丹江口二橋主橋設(shè)計方案構(gòu)思
2010-06-10
在預可和工可階段對跨丹江水庫橋位進行了充分研究，選定了大橋橋址，位于大壩上游7.3公里處，橋位處上下游約長3.5公里區(qū)段為肖河谷地段，距丹江口市城區(qū)約6公里余。在初測階段，考慮本橋跨越的丹江水庫的水深太大，為避免水下工程施工困難，選擇了兩條水面距離較小的橋軸線（橋軸Ⅰ和橋軸Ⅱ）進行了同等深度的比較。綜合比較這兩個橋軸線后，認為雖然水面寬度最小的橋軸線（橋軸Ⅰ），主墩深水基礎(chǔ)可適當減小，但接線工程量較大，路線長度較長，且主跨跨徑并不能減??；而另一水面距離稍長的橋軸線（橋軸Ⅱ），接線順直，工程量小，接線長度短。綜合比較這兩個橋軸線后，橋軸Ⅱ優(yōu)勢更為突出，故選定橋軸Ⅱ為初步設(shè)計橋軸線。
一、橋梁選型
本橋橋型的選擇是全面貫徹“適用、經(jīng)濟、安全、美觀” 的方針，重視環(huán)境保護，充分結(jié)合橋位實際。丹江口二橋的橋型選擇具有明顯的地域特點：
1、本橋位處于丹江水庫庫區(qū)，水庫由于“南水北調(diào)”二期工程的實施，壩前最高蓄水位將至170.0m（吳淞高程），加上通航凈空要求及橋上縱坡等因素的影響，橋面中心設(shè)計標高將不低于180.0m（黃海高程），結(jié)合兩岸地形，確定了橋梁建設(shè)規(guī)模不小于500.0 m。
2、基于丹鄖公路的走向，丹江口二橋必須跨越丹江水庫。本橋位位于庫區(qū)內(nèi)最窄處，此處水面寬在枯水位時約為300.0m，水深最大達40.0m，若不能一跨跨越，將有深水基礎(chǔ)施工。
3、丹江口市地貌單元屬低山—丘陵區(qū)，橋位區(qū)巖石裸露，兩岸為巖質(zhì)山坡，按坡高屬中邊坡，坡度值為陡坡地形。根據(jù)工程地質(zhì)測繪及鉆探、物探資料，橋位區(qū)除水下有第四系（厚0～1.0m）覆蓋層以及東岸分布在深度12.0m或23.0m左右處有軟弱夾層外，其余巖石強度均較高，為極硬巖。因此，這對水下基礎(chǔ)的施工以及施工平臺的搭設(shè)，均造成相當難度。
4、該項目地處貧困庫區(qū)，建設(shè)資金十分有限，部分資金還需地方自籌。故跨越能力大的懸索橋等橋型受到限制。
5、本橋位位于丹江口水庫大壩上游，而丹江水利樞紐又是國家重點水利樞紐工程，該橋的建設(shè)能為水庫增添一景。
鑒于上述建橋特點，在初步設(shè)計初期，曾設(shè)計了一跨過江的主跨為320.0m的中承式拱橋、主跨為240.0m的連續(xù)剛構(gòu)橋和主跨為300.0的雙塔斜拉橋方案，經(jīng)過專家多方研究，考慮到本項目資金有限，地方技術(shù)資源較缺乏，本橋位主橋不宜選擇跨越能力大、技術(shù)含量高、投資相對較高的橋型。同時，由于兩岸地勢陡峻，巖石堅硬，水中斜坡上鉆孔、下放鋼圍堰及搭設(shè)平臺均較巖質(zhì)平地困難，為盡量降低下部構(gòu)造施工難度，適宜在水中選擇較平坦地段設(shè)置橋墩，以確定跨越航道的橋型方案。根據(jù)通航要求以及水文的影響，綜合目前國內(nèi)橋梁設(shè)計施工的技術(shù)能力，在本橋位處提出了三個橋型方案進行比選，橋跨布置分別如下：
方案一：88.0m+150.0m+150.0m+88.0m預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋；
方案二：2×30.0m+82.0m+150.0m+82.0m+4×30.0m預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋；
方案三：119.9m+300.0m+119.9m預應(yīng)力混凝土斜拉橋。
二、方案設(shè)計
1、主跨150.0m預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋
?。?）總體布置
此方案上部構(gòu)造由四跨一聯(lián)預應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁組成。橋跨布置為88.0m+150.0m+150.0m+88.0m，橋梁全長486.0m，橋面縱坡為1%，橫坡為1.5%。
?。?）上部構(gòu)造
上構(gòu)箱梁為單箱單室截面，箱梁頂板寬12.0m，底板寬7m。在各墩與箱梁相接的根部斷面梁高為8.0m（梁高均以裸梁外邊緣頂面至箱梁底面的豎直距離計），在各跨跨中和邊跨現(xiàn)澆梁段梁高均為3.3m，其間梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑為501.526m。箱梁頂板厚30cm，腹板厚40～70cm，底板上緣按圓曲線變化，半徑為608.169m，厚度為32～115cm。為提高邊跨端部抗剪能力，端部現(xiàn)澆段部分腹板及底板均變厚，端支點腹板厚60cm，底板厚50cm。
箱梁在各墩支點及橋端支點處設(shè)置橫隔板。墩支點處橫隔板厚120cm；端支點處橫隔板厚70cm，橫隔板與箱梁連接處均設(shè)有承托。
?。?）下部結(jié)構(gòu)
由于墩身較高，主橋橋墩采用鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)；主墩上承臺厚2.0m，下承臺厚3m。從本橋位的地質(zhì)和水文來看，橋墩處水深較大，巖石堅硬，為保證基礎(chǔ)施工的可靠、難度較小，將承臺設(shè)計為高樁承臺；承臺底標高為140.0m，在正常年景下，此承臺施工時水頭差在8m左右，根據(jù)結(jié)構(gòu)計算，此高樁承臺在施工和設(shè)計上均是可行的。考慮到樁基自由長度較長，樁基施工困難，為保證連續(xù)梁整體的穩(wěn)定性，中主墩基礎(chǔ)采用了兩種方案，方案A為9Φ2.0m鉆孔灌注樁，方案B為4Φ3.0m鉆孔灌注樁。
?。?）橋面系
橋面全寬12.5m，其中行車道9m，兩側(cè)人行道各1.5m，人行道欄桿各0.25m。橋面鋪裝采用10cm厚水泥混凝土找平層和7cm厚瀝青砼。為了避免丹江口二橋上發(fā)生事故時車輛直接掉入水庫，橋面設(shè)相對行車道抬高27cm的人行道和鑄鐵欄桿，人行道橫坡為1%。
?。?）伸縮縫、支座
全橋共設(shè)兩道伸縮縫，分別位于箱梁與橋臺相接處，為SSFB320型伸縮縫。
主2號墩頂設(shè)置GPZ50000GD支座，其余各主墩均設(shè)置GPZ50000DX支座，箱梁邊跨與橋臺相接處設(shè)置GPZ10000DX支座。
2、主跨150.0m預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋
（1）總體布置
主橋上部構(gòu)造由三跨一聯(lián)預應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁和30mT梁組成。橋跨布置為2×30.0m+82.0m+150.0m+82.0m+4×30.0m，橋梁全長510.0m，橋面縱坡為1%，橫坡為1.5%。
?。?）上部構(gòu)造
主橋箱梁為單箱單室截面，箱梁頂板寬12.0m，底板寬7m。在各墩與箱梁相接的根部斷面梁高為8.0m（梁高均以裸梁外邊緣頂面至箱梁底面的豎直距離計），在各跨跨中和邊跨現(xiàn)澆梁段梁高均為3.3m，其間梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑為501.526m。箱梁頂板厚30cm，腹板厚40～70cm，底板上緣按圓曲線變化，半徑為611.308m，厚度為30～115cm。為提高邊跨端部抗剪能力，端部現(xiàn)澆段部分腹板及底板均變厚，端支點腹板厚70cm，底板厚50cm。
箱梁在0號塊及橋端支點處設(shè)置橫隔板。0號塊共有4塊橫隔板，厚度均為70 cm；端支點處橫隔板厚80cm，橫隔板與箱梁連接處均設(shè)有承托。
引橋為結(jié)構(gòu)連續(xù)的30m預應(yīng)力混凝土T型梁橋，梁高2.0m。
?。?）下部結(jié)構(gòu)
主墩采用鋼筋混凝土雙薄壁墩結(jié)構(gòu)，單薄壁厚2.5m，雙壁中距8.5m，上承臺厚2.0m，下承臺厚4m。從本橋位的地質(zhì)和水文來看，橋墩處水深較大，巖石堅硬，要保證基礎(chǔ)施工的可靠、難度較小，將承臺設(shè)計為高樁承臺；承臺底標高為140.0m，在正常年景下，此承臺施工時水頭差在8m左右，根據(jù)結(jié)構(gòu)計算，此高樁承臺在施工和設(shè)計上均是可行的。基礎(chǔ)采用Φ2.0m鉆孔灌注樁；交接墩采用鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，為高樁承臺，基礎(chǔ)采用Φ1.5m鉆孔灌注樁。
引橋橋墩為鋼筋砼雙柱式橋墩，基礎(chǔ)根據(jù)地質(zhì)條件采用天然地基擴大基礎(chǔ)。
?。?）橋面系
橋面全寬12.5m，其中行車道9m，兩側(cè)人行道各1.5m，人行道欄桿各0.25m。橋面鋪裝采用10cm厚水泥混凝土找平層和7cm厚瀝青砼。為了避免丹江口二橋上發(fā)生事故時車輛直接掉入水庫，橋面設(shè)相對行車道抬高27cm的人行道和鑄鐵欄桿，人行道橫坡為1%。
?。?）伸縮縫、支座
全橋共設(shè)四道伸縮縫，主橋與引橋交接處采用SSFB320型伸縮縫，引橋與橋臺相接處采用為SSFB80型伸縮縫。
全橋支座僅位于橋臺處，采用GPZ10000DX支座。
3、主跨300.0m預應(yīng)力混凝土斜拉橋
?。?）總體布置
橋型布置為119.9+300+119.9m，全橋長550.3m，為雙塔雙索面預應(yīng)力混凝土漂浮體系。總體橋型布置時,考慮到斜拉橋邊跨與主跨的比例關(guān)系及總的橋長，將主跨定為300m，這樣左索塔的基礎(chǔ)不可避免的置于最低水位以下。將鄖縣側(cè)索塔基礎(chǔ)設(shè)為高樁承臺，在水中搭支架現(xiàn)澆承臺砼，避免了水中鋼圍堰的施工。
橋梁標高及縱坡的確定：橋位處最高通航水位168.229m（黃海高程），航道等級為Ⅳ級航道，橋面標高處于179m已能滿足通航要求，但橋位處鄖縣側(cè)坡度較陡，丹江側(cè)坡度較緩，鄖縣側(cè)接線依山而行，為了減少整個接線的土石方開挖量，0號橋臺處橋面設(shè)計標高不能低于地面標高太多，因而將跨中標高定為184.0m，兩側(cè)設(shè)對稱的坡度為1%的雙向縱坡，兩側(cè)橋臺處設(shè)計標高182.65m，變坡點處于兩岸梁端。
?。?）主梁結(jié)構(gòu)
采用構(gòu)造簡單、施工方便的預應(yīng)力鋼筋混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，邊主梁頂面全寬15.5m，底面全寬17.0m，頂面設(shè)1.5%的雙向橫坡，邊肋高2.0m，梁中部高2.165m,頂板厚32cm。主梁標準節(jié)段長度8.0m，邊跨靠端頭部分節(jié)段長度5.1m，跨中合攏段3.0m，索塔橫梁處支架現(xiàn)澆塊長度12.5m，主梁單側(cè)邊肋底面寬度一般為1.9m，在梁端邊肋底寬還有3m、4m、5m 、6m及實心全斷面五種類型。每節(jié)段主梁均設(shè)有一道預應(yīng)力橫隔板，橫隔板厚30cm。
?。?）索塔及斜拉索
索塔結(jié)構(gòu)橫橋向為H型，順橋向為獨柱型，索塔柱外形尺寸3.5×6.5m，為空心箱形斷面。從塔座頂面至塔頂，高度為104m。考慮到橋梁跨徑不大，為盡量減小施工難度，將斜拉索設(shè)為平面索。索塔設(shè)上下兩道橫梁。塔下設(shè)高3.5m的塔座和高6m的實心承臺，每一承臺下設(shè)12根φ2.5m的樁基。
全橋共設(shè)74對斜拉索（包括塔下兩對0號索），采用熱擠聚乙烯高強度平行鋼絲，鋼絲直徑7mm,標準抗拉強度1670Mpa。拉索型號選用PES7-91、PES7-121、PES7-139、PES7-163四種。拉索安全系數(shù)≥2.5。
?。?）橋臺
0號橋臺因橋面較低，采用簡易重力式橋臺，省去了臺身，而且施工更為簡單。3號橋臺臺身高6.8m，采用重力式U型橋臺，配擴大基礎(chǔ)。臺后填無膨脹透水性土。
（5）橋面系
橋面全寬16.5m，其中行車道9m，兩側(cè)人行道各2.0m，人行道欄桿各0.25m，錨索區(qū)各1.5m。橋面鋪裝采用10cm厚40號防水混凝土，為了避免丹江口二橋上發(fā)生事故時車輛直接掉入水庫，橋面設(shè)相對行車道抬高27cm的人行道和鑄鐵欄桿，人行道橫坡為1%。
（6）伸縮縫及支座
在主梁兩端與橋臺之間，設(shè)置位移量為200mm的伸縮縫，每側(cè)橋臺上設(shè)置抗拉壓力均為2000KN 的球形鋼拉壓支座各兩個。
三、方案比選
通過橋型方案比較，這三個方案在技術(shù)上均是可行的，但從施工難度、結(jié)構(gòu)的合理性、工期，以及對造價、實用性等方面綜合考慮，認為，“主跨150.0m預應(yīng)力砼連續(xù)梁橋”的水中基礎(chǔ)少，下構(gòu)施工工序較連續(xù)剛構(gòu)橋方案簡單，工期較短，風險性較小；且全橋結(jié)構(gòu)單一，較連續(xù)剛構(gòu)橋方案節(jié)省造價；同時，考慮到樁基施工鉆機及鋼護筒的大小等因素，認為采用9Φ2.0m鉆孔灌注樁較4Φ3.0m鉆孔灌注樁施工簡單，故推薦樁基為Φ2.0m鉆孔灌注樁，“主跨150.0m預應(yīng)力砼連續(xù)梁橋”作為本橋的建設(shè)方案。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟綜合比選，省計委批復采用（88+150+150+88）m預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋作為實施方案。
