三沙大桥总体设计

第41卷第2期2 0 2 1年4月
中外公路
125
D O I: 10. 14048/j. issn. 1671 —2579. 2021. 02. 024
三沙大桥总体设计
黄雨忠，向阳
(中国公路工程咨询集团有限公司，北京市100097)
摘
要
：该文从三沙大桥的建设条件、总体设计、构造细节出发，详细阐述了钢筋混凝土劲
性骨架箱形拱桥的设计特点。

总结了骨架设计过程中的关键控制指标以及拱桥承载能力极 限状态设计，可为今后中国山区类似桥梁设计提供借鉴和参考。

关键词
：箱形拱桥；劲性骨架；三环六工作面法；关键技术
1 工程概况
1.1项目概况
S 232沙地至三岔段改扩建工程地处湖北省西南地
区，位于清江以南，鹤峰县以北区域。

项目区位于湖北 省恩施州恩施市境内，起点位于恩施市沙地乡郑家台， 与S 232恩施市鸦鹊水至沙地段改扩建工程顺接；终点 位于恩施市三岔镇，上跨S 233省道，与S 232恩施市三 岔至石心河段改扩建工程顺接，路线总长约25. 4 k m 。

1.2自然地理概况
(1)
地形、地貌。

项目区为构造溶蚀低中山地貌，
横越东南流向清江河岸。

桥位展线段自然地面标高为 480〜680 m ，桥位展线横向剖面高低起伏，纵向坡面 亦有变化，沙地岸坡处于一西北向凹坡凹槽带，岸坡地 形陡峭，自然地面坡度为35°〜45°，坡面植被以乔木及 灌木为主；三岔岸坡处于一东北向凹坡凹槽带，岸坡地 形陡峭，自然地面坡度为25°〜35%坡面植被以乔木及 灌木为主。

桥位2 k m 以内，无可通行车辆道路，交通 闭塞。

(2)
工程地质特征。

桥位区地层结构相对简单， 两岸岸坡浅表分布薄层种植土，斜坡地带分布第四系 残坡积碎石土，基岩为三叠系、嘉陵江组灰岩，局部段 见岩溶作用，未发现大型发育溶洞。

(3)
气候。

月平均最高气温为27.7 °C ，月平均最 低气温为2 X ：;年平均降水量为1 000〜1 079 m m ;年平 均风速为2. 0〜3. 4 m /s ,设计基本风速为24. 8 m /s 。

(4)
水文。

项目区位于清江中游河谷北岸，地表 水系为清江及其支流南里渡河。

桥梁位于南里渡河库
区，距离下游老渡口水电站约4 k m ,水库正常蓄水位
为 480.0 m 。

2 设计技术标准
(1) 公路等级：二级公路，设计车速：40 k m /h 。

(2) 设计荷载:公路一I 级，人群2.5 k N /m 2。

(3) 抗震设防标准：该区地震动峰值加速度为
〇. 〇5g。

(4) 桥面宽度：0. 5 m (护栏）+2 m (侧向宽度）+ 2
X 3.5 m (行车道）+2 m (侧向宽度）+0.5 m (护栏）=
12 m 。

(5) 设计洪水频率：1/100,该桥跨越深谷，洪水不
控制设计。

(6) 通航等级：无通航。

3 总体设计
桥位处属于深切v 形峡谷地貌，地形陡峻，两岸
陡崖间距离约200 m ,距离水面高度约178 m 。

三沙
大桥的建设条件有4个特点：
跨度大、地质条件好、道 路等级低、景观要求不突出。

适用于此跨度桥梁类型 有梁式桥、拱桥、索桥。

梁桥方案，跨度偏大，需要配置 边跨，不经济，不推荐采用。

同时，因该桥道路等级较 低，资金不足，养护和技术条件有限，因此，拱桥是最为
切合该项目建设条件的选择。

由于地方交通主管部门对钢结构拱桥养护诟病较 多，钢拱桥也不适宜在该工程中选用。

综上因素，最终
三沙大桥采用钢筋混凝土拱桥方案，一跨跨越南里渡河。

收稿日期
=2020 —06 —30(修改稿）
作者简介：黄雨忠，男，硕士，工程师.
E —m ail:493086801@q q. com
126中外公路
第41卷
12* 13* 14* 15* 16* 17* 18*
没置0. 2 m X O . 2 m 外倒角，0. 65
拱圈标准截面顶、底板厚0.4 m ,
却至第二根立柱间设置线性渐变1. 〇 m 线性渐变至0. 4 m ,腹板厚 E 至〇. 5 m 。

立柱下设置一道0. 5
K 一道 〇■ 3架
m 横隔板。

主拱圈构
i-775.2||-----
0* 1* 2* 3* 4*
4 结构设计
(1)主拱圈设计
拱圈为钢筋混凝土箱形截面，净跨度1。

=220 m 、 净矢高/。

=45 m 、净矢跨比/。

/1。

= 1/4. 889,拱轴线 为悬链线，拱轴系数m = 1.85。

拱圈为单箱双室截 面，高3. 8 m ，高跨比为1/57. 9,桥宽为9. 4 m ，为满足
劲性骨架布置，拱圈i m X O . 45 m 内倒角。

腹板厚0.5 m ,从拱| 段。

顶、底板厚度由 度由1.0 m 线性渐3 m 横隔板，立柱间设; 造布置见图2。

(2)主拱劲性骨2〇典
37537520
―。

§
./^5x45 >〇
65x45V /65x45 65x 45\f
T
i
1 \65x 45
65x 4y L 375 —
^5x45 65x45^
通今孔
桥梁中心线
标准断面图
L 〇/2=22 000/2
1/2拱
圈立面图
图2三沙大桥主拱圈构造布置图（单
位
：c m )
劲性骨架横向由3片桁架组成，钢材为Q 345D 。

桁架上、下弦杆采用0402 m m X 25 m m 钢管，内灌
C 50微膨胀混凝土。

上、下平联及横撑为[20a 槽钢，
为了有利于腹板混凝土浇筑，腹杆采用由4肢Z l 〇〇
m m X I O m m 等边角钢焊接组成的H 型钢。

弦杆与 腹杆、上、下平联及横撑均采用焊接连接。

劲性骨架弦杆各吊段之间接头采用外法兰连接， 外法兰由16颗M 24螺栓组成。

拱顶合龙段采用4片 抱箍与定位马板采用螺栓连接。

拱脚段通过在拱座内 预埋稍大的钢管，骨架插入预埋管内形成铰（图3)。

(3)拱上建筑
拱上立柱垫梁厚度以短边0.9 m 控制，保证立柱
桥位地处老渡口水电站上游，桥下无通航需求，库 区水位远低于桥面标高。

总体布置主要受地形因素控 制，根据桥位地形地貌条件，岩石卸荷裂隙带发育情 况、岩溶发育程度等地质条件，适当增加拱座埋深，确 保基础的稳定。

全桥长758. 5 m ,全桥跨径组合为8X
30 m 预应力混凝土 T 梁+ 15X 15. 5 m 钢筋混凝土拱 桥+ 9X 30 m 预应力混凝土 T 梁，采用〇. 5%的单向 纵坡，主桥净跨为220 m ，起拱标高为602. 156 m 。

主 桥长232. 5 m ，引桥长526 m 。

大桥总体布置见图1。

桥梁全长：758.5
4x30预应
力混凝土 4x30预应力混凝土 ,T 梁(先简
支后连续
),T 梁(先简
支后连续)净跨220钢筋混凝土拱桥(拱上 建筑为15x153预应力混凝土 T 梁5x30预应力混凝土 4x30预
应力混凝土T 梁(先简支后连续）
，1梁
(先
简支后连续
）,
桥
跨中心线丨 55^=
1
2021年第2期黄雨忠，等：三沙大桥总体设计127丨2x2 53834x3 100
心/2=22〇〇〇〇/2劲性骨架总体布置标准断面图S m f m.i l
图3三沙大桥劲性骨架布置图（单位：mm)
钢筋的锚固长度。

拱上立柱采用双方柱式，其中1*〜6#、9*〜14* 立柱截面尺寸为1. 3 m X l. 1m(纵桥向X横桥向）。

立柱高度大于10m时，设置柱系梁，系梁截面尺寸采 用0.8 m X l.O m(纵桥向X竖向）。

7#、8#立柱高度较矮，采用实体横墙，尺寸为0.8 m X7.9m(纵桥向X横桥向）。

横墙直接与拱圈连接，不设垫梁，设置通达拱顶的检修孔。

立柱盖梁，采用普通钢筋混凝土结构，盖梁底面水 平，顶面设置双向2%横坡，盖梁宽1.5 m，中心线处梁 高 1.305 m。

(4)行车道梁
拱上行车道梁，采用15孔15. 5 m的后张法预应 力混凝土 T梁，先简支后桥面连续。

预制T梁高1.3 m,梁距2.45 m，每孔布置5片T梁。

(5)拱座及交界墩
两岸设置钢筋混凝土阶梯形拱座，沙地岸拱座为
12. 5 m X13. 0 m X I O.0 m，三岔岸拱座为 15.0 m X
13.0 m X13.0 m，拱座混凝土等级为C40,拱座基础置于稳定的、完整的中风化灰岩上。

基础计算考虑拱座背面基岩的支撑作用，要求地基底面承载力容许值[八]>1. 3 M P a，背面地基承载力容许值[/a]>1.0 M P a。

拱座基础边缘距离临空面不小于5 m,拱座底 面嵌人基岩面不小于2. 5 m，拱座除临空面支立模板外，其余面均不立模以保证混凝土浇筑时与岩面紧密贴合。

交界墩为2.2 m X6. 5 m的板式墩，盖梁高2. 45 m。

交界墩直接设置在拱座上，后期可作为施工过程中缆索吊装系统的支点。

(6)引桥
引桥上部结构，为30 m跨径先简支后结构连续T 梁，横向5片T梁，梁高2.0 m。

引桥桥墩，采用双柱圆形墩，基础为嵌岩桩基础，桥台为U形台。

5 劲性骨架法施工
(1)劲性骨架节段安装
劲性骨架采用缆索吊装拼装，缆索吊装体系由扣挂体系和吊装体系组成，该桥为扣吊合一。

扣索体系 包括锚碇、锚索、张拉端、扣索及扣点5大结构部分，吊装体系包括主索、起重索、风缆、地锚等结构部分。

该 桥采用扣吊合一体系，在交界墩上设置扣塔，从两拱脚 对称地往河中进行骨架节段拼装。

(2)钢管混凝土浇筑
劲性骨架拼装完成后，拆除扣索，灌注管内混凝土。

从两拱脚向拱顶对称地顶升完成，按先灌注下弦杆后灌注上弦杆顺序，依次完成管内混凝土施工。

最 后对管内混凝土密实度进行超声检测。

(3)拱圈浇筑
拱圈混凝土的浇筑采用“三环六工作面”的浇筑方 式（图4)。

即把拱圈横断面划分成底板一环，腹板一 环，顶板一环。

沿桥梁的纵向分为6个同时施工的大工作面，先两岸对称浇筑底板，再施工腹板，最后施工顶板。

6 三沙大桥关键技术问题
6.1劲性骨架线形控制
骨架线形控制参照钢管混凝土拱桥线形控制规
128
中外公路第41卷
施工阶段号
图6
拱圈混凝土加载关键截面弯矩历程曲线（1/8截面下弦骨架)
间距等措施，控制施工阶段最小线弹性稳定系数为7. 44。

通过计算表明：劲性骨架拱桥最危险的阶段，是在 底板混凝土浇筑过程中，而且是底板合龙子步混凝土 未达到龄期的时刻。

混凝土达到龄期后，整个结构的 整体稳定性，就能得到极大的提高。

劲性骨架应力控制以施工阶段控制骨架应力小于 钢材设计值，运营阶段控制骨架应力小于屈服强度为 目标。

骨架最大应力发生的下弦杆1/8跨，施工阶段 最大压应力为217. 8 M P a ,运营阶段最大压应力为 328 M P a 。

6.3劲性骨架拱桥极限承载力
劲性骨架拱桥承载能力分析，有两种方法：①不 考虑骨架参与作用，按钢筋混凝土偏心受压构件计算； ②考虑骨架对承载能力贡献，该法为四川省基于试验 提出的半经验半理论公式。

考虑拱圈外包混凝土与骨 架的复合受力效应，不考虑两者的组合作用，其偏压承 载力简化公式如下：
+
(1)
式中为主拱圈截面的承载力；iV …为钢筋混凝土
主拱计算承载能力（不含骨架）；N
m
为钢管混凝土骨
架承载能力（不考虑钢筋混凝土）。

图S 拱圈混凝土加载关键截面竖向变形历程曲线
“三环六工作面”法基本实现了骨架变形达到缓慢 下降的目标，仅拱顶、3/8跨附近出现了较大变形波 动，出现的时机为底板最后一段混凝土浇筑时。

可通 过减小同时加载的步长，调整子步的浇筑顺序，减小变 形波动幅度解决。

三沙大桥通过增加骨架弦杆壁厚，调整腹杆布置
定，主拱制造线形等于主拱设计线形加预拱度；主拱成 拱线形等于主拱制造线形与空钢管成拱后一次落架的 自重挠度之差。

也就是说，缆索吊装合龙后，解除扣 索，骨架的变形等于空钢管一次落架的变形，即为控制 目标。

骨架线形控制采用零位移法，控制每个拉索扣 点截面的竖向变形为〇,使合龙前扣点截面达到平直 状态，得到的变形、内力状态与骨架一次成拱的状态 接近。

6.2劲性骨架安全控制
中国建成的大跨度拱桥在浇筑拱圈混凝土过程中 采用过水箱加载法、索力调整法、多工作面法。

无论采用哪种方法加载，最终的目标均是以骨架 施工过程中的安全为控制目标，主要包括：骨架挠度均 匀变化、骨架内力均匀变化、骨架施工阶段稳定系数及 骨架结构强度（图5、6)。

图4三沙大桥拱圈混凝土浇筑顺序图（单位：m )
(E
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第41卷第2期2 0 2 1年4月中外公路
129
DOI：10. 14048/j.issn. 1671-2579. 2021. 02.025
中央扣对大跨度空间缆索悬索桥静动力特性影响研究
唐茂林、李帅帅\唐清华2,李翠娟〃
(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司）
摘要：为探讨不同中央扣联结形式对空间缆索悬索桥静、动力特性的影响，以宝塔坪特大
桥为研究背景，建立了该桥3种不同联结模式下的三维空间静、动力计算模型，针对3种不同
中央扣联结形式下结构静、动力响应做了对比分析。

研究结果表明：静力方面，中央扣对活载
下加劲梁的竖向挠度影响较小，但会减小梁端纵向位移，并将增大跨中加劲梁轴力；动力方
面，中央扣的设置提高了结构的反对称扭转频率，推迟了纵漂振型的出现，增大了结构的抗扭
转刚度和纵向刚度。

关键词：空间缆索；悬索桥；中央扣；活载；静动力响应
1引言
中央扣又称中央夹具，是在悬索桥跨中设置的连接主缆和加劲梁的装置，可有效提高大跨度悬索桥的结构刚度。

中央扣的首次应用是在1950年的T a c o-m a新桥上，至今已发展出了 3种设置形式，分别为：① 用刚性三角桁架联结主缆与加劲梁，将梁与缆在跨中 处相对固结，即刚性中央扣；②通过在跨中设置1对 或多对斜吊索来约束加劲梁的纵向位移，即柔性中央 扣；③直接将加劲梁与主缆联结。

表1为国内外部分悬索桥中央扣设置情况。

由表1可看出：欧美国家倾向于采用刚性中央扣，而日本倾向于采用柔性中央扣，中国多采用刚性中央扣。

近年来，多座新建悬索桥均采用了中央扣，但相关 的文献报道却很少。

在结构抗风性能方面，胡腾飞等以矮寨特大桥为背景，利用有限元分析和动力测试的方法，研究了中央扣对结构模态特性的影响；在结构抗 震方面，夏支贤等以云南金沙江大桥为工程背景，研究 了中央扣对独塔地锚式悬索桥地震响应的影响；在车 致振动方面，徐勋以四渡河大桥为背景，通过对比3种 中央扣在移动汽车车列激励下的时程反应，探讨了大
三沙大桥采用方法①进行承载能力设计，同时采 用方法②进行承载能力复核，确保结构在安全的前提下，不过于浪费。

7 结语
三沙大桥采用钢管混凝土劲性骨架法成拱技术，为该类工法在大跨度桥梁中的运用又推进了一步。

劲 性骨架法修建的拱桥，在设计过程中尤其要注意骨架的线形控制、骨架的安全控制，确保施工过程中的安全。

钢筋混凝土箱形拱桥养护简单，后期病害较少、造 价较低，特别适合于深切v形峡谷地貌，在山区峡谷 桥梁中已成为有竞争力的桥型方案。

参考文献：
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收稿日期：2020 —09_03(修改稿）
作者简介：唐茂林，男，博士，副教授.E_mail:tmllpl@126. com
*通信作者：李翠韻，女，博士，副教授.E—mail:Lcj@。