山西晉城丹河大橋
2015-03-05 
   1、概況

   丹河大橋位處太行山脈南端,于山西晉城~河南焦作高速公路上,K10+300處跨越丹河,主橋采用凈跨徑146m的特大石拱橋,單跨跨徑居世界同類橋型首位,橋梁全長(zhǎng)425.6m(圖1)。

   圖1 丹河大橋全貌

   橋址區(qū)為低山溝谷地貌,地形起伏大,河谷受河水切蝕,斷面呈“U”型,相對(duì)高差達(dá)80.98m。晉城岸山勢(shì)陡峻、基巖基本裸露,焦作岸基巖埋深約10m左右,為弱風(fēng)化、微風(fēng)化白云巖,屬硬質(zhì)巖類。焦作岸引橋有黃土、卵石及礫石覆蓋層10~14m,工程條件好,宜于建橋。丹河屬黃河水系,發(fā)源于長(zhǎng)治市與高平縣交界的河泊村后溝,橋址上游干流長(zhǎng)約93km,匯水面積2098 km2,考慮到上游汪莊水庫(kù)潰壩影響,丹河300年一遇計(jì)算流量為5660 m3/s,設(shè)計(jì)水位為585.95m。晉城屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候,四季分明,年平均氣溫11.0 ℃,年平均降水量618.0m,最大風(fēng)速23m/s。

   主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

   (1)四車道高速公路

   (2)設(shè)計(jì)行車速度:  60 km/h

   (3)橋面寬度:  24.8 m(含人行道)

   (4)荷載標(biāo)準(zhǔn)

   車輛荷載:  汽車-超20級(jí),掛車-120

   人群荷載:  3.5 kN/m2;

   地震基本烈度:  6度

   (5)設(shè)計(jì)洪水頻率:  1/300

   2 主橋結(jié)構(gòu)

   圖2 橋型布置圖(單位:cm)

  ?。?)主拱圈

    丹河大橋采用全空腹式變截面懸鏈線無(wú)鉸石板拱結(jié)構(gòu)。其主要參數(shù)如下:

   主跨凈跨徑:  146m

    凈矢高:  32.444m

    矢跨比:  1/4.5

    拱頂厚度:  2.5m

    拱腳厚度:  3.5m

    拱軸系數(shù):  2.30

    截面變化系數(shù):  n=0.5225

  ?。?)拱上建筑

   腹拱由14個(gè)等跨徑腹拱組成空腹式斷面,其主要參數(shù)如下:

   腹桿凈跨徑:  9.40m

   矢跨比:  1/3.5

   拱圈厚度:  0.60m

   腹拱圈形式:  等截面懸鏈線石板拱

   為減輕拱上建筑重力,增加結(jié)構(gòu)的透視與美學(xué)效果,腹拱墩采用橫向挖空形式。

   腹拱采用邊孔設(shè)三鉸拱,跨中設(shè)置變形縫的構(gòu)造形式。

  ?。?)拱上填料

   丹河大橋?yàn)榱藴p少拱上荷載重量,設(shè)計(jì)采用輕質(zhì)填料——蒸壓粉煤灰加氣混凝土。具有干密度低、質(zhì)量輕,砌體強(qiáng)度利用系數(shù)高,彈性系數(shù)大,吸水少而慢,抗凍性好,原材料廣泛、價(jià)格低廉,具有可加工性,便于施工等特點(diǎn)(圖3)。

  ?。?)拱橋欄桿裝飾藝術(shù)

   丹河大橋人行道內(nèi)側(cè)采用混凝土防撞墻,外測(cè)采用石質(zhì)工藝欄桿。橋梁側(cè)面采用主拱圈及人行道出檐措施,增加橋梁的美學(xué)效果(圖4)。

    圖3 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:cm)

   圖4 欄桿裝飾藝術(shù)

   (5)施工

   主拱圈采用在拱架上分環(huán)分段砌筑施工。拱架采用鋼木聯(lián)合結(jié)構(gòu),高度近80m。拱架主體為A3和16Mn鋼萬(wàn)能桿件拼成的鋼拱架,鋼拱架上設(shè)置落架裝置——組合木楔,其上為木拱盔。

   主拱圈共分五環(huán)砌筑而成,每一環(huán)分為五個(gè)階段共18個(gè)工作面進(jìn)行砌筑。施工順序?yàn)椋涸诠凹苌习吹谝弧谖瀛h(huán)的順序依次砌筑,第一環(huán)砌筑完成后暫不合龍,保留11道預(yù)留空縫;第二環(huán)砌筑完成后,第一、第二環(huán)同時(shí)合攏。第三、四、五各環(huán)實(shí)現(xiàn)單環(huán)拱圈砌筑與合龍。主拱圈合攏完成后進(jìn)行拱上橫墻施工完成后進(jìn)行落架(圖5)。

   圖5 主拱圈分環(huán)砌筑

   組合木楔是本橋的落架裝置。為保證拱架的安全性和拱圈的穩(wěn)定性,落架采用分階段、分步驟的落架方式。第一階段,主拱圈完全合龍后,砌體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%,部分落架;第二階段,主橋腹拱墩砌筑完成后,部分落架;第三階段,主橋腹拱砌筑完成后,完全落架。(圖6)

    圖6 丹河大橋施工全貌

   3 主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

   (1)設(shè)計(jì)和修建了146m的特大石拱橋,其跨徑居世界同類橋型首位,使用功能齊全、景觀與環(huán)境協(xié)調(diào)。

   (2)結(jié)構(gòu)分析采用傳統(tǒng)的懸鏈線拱軸理論與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法,采用空間桿單元、板殼單元、實(shí)體單元等多單元聯(lián)合建立包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、拱架在內(nèi)的計(jì)算模型,分析拱圈分環(huán)砌筑狀態(tài)、裸拱狀態(tài)、成橋狀態(tài)、拱上建筑聯(lián)合作用、車輛荷載、人群荷載、溫度、拱腳位移作用等多種工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性及動(dòng)力特性,建立了一套適合大跨徑石拱橋的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

  ?。?)依托大跨徑石拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算方法,完成的施工仿真模擬分析,首次發(fā)現(xiàn)了分步施工石拱橋拱腳下緣高應(yīng)力區(qū)。分析結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反映大跨徑石拱橋的施工狀況,對(duì)拱橋施工起到了指導(dǎo)作用。

  ?。?)大型砌體模型試驗(yàn)、施工監(jiān)控起到了對(duì)設(shè)計(jì)理論和施工仿真模擬進(jìn)行驗(yàn)證的作用。

   (5)高標(biāo)號(hào)小石子混凝土砌石砌體力學(xué)性能研究成果已被《公路圬工設(shè)計(jì)規(guī)范》采用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外高標(biāo)號(hào)砌體力學(xué)性能指標(biāo)的空白。

  ?。?)首次在拱橋的腹拱填料中采用加氣混凝土輕質(zhì)填料,減輕了結(jié)構(gòu)自重,改善了結(jié)構(gòu)受力,降低了工程造價(jià),并總結(jié)了一套相應(yīng)的施工工藝,具有推廣運(yùn)用價(jià)值。

  ?。?)設(shè)計(jì)采用三階段卸落拱架措施,使結(jié)構(gòu)受力更趨合理,提高了施工的安全性。

  ?。?)通過(guò)理論分析、施工仿真模擬分析、大型砌體模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和荷載試驗(yàn),探討了分環(huán)砌筑特大石拱橋主拱截面應(yīng)力分布、主拱與拱架聯(lián)合受力的規(guī)律,取得了的大跨徑石拱橋設(shè)計(jì)方法和施工安全控制的創(chuàng)新性成果。

   4 相關(guān)資料

   橋  名:山西晉城丹河大橋

   橋  型:全空腹式變截面懸鏈線無(wú)鉸石板拱橋

   跨  徑:主跨凈146m

   設(shè)計(jì)單位:中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

    The First Highway Survey & Design Institute of China Co.ltd

   施工單位:丹河橋項(xiàng)目部

    Department of Danhe Bridge Project

    中鐵十七局

   

   混凝土用量:23100 m3(用于基礎(chǔ)及橋墩)

   砌體用量:  52200m3

   鋼材用量:  2900t(用于拱架、橋墩及基礎(chǔ))

   造  價(jià):  1.39億元

   建成日期:  2000年7月

   
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