丹江口二橋主橋設(shè)計(jì)方案構(gòu)思
2010-06-10
在預(yù)可和工可階段對(duì)跨丹江水庫橋位進(jìn)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(zhǎng)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(cè)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(jìn)行了同等深度的比較。綜合比較這兩個(gè)橋軸線后，認(rèn)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(dāng)減小，但接線工程量較大，路線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且主跨跨徑并不能減小；而另一水面距離稍長(zhǎng)的橋軸線（橋軸Ⅱ），接線順直，工程量小，接線長(zhǎng)度短。綜合比較這兩個(gè)橋軸線后，橋軸Ⅱ優(yōu)勢(shì)更為突出，故選定橋軸Ⅱ?yàn)槌醪皆O(shè)計(jì)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(jì)、安全、美觀” 的方針，重視環(huán)境保護(hù)，充分結(jié)合橋位實(shí)際。丹江口二橋的橋型選擇具有明顯的地域特點(diǎn)：
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(shí)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(jì)標(biāo)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(shí)約為300.0m，水深最大達(dá)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(cè)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(qiáng)度均較高，為極硬巖。因此，這對(duì)水下基礎(chǔ)的施工以及施工平臺(tái)的搭設(shè)，均造成相當(dāng)難度。
4、該項(xiàng)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(diǎn)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(diǎn)，在初步設(shè)計(jì)初期，曾設(shè)計(jì)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(xiàng)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(duì)較高的橋型。同時(shí)，由于兩岸地勢(shì)陡峻，巖石堅(jiān)硬，水中斜坡上鉆孔、下放鋼圍堰及搭設(shè)平臺(tái)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(jì)施工的技術(shù)能力，在本橋位處提出了三個(gè)橋型方案進(jìn)行比選，橋跨布置分別如下：
方案一：88.0m+150.0m+150.0m+88.0m預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋；
方案三：119.9m+300.0m+119.9m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。
二、方案設(shè)計(jì)
1、主跨150.0m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋
（1）總體布置
此方案上部構(gòu)造由四跨一聯(lián)預(yù)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(zhǎng)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(jì)），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(diǎn)腹板厚60cm，底板厚50cm。
箱梁在各墩支點(diǎn)及橋端支點(diǎn)處設(shè)置橫隔板。墩支點(diǎn)處橫隔板厚120cm；端支點(diǎn)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(tái)厚2.0m，下承臺(tái)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(jiān)硬，為保證基礎(chǔ)施工的可靠、難度較小，將承臺(tái)設(shè)計(jì)為高樁承臺(tái)；承臺(tái)底標(biāo)高為140.0m，在正常年景下，此承臺(tái)施工時(shí)水頭差在8m左右，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，此高樁承臺(tái)在施工和設(shè)計(jì)上均是可行的?？紤]到樁基自由長(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(shí)車輛直接掉入水庫，橋面設(shè)相對(duì)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(tái)相接處，為SSFB320型伸縮縫。
主2號(hào)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(tái)相接處設(shè)置GPZ10000DX支座。
2、主跨150.0m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋
?。?）總體布置
主橋上部構(gòu)造由三跨一聯(lián)預(yù)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(zhǎng)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(jì)），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(diǎn)腹板厚70cm，底板厚50cm。
箱梁在0號(hào)塊及橋端支點(diǎn)處設(shè)置橫隔板。0號(hào)塊共有4塊橫隔板，厚度均為70 cm；端支點(diǎn)處橫隔板厚80cm，橫隔板與箱梁連接處均設(shè)有承托。
引橋?yàn)榻Y(jié)構(gòu)連續(xù)的30m預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋，梁高2.0m。
（3）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(tái)厚2.0m，下承臺(tái)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(jiān)硬，要保證基礎(chǔ)施工的可靠、難度較小，將承臺(tái)設(shè)計(jì)為高樁承臺(tái)；承臺(tái)底標(biāo)高為140.0m，在正常年景下，此承臺(tái)施工時(shí)水頭差在8m左右，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，此高樁承臺(tái)在施工和設(shè)計(jì)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(tái)，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(kuò)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(shí)車輛直接掉入水庫，橋面設(shè)相對(duì)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(tái)相接處采用為SSFB80型伸縮縫。
全橋支座僅位于橋臺(tái)處，采用GPZ10000DX支座。
3、主跨300.0m預(yù)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(zhǎng)550.3m，為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土漂浮體系。總體橋型布置時(shí),考慮到斜拉橋邊跨與主跨的比例關(guān)系及總的橋長(zhǎng)，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(tái)，在水中搭支架現(xiàn)澆承臺(tái)砼，避免了水中鋼圍堰的施工。
橋梁標(biāo)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(jí)為Ⅳ級(jí)航道，橋面標(biāo)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(gè)接線的土石方開挖量，0號(hào)橋臺(tái)處橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高不能低于地面標(biāo)高太多，因而將跨中標(biāo)高定為184.0m，兩側(cè)設(shè)對(duì)稱的坡度為1%的雙向縱坡，兩側(cè)橋臺(tái)處設(shè)計(jì)標(biāo)高182.65m，變坡點(diǎn)處于兩岸梁端。
?。?）主梁結(jié)構(gòu)
采用構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度8.0m，邊跨靠端頭部分節(jié)段長(zhǎng)度5.1m，跨中合攏段3.0m，索塔橫梁處支架現(xiàn)澆塊長(zhǎng)度12.5m，主梁?jiǎn)蝹?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(shí)心全斷面五種類型。每節(jié)段主梁均設(shè)有一道預(yù)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?yàn)镠型，順橋向?yàn)楠?dú)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?？紤]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(shí)心承臺(tái)，每一承臺(tái)下設(shè)12根φ2.5m的樁基。
全橋共設(shè)74對(duì)斜拉索（包括塔下兩對(duì)0號(hào)索），采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)度平行鋼絲，鋼絲直徑7mm,標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1670Mpa。拉索型號(hào)選用PES7-91、PES7-121、PES7-139、PES7-163四種。拉索安全系數(shù)≥2.5。
?。?）橋臺(tái)
0號(hào)橋臺(tái)因橋面較低，采用簡(jiǎn)易重力式橋臺(tái)，省去了臺(tái)身，而且施工更為簡(jiǎn)單。3號(hào)橋臺(tái)臺(tái)身高6.8m，采用重力式U型橋臺(tái)，配擴(kuò)大基礎(chǔ)。臺(tái)后填無膨脹透水性土。
?。?）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(hào)防水混凝土，為了避免丹江口二橋上發(fā)生事故時(shí)車輛直接掉入水庫，橋面設(shè)相對(duì)行車道抬高27cm的人行道和鑄鐵欄桿，人行道橫坡為1%。
?。?）伸縮縫及支座
在主梁兩端與橋臺(tái)之間，設(shè)置位移量為200mm的伸縮縫，每側(cè)橋臺(tái)上設(shè)置抗拉壓力均為2000KN 的球形鋼拉壓支座各兩個(gè)。
三、方案比選
通過橋型方案比較，這三個(gè)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(duì)造價(jià)、實(shí)用性等方面綜合考慮，認(rèn)為，“主跨150.0m預(yù)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(jiǎn)單，工期較短，風(fēng)險(xiǎn)性較??；且全橋結(jié)構(gòu)單一，較連續(xù)剛構(gòu)橋方案節(jié)省造價(jià)；同時(shí)，考慮到樁基施工鉆機(jī)及鋼護(hù)筒的大小等因素，認(rèn)為采用9Φ2.0m鉆孔灌注樁較4Φ3.0m鉆孔灌注樁施工簡(jiǎn)單，故推薦樁基為Φ2.0m鉆孔灌注樁，“主跨150.0m預(yù)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(jì)綜合比選，省計(jì)委批復(fù)采用（88+150+150+88）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋作為實(shí)施方案。
