藤县西江二桥南主桥总体设计分析

藤县西江二桥南主桥总体设计分析作者：陈鑫欧阳平刘梦麟
来源：《西部交通科技》2020年第04期
摘要：藤县西江二桥南主桥为（50+100+450+100+50） m双塔双索面混合梁飘浮体系斜拉桥，整体造型美观，受力合理，主梁采用混合梁设计，中跨主梁采用创新的钢-HUPC轻型组合梁，边跨主梁采用混凝土梁。

文章介绍了该桥的总体设计思路、桥型方案和主要结构设計方案，为类似工程的设计和决策提供技术参考。

关键词：混合梁斜拉桥;总体设计;型钢-UHPC组合桥面结构
中国分类号：U442文献标识码：A
0 引言
藤县西江二桥南主桥为主跨450 m双塔双索面斜拉桥，斜拉桥主梁采用混合梁设计，中跨主梁采用钢-HUPC轻型组合梁，边跨主梁采用π形混凝土梁。

中跨组合梁桥面板采用创新的
型钢-UHPC组合桥面结构，是国内采用该类型桥面结构最大跨度的斜拉桥，与传统组合梁相比大大减轻了主梁自重，节约了工程造价。

本文将结合大桥的总体设计特点，重点介绍其在桥型方案选择、主要结构方案方面的设计思路，以便为类似斜拉桥的设计和决策提供有益的参考。

1 工程概况
藤县西江二桥位于梧州市藤县藤州镇境内，距现有藤县西江大桥约6 km，由南桥、北桥组成。

其中，南主桥的跨径布置为（50+100+450+100+50） m，全长750 m，为双塔双索面半漂浮体系混合梁斜拉桥。

桥梁采用一级公路标准设计，并兼顾市政桥梁的功能，设计荷载采用公路-Ⅰ级，通航标准满足内河Ⅰ级航道单孔双向通航的要求。

2 主要建设条件
2.1 地形地貌
西江二桥桥位处属剥蚀丘陵及河谷地貌，地形起伏较大，地面高程为18～140 m，相对高差约为122 m。

河床呈开阔的U字形，桥梁横跨西江（浔江段）及洲岛。

洲岛岛长约4.0 km，宽约800 m，岛上地面高程约22～36 m。

洲岛将浔江分为南、北两条河道。

南、北两岸岸坡均较陡，南岸坡角为45°～70°，北岸坡角为50°～90°。

2.2 通航条件
洲岛将天然河道分为南、北两汊。

其中，规划航道由南汊通过，南汊江面宽约680 m，水深约9～12 m，天然河槽较宽，整个河槽均是优良的通航水域。

目前，南桥所在的南汊航道规划为Ⅰ级航道，通航3 000吨级船舶，单孔双向通航净宽为400 m，净高为13 m。

2.3 工程地质
桥址南岸的覆盖层以粉质黏土为主，厚约3 m;洲岛岸覆盖层以粉质黏土和粉土为主，厚约16 m;江中覆盖层较薄，局部没有覆盖层。

南桥基岩为砂岩，强风化层最大揭示厚度为39 m。

中风化层风化不均匀，局部夹强风化，岩石裂隙发育-稍发育，裂隙面铁质浸染，局部可见方解石脉穿插，岩体较破碎-完整，岩芯多呈短-中柱状，少量碎块状，采取率中等-高。

2.4 地震烈度
桥梁建设区域的地震基本烈度为Ⅵ度，基本地震动峰值加速度0.05 g，地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s。

2.5 基本风速
广西壮族自治区梧州市的基本风速为26.3 m/s。

根据桥位地表类别（C类）得到桥位处设计基本风速为20.65 m/s。

2.6 其他
项目水上运输条件较好，桥址位于西江上游，目前可通航2 000吨级船舶，水运便利。

项目陆运条件一般，项目南岸有机耕路可到达桥址。

3 桥位方案设计
根据城市规划，藤县西江二桥在洲岛岛头附近跨越浔江，桥位正好位于浔江分流口处。

根据《内河通航标准》，水上过河建筑选址应避开分流口，且避开距离不得小于顶推船队长度的4倍，当桥梁选址不满足避开距离时，应加大水上过河建筑物通航孔跨度或采取一孔跨过通航水域的方案。

考虑到如果在原规划桥位建设桥梁，不但项目难以连接洲岛地面道路，主桥跨径和建设投资也将大幅增加。

因此，藤县西江二桥桥位调整至岛头下游约900 m处，在满足规范要求避让距离的前提下，尽量贴近原规划桥位，更好地与规划引道相衔接。

选位示意图见图1。

4 桥型方案设计
4.1 总体思路
藤县西江二桥南主桥总体设计需要综合考虑桥位处通航、行洪、防撞、地质等条件。

桥梁主跨跨度主要由桥区航道的通航要求决定，大桥需要跨越洲岛南汊主航道。

洲岛南汊天然河槽较宽阔，整个河槽均是优良的通航水域。

根据通航要求，南桥的净空尺度按Ⅰ级航道标准控制，桥梁通航净宽为400 m，净高为13 m。

结合上述通航要求，并综合考虑预留桥墩承台及防撞设施等宽度后，通航孔跨跨径≥450 m。

该跨度下的适用桥型有悬索桥、斜拉桥和拱桥[1]。

就拱桥而言，由于江面宽约680 m，拱桥的拱座基础均落在水中，河槽水深较深，有推力拱桥的拱座基础造价较高，施工难度大;无推力系杆拱桥方案的跨径也已超过其经济跨径。

因此，拱桥方案在本桥建设条件下并不合理。

就悬索桥而言，450 m跨径较小，不是其经济跨径，且两岸中风化岩层的岩面较深，不利于两岸锚碇的设计和施工。

因此，悬索桥方案在本桥建设条件下也不合理。

对于斜拉桥方案，450 m是双塔斜拉桥的常规跨径，也是经济跨径。

斜拉桥450 m主跨基本跨越了洲岛南汊主要的河槽水域。

对于边跨和主跨采用同一种梁型的常规斜拉桥，其边中跨比在0.4～0.5之间，岸上边跨长度较长，主桥规模相对较大;而边跨和主跨采用不同梁型的混合梁斜拉桥，其边中跨比在0.3～0.45之间，可以缩减边跨长度，降低主桥规模和工程造价。

4.2 主梁方案及边跨布置
就斜拉桥主梁形式而言，目前跨度在400 m以下的斜拉桥主要以预应力混凝土梁为主，跨度400～500 m之间以预应力混凝土梁和钢-混组合梁两种主梁形式为主，跨度>500 m以钢-混组合梁和钢箱梁为主。

450～590 m为钢-混组合梁斜拉桥的经济跨径，和钢箱梁相比，组合梁形式在一定程度上会增加主梁自重，但混凝土桥面板是优秀的承压结构，可以和钢梁共同承担主梁轴力，且其增加了主梁的整体刚度及桥面板局部刚度，同时避免了钢桥面铺装带来的风险;而和混凝土梁相比，虽然采用钢-混组合梁方案比预应力混凝土梁方案略贵，但钢-混组合梁具有利于控制施工质量、施工工期较短、施工风险较低等优点。

综合考虑，本文针对组合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥方案进行了比选。

4.2.1 组合梁斜拉桥方案
组合梁斜拉桥方案桥跨布置为（60+130+450+130+60） m，边中跨比为0.42。

主桥采用钢-混组合梁，梁宽32 m，宽跨比约为1/14.06;索塔采用钢筋混凝土钻石形桥塔，塔高163.9 m，桥面以上塔高约137.5 m，塔梁高跨比为1/3.27。

斜拉索采用钢绞线斜拉索，空间索面扇形布置。

边跨各设置一个辅助墩。

4.2.2 混合梁斜拉桥方案
混合梁斜拉桥方案主跨为450 m，边跨总长为150 m，边中跨比为0.33。

针对边跨混凝土梁的辅助墩布置形式，对比了3×50 m和50+100 m两种设计方案。

其中，3×50 m布置方案混凝土主梁的结构受力更优，但50+100 m布置方案减小了桥梁的阻水比，更有利于泄洪，在景观方面也更通透。

后者在主梁受力上的劣势可以通过优化边跨斜拉索索力并调整混凝土主梁预应力布置来弥补。

因此，边跨辅助墩布置采用50+100 m的设计方案。

混合梁斜拉桥方案桥跨布置为（50+100+450+100+50） m。

主梁采用混合梁设计，中跨主梁采用组合结构，边跨主梁采用混凝土结构，结合段设置在桥塔附近。

梁宽32 m，宽跨比约为1/14.06;索塔采用钢筋混凝土钻石形桥塔，塔高163.9 m，桥面以上塔高约137.5 m，塔梁高跨比为1/3.27。

斜拉索采用钢绞线斜拉索，空间索面扇形布置。

边跨各设置一个辅助墩。

4.2.3 方案比选
藤县西江二桥属于公路桥梁，兼顾市政桥梁的功能。

桥型方案选择需要综合考虑经济性、运营养护、施工难度、通航、行洪、行车舒适性、桥梁景观效果等方面的因素。

两个方案在通航、行洪、行车舒适性、桥梁景观方面差异较小，因此方案比选重点考察了方案的经济性、运营养护和施工难易度。

因为本项目主要由地方财政出资建设，其经济性尤为重要。

表1对两个桥型方案的主要材料及经济性进行了对比。

由于混合梁斜拉桥方案边跨采用混凝土结构，在缩短主桥长度的同时，也减小了主桥上部结构的钢材用量和拉索用量，其总体造
价相对较低，南桥建安费较组合梁方案节约2 409万元，相当于藤县2019年财政收入的
1.5%。

在运营养护方面，斜拉桥方案均需要定期检查、更换斜拉索，组合梁的钢梁部分也需要定期养护。

相比而言，混合梁斜拉桥方案的主梁钢结构相对较少，主梁的养护成本相对较小。

从施工角度考虑，两种斜拉桥施工技术经验均比较成熟。

混合梁斜拉桥方案边跨主梁需要搭设支架施工，主梁施工相对复杂。

综合比较，混合梁斜拉桥方案在经济性、运营养护等方面具有优势，尤其是经济性方面优势相对突出，因此最终选择混合梁斜拉桥方案作为南主桥的实施方案。

5 主要结构方案
区别于常规斜拉桥，混合梁斜拉桥结构设计的主要特点在于其主梁的设计，包括组合梁设计、结合段设计等方面。

此外，在组合梁的结构设计中，还创新地采用了钢-UHPC轻型组合梁，大大降低中跨主梁的结构自重，改善桥梁整体受力。

5.1 组合梁
组合梁断面采用用钢量相对较小的分离式双边箱截面和肋板式截面进行比选，对比图如下页图2～3所示。

肋板式截面在主梁用钢量及用索量上略有优势，但和分离式双边箱截面差别不大，两种截面都具有较好的经济性。

而分离式双边箱截面的抗弯、抗扭刚度较大，具有更好的受力性能，且不需要采用厚钢板，降低了钢结构加工难度。

所以，南主桥的主跨组合梁采用分离式双边箱断面。

组合梁全宽32 m，组合梁中心高度为3.195 m，其中钢结构总高度为2.92 m。

组合梁钢结构部分由主纵梁、横梁、小纵梁和挑梁组成。

传统组合梁一般采用26～28 cm厚的混凝土桥面板，桥面板混凝土重量往往占到主梁重量的60%以上，造成主梁结构自重及拉索索力偏大，进而导致桥梁整体造价较高、负弯矩区混凝土桥面板易开裂、配置预应力效率低下、混凝土收缩、徐变导致的预应力损失过大等难题。

针对上述问题，南主桥的组合梁结构采用了创新的“型钢-超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板”。

与传统组合梁的混凝土桥面板相比，新型桥面结构使南桥的中跨减重约5 000 t，同时也降低了斜拉索、中跨组合梁钢结构、边跨混凝土梁及桥塔等相关构件的主要材料用量，节省了桥梁的造价。

两者对比如表2所示。

除了结构重量的优势以外，“型钢-超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板”受力性能更优异，施工便利性更高。

组合桥面板采用的UHPC结构具有超高的抗压、抗拉强度，无须在桥面板内设置预应力钢束，便于主梁施工，加快了主梁的施工进度。

UHPC预制板经过适当的蒸养后不仅不会收缩，其长期徐变也非常小，与传统混凝土桥面结构相比，不但节省了其存放的时
间，还减小了因徐变引起的组合梁应力重分布及桥塔偏位，保证了桥梁长期运营的安全性。

此外，UHPC基于最大密实度（最小孔隙率）理论研制，材料内部孔隙非常少，氯离子扩散系数仅为普通混凝土的1/100，材料的耐久性优异。

结构耐久性的增强更有利于节省后期管养成本，减轻管养单位的压力。

型钢-UHPC轻型组合梁截面如图4所示。

5.2 钢-混结合段
混合梁斜拉桥的钢-混结合段位置主要由施工便利性和结构受力等因素确定，一般设置于桥塔附近。

从施工便利性角度考虑，由于钢-混结合段需要在临时支架上施工，所以结合面越靠近桥塔横梁施工越方便。

从结构受力的角度考虑，钢-混结合面宜布置在弯矩较小处，而桥塔位置恰恰是主梁的负弯矩峰值区域，弯矩较大。

综合上述因素，大桥主梁的钢-混结合面设置在距离桥塔中心线8.75 m的位置，避开了主梁负弯矩峰值区域。

钢-混结合段的典型连接方式有完全承压式和承压传剪式。

其中，完全承压式应力传递直接，但需要较厚的钢板，截面的刚度变化比较剧烈;承压传剪式刚度过渡较均匀，应力扩散较好。

因此，大桥钢-混结合段采用承压传剪式连接，结合段总长为6.15 m，通过设置钢格室、剪力连接件及结合段预应力保证结构的有效结合，调整过渡段加劲的数量及高度对结构刚度进行平缓过渡。

过渡段桥面板的UHPC在填充混凝土和横梁混凝土达到设计强度后浇筑。

为保证后浇UHPC和先浇混凝土牢固结合，UHPC结构伸入混凝土梁段1.5 m，交界处混凝土表面在UHPC浇筑前需要凿毛处理。

钢-混结合段构造如图5所示。

5.3 混凝土梁设计
混凝土梁截面与组合梁截面对應，采用π形双主肋断面。

主梁全宽为32 m，中心高度为3.12 m，桥面板厚30 cm，顶面设置双向2%横坡，底面不设横坡。

主梁标准段肋板宽度为2.2 m，边跨主梁压重段肋板宽度为2.5 m，肋板变宽采取内侧加宽、线性变化。

主梁在斜拉索对应位置设置跨间横梁，跨间横梁宽0.32 m，横梁中央高度为2.47 m，间距为5～6.5 m。

此外，主梁在过渡墩、辅助墩、桥塔及钢-混结合部还分别设置了和纵梁等高的横梁，横梁宽2.5～3.5 m。

主梁在辅助墩横梁两侧设置了局部压重混凝土，如图6所示。

6 施工方案
大桥边跨混凝土梁采用临时支架施工，主跨组合梁采用悬臂吊机对称悬拼施工，组合梁在工厂整体预制并运至桥位后，由悬臂吊机整体起吊并浇筑节段间横向湿接缝UHPC及蒸养，待强度达到要求后张拉相应节段的斜拉索。

7 结语
藤县西江二桥南主桥是国内首座采用“型钢-超高性能混凝土（UHPC）组合桥面结构”的混合梁斜拉桥，本文重点介绍了大桥的总体设计思路、桥型方案比选过程和主要结构方案的设计思路，对类似条件下的桥梁建设提供有益参考。

（1）在相同跨径下，混合梁斜拉桥与组合梁斜拉桥有经济可比性，其在岸上的边跨范围越大，经济性优势越明显。

（2）在条件允许的前提下，混合梁斜拉桥边跨设置2个辅助墩对边跨混凝土梁受力较为有利。

（3）“型钢-超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板”大大降低了组合梁的结构自重，改善了桥梁整体受力，提高了桥面混凝土结构的耐久性，比采用传统混凝土桥面板结构的组合梁斜拉桥经济性更优。

参考文献：
[1]江苏省交通规划设计院有限公司.桥梁概念设计[M].北京：人民交通出版社，2011.
[2]严国敏.现代斜拉桥[M].成都：西南交通大学出版社，1996.
[3]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验总结[M].北京：人民交通出版社，2003.。