建筑高度限制条件下特大桥结构方案比选

1、建筑高度限制条件下特大桥结构方案比选高燕梅、周志祥(重庆交通大学，重庆，400074）摘要：榕江江特大桥桥位于广广东省潮潮惠高速速公路榕榕江河段段，其建建筑高度度收到双双重限制制：桥下下级航道道，主跨跨跨度不不小于3380mm；同时桥梁梁高度受受机场控控高要求求的限制制，潮州州侧主墩墩桥梁控控高966.566m，惠惠州侧主主墩桥梁梁控高1109mm。因此此考虑三三种桥型型方案：方案一一为作者者提出的的下承式式预应力力钢桁砼组合合连续刚刚构桥方方案，方方案二为为自锚悬悬索桥方方案，方方案三为为钢-混凝土土混合箱箱梁矮塔塔斜拉桥桥方案。本本文着重重阐述了了方案一一的结构设设计理念念，讨论论了其结构

2、总总体布置置和关键键构造细节节，并进进行了施施工和使使用阶段段的力学学性能分分析，论论证了下承式式预应力力钢桁砼组合合连续刚刚构桥方方案在特特定条件件下的可可行性和和合理性性。关键词：通通航净空空限制，桥桥梁高度度限制，方案比选，下承式预应力钢桁砼组合连续刚构桥，设计理念，构造特点，力学性能分析中图分类号号：U4443.38文文献标志志码：AASchemmeCoompaarisson of Supper-Larrge SpaanBrridggeundeer tthe Conndittionn of LiimittedBBuilldinng HHeigghtYanmeei GGao, Zhhix

3、iiangg zhhou(Chonngqiing Jiaaotoong Uniiverrsitty，Choongqqingg 40000774，Chiina, Chhonggqinng, 40000744, CCm, zhhixiianggzhoouccqucc.eddu.ccn)Abstrractt:Roongjjianng ssupeer-llargge bbriddge is a ppartt off thhe hhighhwayy frrom Chaaozhhou to Huiizhoou iin GGuanngdoong proovinnce.To enssuree thhe nno

4、rmmal navvigaatioon uundeer tthe briidgee annd mmeett thhe rrequuireemennts of Airrfieeld Heiightt Coontrrol, booth thee sppan andd thhe hheigght of thee brridgge aare limmiteed, thuus tthe maiin sspann shhoulld nnot be lesss tthann 3880m whiile thee brridgge hheigghtss off thhe ppierr onn thhe CCha

5、oozhoou aand thee ottherr siide shooulddresspecctivvelyy noot bbe mmoree thhan 96.65mm annd 1109mm .DDue to thee dooublle rresttricctioons of spaan aand briidgee heeighht, thrree schhemees aare connsiddereed wwhicch iinclludees tthe schhemee off prresttresssedd stteell trrusss-cooncrretee coompoosit

6、te tthrooughh coontiinuoous riggid fraame briidgee whhichh iss prropoosedd inn thhis papper , ssteeel-cconccrette ccompposiite boxx giirdeer llow-pyllon cabble-staayedd brridgge aand sellf-aanchhoreed ssusppenssionn brridgge. Aimmingg att thhe ppresstreesseed ssteeel ttrusss-cconccrette ccompposiite

7、 thrrouggh cconttinuuouss riigidd frramee brridgge, thee deesiggn iideaas aare desscriibedd, tthe genneraal llayoout andd thhe ddetaaileed cconsstruuctiion aree diiscuusseed aand thee meechaaniccs pproppertty aanallysiis iin pperiiod of connstrructtionn annd sservvicee arre aalsoo maade to demmonsst

8、raate thee feeasiibillityy annd rreassonaabillityy off thhis schhemee unnderr giivenn coondiitioons .Keywoordss:Naaviggatiion cleearaancee liimittatiion, Buuilddingg heeighht llimiitattionn, SScheemeccomppariisonn, PPresstreesseed ssteeel ttrusss-cconccrette ccompposiite throoughh coontiinuoous rigg

9、id fraame briidgee, Deesiggn iideaa, CConsstruuctiion feaaturre, Mecchannicss prropeertyy annalyysiss.1 概述桥梁工程发发展到现现在，主主要有梁梁、索、拱拱三种类类型，通通常在1000-1550米以内工工程师认认为选择择梁式、拱拱式结构构桥梁是是比较经经济合理理的。当当跨径大大于5000米后索结结构桥梁梁被大量量的应用用，斜拉拉桥、悬悬索桥都都是特大大跨径桥桥梁中常常用的桥桥型，其其建设费费用也相相当昂贵贵。于是是在2000-5000米范围内内，选择择什么样样的桥型型能同时时解决结结构受力力的

10、可靠靠性和经经济合理理性就成成为难题题，桥梁梁设计者者们常常常会在梁梁、索、拱拱三种类类型中根根据桥位位具体情情况择优优选择。随着组合结结构的发发展，钢钢-混组合合桥梁的的研究越越来越成成熟，作作者认为为在钢-混组合合桥梁中中一定可可以找到到适合2000-5000米的桥型型，在结结构上和和经济上上达到双双赢。广广东潮惠惠高速公公路榕江江特大桥桥的方案案比选就就不失为为钢-混组合合桥梁在在2000-5000m跨径内内的合理理应用。本文结合榕榕江特大大桥三个个桥型设设计方案案：新型的的下承式式预应力力钢桁架架-砼组合合连续刚刚构桥方方案、矮塔斜斜拉桥方方案11以及及自锚式式悬索桥桥方案1，着重阐阐

11、述了方方案一的的结构设设计理念念，讨论论了结构构总体布布置和关关键构造造细节，并并进行了了施工和和使用阶阶段的力力学性能能分析，论论证了其在特特定条件件下的可可行性和和合理性性。2主要技术术标准 榕江特大桥桥位于广广东省潮潮（州）至至惠（州州）高速速公路榕榕江河段段，潮汕汕民用机机场附近近。荷载标标准：公公路-级；桥桥面宽度度：333.5mm，其中中行车道道宽2(33.775)mm；桥梁设设计基准准期：100年；设计洪洪水频率率：1/3300；抗震设设防标准准：P1概率50年10%，P2概率50年2.55%。建筑高度受受到双重重限制：= 1 * GB3桥下级航道道，通航100000吨海轮轮，考

12、虑虑通航净净空、主主墩基础础尺寸和和防撞设设施的需需要，主主跨跨度度应不小小于3880米，桥下下通航净净空不小小于38mm；= 2 * GB3机场控控高要求求的影响响：榕江江大桥桥桥位距新新建潮汕汕机场仅仅5kmm左右，主主桥大部部分位于于机场锥锥形面内内，仅潮潮州侧过过渡墩位位于起飞飞爬升面面内，控控高566m，具具体见下下图1。桥面面以上建建筑高度度不得高高于机场场控高要要求，包包括避雷雷针等。所所以桥梁梁高度受受机场控控高要求求的限制制，潮州州侧主墩墩桥梁控控高966.566m，惠惠州侧主主墩桥梁梁控高1109mm。图1 榕江江大桥桥桥梁高度度控高要要求3桥型方案案设计根据桥位情情况及工

13、工程特点点，结合合功能、景景观要求求，并着着重考虑虑桥位处处的双重重限高的的要求，榕榕江特大大桥的主主桥提出出三种桥桥型设计计方案：新型的的下承式式预应力力钢桁架架-砼组合合连续刚刚构桥方方案、矮塔斜斜拉桥方方案11以及及自锚式式悬索桥桥方案1。3.1下承承式预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥方方案该方案为下下承式预预应力钢钢桁-砼组合合连续刚刚构桥方方案（如如图4），为为增加可可比性，桥桥长设计计与其它它两个方方案相同同，主桥桥跨径布置置为（1700+3880+1170）m，主桁顺顺桥向采采用变截截面形式式，墩顶顶桁高442m，跨跨中桁高高10mm，考虑虑到斜杆杆角度，节节间距布布置为：1

14、2mm、10mm、7m，横桥向向三片主主桁，横横向间距距17.5m。桥型特点是是悬臂施施工，可可根据每每个施工工阶段的的受力情况况，适时时在上弦弦杆内张张拉预应应力钢束束，以满满足受拉拉需要；适时在在下弦杆杆内灌注注混凝土土以及下下弦杆之之间浇筑筑与之结结合受力力的底板板混凝土土，以满满足受压压需要。图4 下承承式预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥方方案此方案是是一种新新型下承承式预应应力钢桁桁架-砼组合合结构形形式，在在满足限限高条件件下，造造型美观观，自重重显著降降低，跨跨越能力力大、施施工工艺艺简化，工工期缩短短，综合合经济效效益高，工工厂化制制作构件件质量有有保证，施施工可控控则施工

15、工质量有有保证，桥桥梁结构构受力明明确合理理，可根根据结构构在各施施工和使使用阶段段不同的的受力需需要进行行不同的的组合和和适时联联结，充充分发挥挥了钢和和砼两者者的材料料优势，结结构性能能可靠稳稳定，抗抗风抗震震性能好好、长期期维护成成本低等等优点。此桥型的施施工必须须要求专专业化的的施工队队伍和专专门的机机具设备备，致使使其造价价相对偏偏高；另另外此桥桥型存在在显性的的定期涂涂漆维护护要求，使使其名义义维护费费用相对对较高，但但综合而而言全寿寿命周期期总费用用低。3.2矮塔塔斜拉桥桥方案该方案为双双塔双索索面混合合梁矮塔塔斜拉桥桥（如图2），主桥跨跨径布置置：55mm+1110m+3800

16、m+1110mm+555m=7710mm，桥下通航航净空高高度388m，桥塔高高度受机机场控高高限制，塔塔顶高度度（包括括避雷针针）不能能超过96.56mm，其中中上塔高45mm。主梁采采用混合合梁形式式：主跨及及边跨辅辅助墩至至主塔间间部分采采用钢箱箱梁，其其余部分分采用砼砼箱梁，在在辅助墩墩墩顶近近主跨侧侧设2.5m的的钢砼结结合段，梁高3.5m，采采用半飘飘浮体系系，平衡悬悬臂拼装装施工。图2 主跨跨3800m矮塔斜斜拉桥方方案矮塔斜拉桥桥从结构构受力形形式上与与梁式桥桥基本相相同，广广泛意义义上来讲讲属于体体外预应应力辅助助的梁式式桥，其其经济跨跨径在1100mm2500m之间间。结合

17、合本桥受受机场控控高要求求的特殊殊条件，此此方案桥桥面以上上索塔高高度可以以满足机机场控高高要求，虽虽已超出出其经济济跨径范范围，但但技术相相对成熟熟，是一一可行方方案。技术难度：上塔柱柱高度有有限，为为增加斜斜拉索角角度，使使得斜拉拉索在塔塔柱相对对集中，导导致塔柱柱锚固区区空间狭狭小，只只能在梁梁段张拉拉，因此此斜拉索索安装、张张拉和锚锚固较困困难。斜斜拉索倾倾角较小小，竖向向分力较较小，所所需斜拉拉索截面面面积增增大，不不经济；且水平平分力较较大，主主梁轴力力较大，不不利主梁梁稳定，受受力欠合合理。3.3自锚锚式悬索索桥方案案该方案为双双塔双索索面混合合梁自锚锚式悬索索桥（如如图3）,边

18、跨不不设置吊吊索，跨跨径布置置为:50mm+60mm+60mm+3800m+60mm+60mm+50mm=7220m。本本桥采用用两根平平行丝股股主缆，预制丝股法（PWS）施工，单缆为65束127丝5.1mm镀锌高强钢丝。在满足机场控高的前提下，尽可能提高矢跨比，以减小主缆水平分力对加劲梁的压力，所以主跨矢跨比最多只能采用1:9，较一般自锚式悬索桥矢跨比在1/6小。中跨加劲梁选择自重轻、强度高、抗扭刚度大、抗风稳定好、有利于结构耐久性的流线型扁平闭口钢箱梁为主梁截面形式，其余均采用混凝土箱梁。图3 主跨跨3800m自锚式式悬索桥桥方案自锚式悬索索桥具有有悬索桥桥线形优优美柔和和、对地地形及地地

19、质状况况适应强强等优点点，主缆缆直接锚锚固在加加劲梁上上，省去去大体积积地锚，成成为大、中中跨度桥桥梁极具具竞争力力的方案案。此方方案桥面面以上索索塔高度度可以满满足机场场控高要要求，是是一可行行方案。技术难度：目前自锚锚式悬索索桥的施工方方法均采采用支架架架设主主梁法，而而榕江大大桥桥下下为了满满足通航航的需要要，不能能搭设临临时支架架，只能能采用临临时斜拉拉索成梁梁，尚属属首次。此此方法存存在矮塔塔斜拉桥桥主梁施施工的问问题，并并且需要要采用吊吊杆接长长进行体体系转换换，结构构体系转转换是本本桥的关关键性技技术和难难点，施施工风险险高，施施工措施施费高，难难度大，后后期养护护费用高高。3.

20、4方案案比选在通航净空空和桥梁高高度双重重限制条件件下，广东榕榕江特大大桥选取取了三种种桥型方方案：矮矮塔斜拉拉桥方案案已超出出其经济济跨径范范围，且且上塔柱柱高度有有限，斜斜拉索倾倾角较小小，不经经济，水水平分力力较大，主主梁轴力力较大，不不利主梁梁稳定，受受力欠合合理。自自锚式悬悬索桥方方案采用用临时斜斜拉索成成梁，尚尚属首次次，需要采采用吊杆杆接长进进行体系系转换，结结构体系系转换是是本桥的的关键性性技术和和难点，施施工风险险高，施施工措施施费高，难难度大，后后期养护护费用高高。下承承式预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥方方案采用用预应力力钢桁砼的组组合结构构，既有有效降低低了桥梁梁高

21、度，又又满足了了受力需需要，具具有很好好的经济济效益，推推荐采用用此方案案。桥型下承式预应应力钢桁-砼连连续刚构构桥矮塔斜拉桥桥自锚式悬索索桥施工悬臂拼装施施工，工工艺成熟熟,预制装装配，工工期可望望缩短220%悬臂施工，存存在较多多高空作作业，边边跨需要要现浇混混凝土，工工期长.采用临时斜斜拉索成成梁，尚尚属首次次。结构构体系转转换是本本桥的关关键性技技术和难难点，施施工风险险高，施施工措施施费高，难难度大结构性能利用组合结结构优势势，既基基本避免免开裂病病害，又又能适度度降低造造价。斜拉索倾角角较小，竖竖向分力力小，所所需截面面面积增增大，费费材；水水平分力力较大，主主梁轴力力较大，不不利

22、主梁梁稳定；混凝土土主梁可可能存在在后期开开裂问题题。加劲梁必须须承受来来自主缆缆巨大的的拉应力力。养护维修存在定期外外表面涂涂漆维护护要求，维维护费用用相对较较低斜拉索及钢钢箱梁需需定期养养护，存存在麻烦烦的换索索工作，后后期养护护费用高高主缆、吊索索及钢箱箱梁需定定期养护护，存在在麻烦的的换索工工作，后后期养护护费用高高4 下承式式预应力力钢桁-砼组合合连续刚刚构桥结结构特点点及关键键构造细细节下承式预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥的设计理理念为根根据主跨跨不同区区段受力力需要选选用与之之相适应应组合截截面(图6)。即利用用钢桁作作为结构构的可能能受拉部部分，可可避免结结构裂缝缝；用以

23、以混凝土土为主的的钢混凝土土组合体体作为结结构的受受压部分分，可减减小用钢钢量，增增强受压压钢板的的稳定性性，提高高主跨结结构刚度度。本方方案1/2主跨跨结构如如图6所示。分分析表明明，预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥墩墩顶区段段以承受受负弯矩矩为主，截面上上缘受拉拉，下缘缘受压（如如图5），因此此钢桁选取取预应力力钢箱上弦弦（在受拉拉钢管中中设置预预应力钢钢束构造造，在建筑筑结构中中已应用用），下弦弦杆与混混凝土相相结合的的截面形形式（如如图A-A、C-C）：钢桁上上弦杆受受拉（根根据受力力要求可可以在上上弦杆钢钢箱内设设置适时时张拉的的预应力力钢束并并灌注固固化防腐腐材料，以以有效降降

24、低用钢钢量并可可据需调调节钢桁桁应力至至期望状状况），能能避免拉拉应力作作用下结结构开裂裂问题；下弦内内灌注自自密实微微膨胀混混凝土，并并在两片片钢桁下下弦杆之之间浇筑筑与下弦弦钢箱结结合的混混凝土作作为受压压构件,可有效效减小用用钢量，增增大主跨跨结构刚刚度并有有助于增增强下弦弦杆的受受压局部部稳定性性。跨中区区段以承承受正弯弯矩为主主，截面面下缘受受拉，上上缘受压压（如图5），但因因为悬臂臂拼装施施工，跨跨中正弯弯矩值相相对较小小，所以以选取钢钢桁下弦弦与钢桥桥面板结结合受拉拉，上弦弦仅空钢钢箱受压压的截面面形式（如如图6中B-B、D-D），上弦杆杆空钢箱箱能满足足受压需需要的情情况下，不

25、不需灌注注混凝土土。图5 1/2跨弯矩矩包络图图图 下承承式预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥1/22L结构构造造图6下承式式预应力力钢桁-砼组合合连续刚刚构桥下下弦杆构构造4.1上弦弦内预应应力束构构造墩顶负弯矩矩区段，上弦杆受拉，为了有效降低用钢量并可据需调节钢桁应力至期望状况，弦杆内可按需配置纵向预应力束，因此为方便张拉预应力束，上弦采用直线变化，并在上弦杆内适处布置钢束分束导向板，方便布束，待张拉完成后，在弦杆钢箱内灌注固化防腐材料（在受拉钢管中设置预应力钢束构造，在建筑结构中已应用）（如图7）。图7 负弯弯矩区段段上弦钢钢箱预应应力束布布置4.24.3下弦构构造墩顶负弯矩矩区段：在

26、悬臂臂施工过过程中，适适时下弦弦杆钢箱箱内灌注注自密实实微膨胀胀混凝土土，并在在两片钢钢桁下弦弦杆之间间浇筑与与下弦钢钢箱结合合的混凝凝土作为为受压构构件（悬悬臂施工工安装桁桁梁杆件件的同时时，适时时安装下下弦杆之之间的预预应力混混凝土预预制板作作为底模模使用并并参与受受压）。为了使浇筑筑的底板板砼与钢钢桁下弦弦杆之间间形成可可靠联结结，共同同工作，需需要设置置BPH剪力联联结构造造（如下下图）。图 下弦BBPH剪力联联结构造造中跨跨中正正弯矩区区段：在在下弦杆杆的横向向联系上上铺设钢钢桥道板板；钢桥桥道板与与下弦杆杆之间作作联结构构造处理理，使桥桥道板作作为受力力构件参参与下弦弦杆受拉拉。4

27、.3 PPBH剪力键联联结构造造墩顶负弯矩矩区段：在悬臂臂施工过过程中，下弦杆受压，适时下弦杆钢箱内灌注自密实微膨胀混凝土，并在两片钢桁作为受压构件，同时，适时安装下弦杆之间的预应力混凝土预制板作为底模使用并参与受压。为了使浇筑筑的底板板砼与钢钢桁下弦弦杆之间间形成可可靠联结结，共同同工作，需需要设置置BPH剪力联联结构造造（如图图8）。钢与与混凝土土之间的的剪力连连接键是是钢-砼组合合结构中中至关重重要的传传力部件件。PBBH剪力力联结构构造是在在PBL剪力键键的基础础上发展展起来的的，是将将PBL剪力键键的开孔孔钢板用用钢箱本本身的加加劲肋所所代替，将将PBL剪力键键的销栓栓钢筋用用设置于

28、于混凝土土中的箍箍筋所代代替。PPBH剪剪力联结结构造更更强调箍箍筋穿过过开孔加加劲肋与与纵筋形形成箍筋筋骨架，从从而保证证了弦杆杆与混凝凝土联结结的可靠靠性。已有的的试验和和理论研研究44,5表明，PPBH可可以有效效的连接接钢箱和和砼，在达到到承载力力破坏前前，钢箱箱与混凝凝土之间间几乎没没有滑移移变形。图9 PBH局部构造图片图9 PBH局部构造图片图8下弦BBPH剪力联联结构造造5 主要施施工工序序= 1 * GB3安装0号号节段钢钢桁，并并将钢桁桁与墩顶顶间实行行墩梁固固结= 2 * GB3悬臂拼拼装钢桁桁节段，适适时浇注注底板砼砼和对主主桁上弦弦施加预预应力= 3 * GB3悬臂拼

29、装装钢桁节节段，安安装边跨跨正弯矩矩区段预预制桥道道板，中中跨跨中中正弯矩矩区钢桥桥面板，注注意桥墩墩两边悬悬臂重量量平衡= 4 * GB3合拢桥桥跨，负负弯矩区区段上弦弦杆内灌灌注固体体防腐材材料；施施工桥面面系构造造6下承式预预应力钢钢桁-砼组合合连续刚刚构桥受受力性能能分析 采用平面杆杆系程序序桥梁博博士33.2.0，建立立下承式式预应力力钢桁-砼组合合连续刚刚构桥有有限元模模型，全全桥共划划分351个单元元，182个节点点，计算算模型如如图6所示。计算中上述述施工工工序划分分施工阶阶段；成成桥阶段段考虑收收缩徐变变20000天，考虑虑年温差差影响后后桥梁整整体升温温15度，降降温15度

30、；活载载横向分分布系数数、车道道数及车车道横向向折减系系数按杠杠杆法计计算得2.1197。荷载载组合考考虑恒载载+公路I级+砼板收收缩徐变变+温升，恒恒载+公路I级+砼板收收缩徐变变+温降。计算结果表表明满足足结构应应力满足足规范要要求：表1最大悬悬臂状态态控制点点应力计计算值(MPPa) 表2成桥状状态控制制点应力力计算值值(MPPa) 表3不利荷荷载组合合下控制制点应力力计算值值(MPaa)墩顶上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面上缘-68.5534.4-68.1169.93.89截面下缘-62.2261.1-64.6657.15.96跨中上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面下缘00000截面下缘00

31、000墩顶上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面上缘-73.6657-87.7790.64.02截面下缘-4381-63.7798.26.11跨中上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面下缘20.3-15.112.2-4.6990截面下缘15.1-16.662.2-4.4110墩顶上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面上缘-158101-170-1597.73截面下缘-8854-145-1389.97跨中上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面下缘161-5.48810.216.30截面下缘53-15510.16.2706 结论= 1 * GB3方案比选选：在通通航净空空和桥梁高高度双重重限制条件件下，广东榕榕江特大大桥选取取了

32、三种种桥型方方案：矮矮塔斜拉拉桥方案案已超出出其经济济跨径范范围，且且上塔柱柱高度有有限，斜斜拉索倾倾角较小小，不经经济，水水平分力力较大，主主梁轴力力较大，不不利主梁梁稳定，受受力欠合合理。自自锚式悬悬索桥方方案采用用临时斜斜拉索成成梁，尚尚属首次次，需要采采用吊杆杆接长进进行体系系转换，结结构体系系转换是是本桥的的关键性性技术和和难点，施施工风险险高，施施工措施施费高，难难度大，后后期养护护费用高高。下承承式预应应力钢桁桁-砼组合合连续刚刚构桥方方案采用用预应力力钢桁砼的组组合结构构，既有有效降低低了桥梁梁高度，又又满足了了受力需需要，具具有很好好的经济济效益，推推荐采用用此方案案。= 2 * GB3结构特点点：钢-砼组合合连续刚刚构桥充充分发挥挥了钢和和砼两者者的材料料组合优优势，受受拉为预预应力钢钢结构或或钢结构构，受压压为以砼砼为主的的钢-砼结构，显显著降低低自重，避免结结构裂