由于边跨主缆长度过长带来的受力问题，一跨跨越山谷，需综合考虑锚碇和索塔位置，既要保证索塔施工方便，又要考虑锚碇设置位置受力合理，而且锚碇开挖量不能过大等问题，余庆侧索塔为了便于施工，选择跟斜拉桥位置一致的位置，遵义侧索塔为了保证施工方便，尽可能选择在坡度比较平缓，便于施工和二级平台搭设的位置（位置4），对于锚碇位置（位置5），综合考虑两侧地形，边跨散索鞍距离主索鞍水平距离取210m，减少两侧锚碇开挖量，降低工程造价。见图4。

图4 单跨802m悬索桥布跨图（单位：m）

图5 遵余湘江大桥桥型总体布置图（单位：m）

对于余庆侧引桥，由于余庆侧索塔下塔柱高度152m，相邻引桥的墩高比较高，为了降低工程造价，选择为2x70mT构的结构形式，可减下基础开挖量，又可以跨越比较陡峭的山坡，其余引桥墩高均适合布置装配式40mT梁。遵义侧引桥均布置为装配式40mT梁。

单跨560m悬索桥和单跨802m悬索桥相比，由于单跨560m悬索桥遵义侧边中跨比较大，边跨主缆长度过长，刚度小，后期运营时，易发生缆索风振和吊杆疲劳等现象，对结构构件受力不利，发生病害的概率较大，对大桥安全有一定影响，因此，为了降低设计、施工和运营风险，本次初步设计推荐采用单跨802m悬索桥与斜拉桥进行同深度比选。

5.3.3 比选结论

从表1 桥型方案比较表的各项对比可知，方案一在抗风性能、抗震性能以及工程造价上占据优势，施工周期略长于主跨802m组合梁悬索桥，故最终将方案一：主跨560m组合梁斜拉桥作为本项目推荐方案。

表1 桥型方案比较表

6 推荐方案主要结构设计

6.1 总体布置

推荐方案也是实施方案，主桥为组合梁斜拉桥，跨度布置为（72+212+560+21+72）m，主桥主梁采用钢-混组合梁，索塔采用菱形混凝土塔，辅助墩和过渡墩采用薄壁空心结构；起点不设引桥，遵义侧主桥终点接装配式预应力混凝土40mT梁，引桥跨径组合为4×40+4×40+3×40+3×40=560m，引桥桥墩采用空心薄壁墩和柱式墩两种，桥台采用重力式桥台。

6.2 结构体系

采用半飘浮体系，索塔处设竖向支座及横向抗风支座，主梁纵向漂浮；辅助墩和过渡墩或者桥台处设一个单向活动支座和一个双向活动支座，横向设挡块；索塔和主梁交界位置全桥设置八套粘滞阻尼器。

6.3 主梁

如图6所示，主梁采用工字型钢混组合梁，钢主梁与混凝土桥面板共同受力，通过用剪力钉将二者结合。钢主梁为双工字型截面，桥面全宽27.5m，横桥向两个钢主梁的中心距为25.5m，桥面混凝土板厚横向中间部分采用28cm，在工字钢上局部加厚至50cm。

图6 主梁标准横断面图（单位：cm）

6.4 索塔及基础

菱型索塔具有整体受力好、抗风抗震好、比例协调、挺拔有力稳定均衡的优点。综合结构受力和景观效果，采用菱型索塔。2号索塔总高288m，其中上塔柱高71m，中塔柱高77m，下塔柱高55.5m，塔墩高84.5m；3号索塔总高268m，其中上塔柱高71m，中塔柱高77m，下塔柱高55.5m，塔墩高64.5m。索塔基础采用矩形承台，下接24根直径3.3m桩基。

6.5 斜拉索

本桥斜拉索采用平行钢丝体系，钢丝标准强度为1770MPa。斜拉索采用空间扇形双索面布置，全桥共8个索面、176根斜拉索。斜拉索在塔端及梁端均安装内置式斜拉索减震器，其中4～22号斜拉索在下端均设置外置式粘滞阻尼器。

7 结语

遵余湘江大桥桥梁跨度大，建筑高度高，为双塔双索面组合梁斜拉桥世界第一高混凝土索塔，结构受力复杂，设计难度大，施工风险大。作为贵州遵余高速公路项目最重要的控制性工程，为降低工程规模和建设风险，项目在各阶段均进行了大量的方案研究对比工作，最终的实施方案也是本文中推荐的方案一。同时本桥作为工期控制性工程，施工图设计阶段还采取了“每架设两个钢梁节段及预制桥面板后，再同时浇筑两个节段湿接缝”的组合梁快速施工技术、主梁现场全栓接等技术有效缩短了施工工期。可为其它类似项目提供参考。