铁路运输方面的论文调顺跨海大桥桥梁设计思路

　　摘要：本文通过对调顺跨海大桥在项目决策阶段桥梁方案的总结分析，并针对广东西部沿海地区提出了各种结构形式主桥桥型方案的优缺点，充分考虑了湛江海湾桥梁抗风、防腐要求较高的实际，在设计理念、表现形式、桥梁景观等方面有一定的特色，基本反映了当今桥梁的发展趋势，以便今后在类似跨海通道项目中借鉴采用。

　　关键词：铁路运输方面的论文,决策阶段,跨海桥梁,桥梁方案

　　第一章 工程概况

　　调顺跨海大桥位于广东省湛江市北部，起点于遂溪县文车村以南对接G325 改线段，路线由西向东经赤坎区调顺岛，跨越五里山港，终点于坡头区山塘村以东接湛江市官渡海围、消坡海围大桥工程。本项目是湛江市“十二五”路网规划中湾区内环的北线重要组成部分，是湛江市规划的主要货运通道之一，也是湛江市重要的东西向主通道。本项目推荐采用一级公路，设计速度80km/h，双向6 车道，路基宽32m，路线全长约9.5km,设平交口4 处，占用土地约671.4 亩。由于本工程位于广东西部沿海地区,沿线地形较平坦，在主桥桥型方案选择方面便呈现出了多样化的特点，因而在决策阶段需要进行充分考虑和综合分析，以确保桥梁方案经济美观。

　　第二章 桥梁方案控制因素及特点

　　2.1 地形、地质、水文及气象等因素

　　拟建大桥跨越的斜麻海水域的右岸侧为自然岸线，左岸侧(奥里油码头所在侧的岸线)岸线已经进行了人工整治。桥位处两堤岸之间的距离约为1350m,最大水深约为9.0m，水面宽度约为900m。

　　工程区沿线地形缓状起伏，地貌类型主要有冲洪积平原及海湾滩涂。岸侧地表下均为人工填土层，其平均层厚3m～8m，淤泥、淤泥质砂土、淤泥质黏土层，其平均层厚4～6m左右，其下均以粉砂、黏土、粉质黏土层为主(夹中砂)，水中地表下均淤泥、淤泥质砂土、淤泥质黏土层，其下均以粉砂、黏土、粉质黏土层为主(夹中砂)，根据地质勘察报告未见较完整弱风化基岩。

　　湛江港湾内波浪较小，波浪侵蚀与掀沙作用不强;湛江港湾纳潮量大，潮流作用强，且落潮历时短、流速大，泥沙不易落淤，大部分泥沙随落潮带出港湾。整个港湾泥沙淤积不强，滩槽比较稳定。

　　港区内潮汐属不规则半日潮，每一太阳日有两次高潮出现，潮差较大，达4～6m，平均高潮位4.33m，平均低潮位2.04m，最高潮位7.09m，最低潮位-0.65m，平均潮差0.57m。

　　该地区年平均气温23°C，1月平均气温15°C，7月平均气温29°C，极端最高气温38.1°C，极端最低气温2.8°C。年均降雨量1534mm，降雨多集中在4～9月。

　　夏秋台风为主要自然灾害，根据湛江气象台提供的风况资料显示，夏季盛行东南风，冬季盛行偏北风，全年最多为东风和东南东风，强风向为东风和东北东风。最大登陆强台风，历史极大风速达57m/s以上。

　　2.2通航航道因素

　　本工程跨越湛江航道，根据《调顺跨海大桥通航净空尺度和技术要求论证研究报告》，跨海大桥按通航5000吨级海轮标准设计，通航尺寸B×H=249m×38m。

　　本工程航道通航等级高，对路线要求较高。首先，大桥桥位按通航要求尽可能与航道正交，同时需满足通航净空的要求，由于区域地势平坦，而航道等级较高，净高达38米，使得桥梁总长度增加，同时由于通航净宽的限制，通航孔主桥只能采用大跨度桥型方案，从而使得工程投资随之增加。

　　2.3现状环境及桥位边界条件因素

　　桥位处现状地势平坦，视野开阔。湛江港水面宽度约1.2Km。西侧桥位以南有奥里油电厂及湛江电厂，紧接是湛江港第三作业区，桥位以北500m处为特殊用地，特殊用地与奥里油电厂之间约有1千米宽的浅滩区。东侧桥位现状为乡镇村落，大部分均为低矮建筑，远期规划为坡头港区。

　　推荐桥位下游东岸为规划坡头港区，港口资源是不可再生资源，非常珍贵，城市的经济发展与港口码头息息相关，港口经济已经成为推动区域经济发展的重要力量。本次设计综合考虑了桥位对规划港口影响，尽量避免对港口码头的切割。

　　图2-1 桥位边界条件示意图

　　2.4本项目桥梁与周边桥梁的关系

　　湛江海湾大桥主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，斜拉桥主跨为480m，钢砼混合箱梁结构，斜拉桥边跨跨度为120m+60m。该桥桥位处水深达20m，桥梁基础为104m、塔高达150m，技术难度大，工程非常艰巨，是广东继虎门大桥之后建设的最大规模的桥梁工程。拟建调顺跨海大桥是湛江海湾上的第二座跨海特大桥，距离湛江海湾大桥约7.5公里，同时调顺跨海大桥为5000吨通航等级，而湛江海湾大桥为五万吨通航等级，在主桥跨度上，湛江海湾大桥有优势，且湛江海湾大桥自建设以来在民众的心目中地位较高，在这种情况下，拟建的调顺跨海大桥只有通过桥梁文化理念、技术创新上超越湛江海湾大桥，成为湛江市的又一标志性建筑。

　　2.5本项目桥梁工程的特点

　　本项目主体工程为跨海域的重点桥梁工程，工程规模大，具有下述特点：

　　①湛江调顺跨海大桥主桥定位为湛江市地标性建筑，桥型的选择及景观的要求高;

　　②为大型的跨海桥梁，东、西引桥海上施工规模较大，施工难度较大;

　　③桥位处受洪流及潮汐的综合影响较大，水文条件复杂;

　　④桥址处地质条件较差，覆盖层厚;

　　⑤海工环境对桥梁结构有着强腐蚀作用，桥梁的耐久性设计非常关键。

　　第三章 桥梁总体方案

　　3.1桥梁方案设计原则与思路

　　3.1.1桥梁方案设计原则

　　本项目要突出“以人为本，功能优先，与自然和谐统一”的理念，“安全、耐久、节约、和谐”的科学建设观必须贯穿桥梁设计的始终。桥梁总体设计应满足城市规划的要求，桥梁方案设计依据桥位处的自然地理环境、地形条件及既有、规划道路情况，灵活合理地布设桥孔，追求与地形、环境、交通的协调统一，在立面和平面上形成顺适、流畅的立体曲线，并与自然景观融为一体，体现“尊重自然，保护环境”的设计理念。桥型方案选择应充分考虑结构的耐久性和运营期间的养护费用，合理选用桥面伸缩缝、排水系统等附属设施，满足运营阶段行车平顺、舒适安全的要求，达到养护方便，使桥梁工程全寿命周期费用达到最省，体现 “节约全寿命周期成本”的理念。

　　3.1.2桥梁方案设计思路

　　根据本项目的各种控制条件及桥梁的特点，在桥式方案设计中除了把握桥梁方案设计的原则外，还应特别注意下述方面：

　　①本项目是湛江市规划湾区内环的重要组成部分，是湛江市未来城市新纽带，其桥型方案应具有较高的景观性，要求成为湛江市标志性桥梁，应着重考虑主桥的景观效果，根据主桥选择的不同结构形式来确定主桥的孔跨。

　　②桥式方案设计应具有安全性、前瞻性、系统性、创新性、先进性、经济性和环保性。

　　③注重结构的整体美，总体设计时应充分考虑桥梁、引道的水平及竖向线型的美学设计，使桥梁与引道线型流畅，浑为一体。

　　④应积极采用现代交通设计理念和新技术、新结构、新材料和新工艺，提高项目的科技含量，降低工程造价，减少综合运营成本，使项目的经济效益最大化。

　　⑤同一座桥梁尽量采用同一结构类型，方便施工。

　　⑥桥型设计外形美观，注重与区域的规划和建设相协调，桥梁造型应能体现轻巧、简洁、通透、明快的现代化气息。

　　⑦水中桥墩布置尽量减少阻水面积，尽量减弱桥墩阻水对通航船只、水利的影响。

　　⑧注意结构高跨比的配合，跨径一般大于高度，下部结构根据墩高选择相应下部尺寸，尽量做到上下部结构尺寸相协调，桥墩轻盈美观。

　　综合上述因素，本项目桥梁总体设计作了下述方面的考虑：

　　①桥型总体布置依据桥位地形特点、市政规划、通航、水文、地质条件要求，以经济合理、精致优美为前提进行布设,主桥采用湛江市目前没有的拱桥方案，跨径为单跨286下承式提篮拱桥，满足通航要求。

　　②东、西引桥采用预应力混凝土现浇箱梁，跨径布置以50m、30m为主的经济跨径。

　　③为提高行车舒适性和桥面铺装的耐久性，并且满足城市高架桥景观的要求，根据规划城市道路的情况，引桥上部结构采用分幅现浇弧形连续箱梁、半幅圆角花瓶墩。

　　④尽量避免因墩柱过多而造成墩柱“森林化”的弊病，引桥下部墩身采用外形较为美观的半幅独柱圆角花瓶型桥墩，与主桥元素呼应，且和周围景观相协调。

　　⑤桥面铺装：跨海大桥桥面铺装采用沥青混凝土。

　　3.2桥梁总体布置

　　本工程桥梁总长度为3738m，跨海桥梁分为东、西引桥及调顺跨海主桥。其中西引桥桥梁长度为1473m，调顺跨海主桥推荐方案桥梁长度为286m，东引桥桥梁长度为1193m。桥梁分布见下表：

　　桥梁分布表 表3-1

　　序号中心

　　里程桥　名孔数及孔径

　　(孔-m)起讫里程桥梁全长

　　(m)桥长小计

　　(m)

　　1K0+440跨沟渠桥1×20K0+425～K0+4553030

　　2K3+278跨铁路桥25×30K2+870～K3+626756756

　　3K5+770调顺大桥西引桥39×30+6×50K4+154～K5+62714732952

　　主桥1×286K5+627～K5+913286

　　东引桥10×50+23×30K5+913～K7+1061193

　　3.3桥孔布置

　　桥梁应根据被跨越道路、河流(海域)航道等级及水文情况，选取不同的桥孔方案。跨越既有道路及低航道等级河涌以中、小跨径预应力混凝土梁为主;跨越航道等级高的河流和海域，主桥根据通航净空要求采用跨越能力较大的拱桥或斜拉桥等结构形式，引桥以中小跨径预应力混凝土梁为主。

　　本项目桥梁工程桥孔布设时必须着重考虑下述几个方面：

　　①主桥，应在满足航道要求的前提下，着重考虑主桥的景观效果，根据主桥选择的不同结构型式来确定主桥的孔跨。

　　本项目拟建大桥为单孔双向通航，计算所到的通航净空尺度为：净宽249m、净高38m。考虑桥墩的宽度与防撞设施所占据的宽度，故拟建大桥通航孔的跨径为286m。

　　②非通航孔的一般跨径桥梁制约整个工程的工期和造价。

　　③桥址处大部分地段地质条件较差，对于一般高架段桥梁孔跨应适当加大，减少基础工程数量。

　　④水上施工规模大，工期较长，水上引桥孔跨应适当加大，以减少水中基础工程数量。

　　⑤海工环境使得桥梁基础费用增加较多，应适当增大桥孔跨径以减少基础工程数量。

　　海工环境的强腐蚀性对桥梁基础有着严重的危害性，为了满足桥梁耐久性设计要求，墩台基础采用高性能混凝土、环氧涂层钢筋等工程措施将会比一般的钢筋混凝土基础在造价上有较大的增加。

　　综合考虑，对于深水通航区，大桥通航孔的跨径(即主桥主跨跨径)拟定为286m，对于岸侧高架段桥孔布置以30m标准跨径为主，对于浅滩区和深水区以及地质条件差的高架段采用50m跨径为主。

　　3.4桥梁横断面布置

　　桥梁标准横断面布置为：0.5m(防撞护栏)+14.25m(行车道)+0.5m(防撞护栏)+1m(中央分隔带)+0.5m(防撞护栏)+14.25m(行车道)+0.5m(防撞护栏)=31.5m。

　　第四章 主桥桥型方案

　　4.1主桥桥型方案构思

　　4.1.1梁式体系桥梁

　　当跨径达到300m 左右时，若采用预应力混凝土连续梁桥方案首先不经济，且国内尚无类似情况案例。连续梁桥和连续刚构桥跨径过大，中支点处梁段建筑高度较大，为满足通航净空要求需要提高桥面设计标高，进而增加了总桥长，且连续梁桥和连续刚构桥景观效果较差。

　　4.1.2悬索桥

　　300m 左右跨度并不在悬索桥的经济合理跨度范围内，且不宜做成自锚式悬索桥。若需满足景观要求则应增加悬索桥主跨的跨径，这将大大增加桥梁的造价。

　　4.1.3斜拉桥

　　300m 左右跨径为斜拉桥的常规跨径。塔柱可为独塔、双塔，塔型可多种多样，如钻石型、拱型、H 型、倒Y 型等。斜拉索布置可为单、双、三索面甚至四索面。斜拉桥方案在跨度、塔身造型及斜拉索布置形式等方面能灵活处理，达到造型美观、新颖独特的景观要求。施工方法也较成熟，造价相对较经济，本工程斜拉桥方案优点较突出，但考虑到湛江海湾大桥亦为斜拉桥，桥梁结构形式雷同。

　　4.1.4拱式体系桥梁

　　拱桥为最古老的桥型，结构形式包括下承式、中承式和上承式。鉴于湛江地区无大跨径拱桥，本工程采用拱桥方案可与湛江既有桥梁形成风格迥异的效果，以达到独特景观的目的。由于通航等级较高，为避免增大主桥跨径而使工程投资大幅增加，本工程不适宜采用上承式及中承式拱桥方案;下承式拱桥方案较适合本桥位，且下承式拱桥方案造型大气美观，结构新颖。

　　4.2主桥桥型推荐方案

　　调顺跨海大桥所征集的主桥桥型方案主要为悬索桥、拱桥、斜拉桥及连续刚构桥，部分方案的桥塔、桥拱、桥墩等局部结构造型新颖，特别是400米下承提篮式钢箱拱桥“南珠”、三跨下承提篮式钢拱桥“湛江龙”等方案还融入了当地文化元素，而索网组合桥体现了桥梁设计的创新。但由于斜拉桥与相邻的湛江海湾大桥属于一种类型，按照“一桥一景”的要求不宜采用，而连续刚构桥景观效果较差，塔索网组合桥型设计及施工技术尚不成熟，自锚式悬索桥跨径小不够大气，故这几种桥型也不宜采用。综上所述， 本工程现阶段就主桥推荐选用单跨286m 下承提篮式钢箱拱桥方案——“南珠”。

　　4.2.1设计理念与创意

　　南珠是海水珍珠的皇后，湛江是名副其实的南珠中心。该方案以南珠为创意来源，寓意着湛江犹如一颗闪亮的明珠，在中国乃至世界绽放绚丽的光彩。主拱细节设计丰富了大桥的整体造型，使大桥更加饱满。吊杆采用N 字形交叉布置，增强了大桥的韵味。流线U 形桥墩，与主桥的气质相匹配，更显轻盈通透。引桥采用等截面斜腹板预应力混凝土箱梁及弧形桥墩，体现了全桥整体式的设计理念。拱顶的明珠造型，与方案的主题相呼应，赋予了大桥灵动的色彩。夜色中的大桥璀璨夺目，不仅增加了大桥的风采，更增添了湛江的魅力，在湛江海湾上形成一道亮丽的风景。

　　4.2.2桥型布置

　　本方案为下承提篮式钢箱拱桥方案， 跨径布置为主桥286m。

　　桥起止桩号为K5+477～K6+063，桥梁中心桩号为K5+770。主跨跨径286m，主拱高57.4m，桥面最大纵坡为3.0%，横坡为2%。主桥平面均处于直线段上，桥面全宽36.5m。

　　图4-1 主桥平立面布置图(单位：cm)

　　4.2.3横断面布置

　　主桥横断面布置为：3.25m(吊杆锚固区及检修道)+0.5m(防撞护栏)+14.25m(行车道及路缘带)+0.5m(防撞护栏)+14.25m(行车道及路缘带)+0.5m(防撞护栏)+3.25m(吊杆锚固区及检修道)=36.5m。桥梁采用双向横坡，坡度为2%。

　　4.2.4主拱

　　主拱采用钢箱矩形截面，双拱肋为提篮形式，布置在竖向平面内，置于桥面两侧。主拱矢高57.4m，矢跨比f/l=4.983，拱圈横桥向水平倾角75.4°。主拱横桥宽由跨中2m渐变至拱根部3m，主拱竖向宽由根部4.5m渐变至跨中3.0m，拱箱顶底板厚24mm，拱箱腹板厚22mm。

　　拱梁固结，为增加桥梁横向稳定性，拱肋间共设置了8根横撑。主梁及主拱通过吊杆与连接，拱脚及主梁均支承于主桥墩上，于桥墩上设置支座。

　　两片主拱顶设置了一颗南珠造型的景观球，与方案的主题相呼应，赋予了大桥灵动的色彩。

　　4.2.5主梁

　　采用边梁式钢箱梁，中心线处梁高4.5m，梁宽36.5m。边箱为四边形，宽3m，箱高4.5m，边主梁顶板18mm、底板18mm，腹板16mm。桥面板采用正交异性板，板厚18mm，采用10mm厚U形加劲肋。边箱和桥面板均每隔3.5m 设置一道横隔板。拱肋和主梁在拱脚处采取固结方式。

　　4.2.6吊杆设计

　　全桥共布置34对(68根)吊杆，竖向吊杆间距14m，斜吊杆根据竖向吊杆倾斜布置，竖向吊杆与倾斜吊杆成“N”型布置。吊杆采用成品热挤聚乙烯高强平行钢丝吊杆。吊杆钢丝抗拉强度Ryb=1670Mpa，E=2.0×105MPa。吊杆设计安全系数k≥2.5。锚具采用冷铸镦头锚。吊杆PE护套可根据景观要求选择相应的色彩。吊杆型号采用PESC7-091。

　　4.2.7下部结构

　　主桥桥墩为流线U形桥墩，普通钢筋混凝土结构。墩顶截面(单肢)尺寸为4.0×5.0m，墩底截面尺寸为48.0x8.0m主桥中墩承台顺桥向宽16.0m,横桥向宽54.0 m，厚5.5m。承台基础设计采用27根φ2.0m钻孔桩，墩身和承台采用C40海工高性能混凝土。钻孔桩采用C35海工高性能混凝土。

　　4.2.8施工方案

　　本桥型为常规单跨下承提篮式钢拱桥的桥型形式，采用无支架缆索斜拉扣挂法施工，国内此类桥型的设计与施工工艺已经比较成熟，技术难度中等。

　　最大吊重220t。主索采用2组6×φ60(8×36WS+IWR)钢芯钢丝绳，支承于塔架索鞍上,锚固于两岸锚碇。每组主索均设有2台起吊小车,并设有独立的牵引及起重系统。起重卷扬机、牵引卷扬机各选用8台10t卷扬机,60t跑车4台。

　　缆吊系统吊塔与扣塔合二为一，吊塔置于扣塔顶部，扣塔置于大桥两个主墩上。吊塔与扣塔之间用销轴连接，扣塔与桥墩之间固结。吊塔与扣塔均由万能杆件拼装而成。

　　塔架缆风由索塔和扣塔前、后缆风组成。由于扣塔底部固接,因此塔架自身具有一定的刚度,塔架不平衡水平力由塔架和缆风共同承受。索塔塔顶不平衡力主要包括:主索不平衡水平力、风力、牵引索不平衡拉力、起重索不平衡拉力。

　　扣索和锚索由低松弛高强度钢绞线束组成，锚固端采用群锚夹片工作锚和P型挤压锚。

　　由于桥位处覆盖淤泥质软弱层，锚碇采用重力式桩基础结构。锚碇有扣索锚碇和主索锚碇，均布置于桥位外侧。扣塔锚索、扣塔缆风锚固在扣索锚碇上，单个锚碇基础采用20×φ1.0m钢管桩。主索、工作索、主索缆风锚固在主索锚碇上，单个锚碇基础采用4×φ1.0m钢管桩。

　　第五章 结语

　　经综合分析，调顺跨海大桥在决策阶段所提出的上述桥型方案属于概念设计，沿线边界要求也尚需进一步明确，因此方案在整体结构的协调性、跨径组合的合理性以及桥梁的景观性等方面，还需在下一阶段进一步深化和完善，以确保项目建设具有可观的社会效益和经济效益。

　　参考文献

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