付 强，迟东彪
(中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430070)
本项目路段为宜来高速公路宜昌段，该路段是阳新至咸丰高速公路通道的重要组成部分。规划的阳新至咸丰高速公路通道主要由杭瑞高速公路、岳宜高速公路、宜来高速公路等公路项目构成，该通道是西连恩施及重庆，东接咸宁及九江的横向大通道。目前杭瑞高速公路及岳宜高速公路均已建成并通车，宜来高速鹤峰西段控制性工程于2015年12月正式开工。柴埠溪特大桥工程是宜来高速公路(宜昌段)的重要工程之一。
本项目按4车道高速公路标准修建，设计速度为80 km/h，路基宽度为25.5 m。柴埠溪特大桥桥位跨越典型的深切V形沟谷，沟谷上宽约为440 m，下宽约为50 m，沟谷谷底至路线设计标高达290 m。采用双塔双索面斜拉桥的桥型，主桥跨径布置为(68+144+480+144+68)m。鉴于该桥建设工程涉及宜来高速公路和省道242渔洋关绕城段公路的桥梁合建，地方道路按两车道、设计速度40 km/h、二级公路标准进行设计，预留桥宽为10 m。为同时满足高速公路及地方道路的使用需求，在调研国内外大跨径多功能斜拉桥桥面布置方案的基础上，提出双层桥面或单层桥面的布置形式。
双层桥面方案在公铁两用桥梁工程中被广泛采用，其主梁形式以钢桁梁为主，比较有代表性的桥梁有常泰长江大桥[1]、沪通长江大桥[2]、白居寺长江大桥等。大跨径双层公路斜拉桥在国内建成并通车的案例较少，以上海闵浦大桥[3]为典型代表，国外如日本的横滨港湾桥、东神户大桥等。单层桥面满足多种交通功能的大跨径斜拉桥的建成案例较少，单层桥面的主梁形式一般采用钢箱梁或钢-混组合梁[4]。由于本项目位于山区，运输条件苛刻，不利于钢箱梁运输及吊装，故单层桥面方案只考虑钢-混组合梁[5]方案。
2.1 双层钢桁梁方案
双层钢桁梁方案中，上层桥面道路为高速公路，下层桥面道路为地方道路。考虑到高速公路断面为4车道断面，宽度仅为26.0 m，与省道断面的10.0 m宽相差较大，设计时采用两片直主桁外设副桁断面方案。断面为倒梯形，主桁上弦中心间距为27.5 m，下弦中心间距为14.0 m，主桁高为12.0 m，拉索锚固于主桁上弦。双层钢桁梁方案主梁断面如图1所示。
图1 双层钢桁梁方案主梁断面(单位：m)
2.2 单层钢-混组合梁方案
单层钢-混组合梁方案将地方道路布置在高速公路右侧，主桥的主梁采用组合梁，组合梁全宽为38.9 m，中心断面全高为3.56 m，双工字钢纵梁梁肋间距为38.0 m，梁高为3.0 m，组合梁主体结构采用Q420qE钢板。桥面板设2%和1.13%双向横坡。单层钢-混组合梁方案主梁断面如图2所示。
图2 单层钢-混组合梁方案主梁断面(单位：cm)
通过建立有限元模型，以合理的成桥状态为前提，对比分析两种布置方案中主梁及桥塔的受力状态[6]。
3.1 双层钢桁梁方案分析
3.1.1 恒载
一期恒载包含主梁、索塔、斜拉索及防腐材料的重量，主梁及索塔按照实际断面尺寸计量；
二期恒载的上层桥面集度按照85.1 kN/m考虑，下层桥面集度按照43.1 kN/m考虑，其中包含护栏和桥面铺装的重量。
3.1.2 活载
汽车荷载考虑系数：多车道横向折减系数为0.55(横向按6个车道加载)；
纵向折减系数为0.94；
偏载系数为1.15。下层桥面按双车道加载。
3.1.3 边界条件
辅助墩、过渡墩和塔梁交界处为竖向约束与横向约束；
塔下横向抗风支座采用只受压弹性约束模拟；
塔墩底采用固结模拟。双层钢桁梁方案全桥静力分析结构离散图如图3所示。
图3 双层钢桁梁方案全桥静力分析结构离散图
3.1.4 计算结果
汽车荷载作用下主梁最大竖向挠度和为0.527 m，主梁整体刚度较大，挠跨比为1/911。百年横风作用下主梁最大横向挠度仅为0.42 m，塔顶水平位移仅为0.191 m。
成桥状态弦杆恒载弯矩图如图4所示；
运营状态弦杆弯矩图如图5所示；
边弦杆应力对比如图6所示；
中弦杆应力对比如图7所示；
下弦杆应力对比如图8所示；
竖腹杆应力对比如图9所示；
斜腹杆应力对比如图10所示；
斜撑应力对比如 图11 所示。
图4 成桥状态弦杆恒载弯矩图(单位：kN·m)
图5 运营状态弦杆弯矩图(单位：kN·m)
图6 边弦杆应力对比
图7 中弦杆应力对比
图8 下弦杆应力对比
图9 竖腹杆应力对比
图10 斜腹杆应力对比
图11 斜撑应力对比
3.2 单层钢-混组合梁方案分析
3.2.1 恒载
一期恒载包含主梁、索塔、斜拉索及防腐材料的重量，主梁及索塔按照实际断面尺寸计量；
二期恒载的桥面集度按照126.2 kN/m考虑，其中包含护栏和桥面铺装[7]的重量。
3.2.2 活载
汽车荷载考虑系数：多车道横向折减系数为0.5(横向按8个车道加载)。本方案恒载及活载为非对称布置。
3.2.3 边界条件
辅助墩、过渡墩和塔梁交界处为竖向约束与横向约束；
塔下横向抗风支座采用只受压弹性约束模拟；
塔墩底采用固结模拟。单层钢-混组合梁方案全桥静力分析结构离散图如图12所示。
图12 单层钢-混组合梁方案全桥静力分析结构离散图
3.2.4 计算结果
汽车荷载作用下主梁最大竖向挠度和为0.397 m，主梁整体刚度较大，挠跨比为1/1 209。百年横风作用下主梁最大横向挠度仅为0.075 m，塔顶水平位移仅为0.135 m。
成桥状态主梁恒载弯矩图如图13所示；
运营状态主梁弯矩图如图14所示；
钢主梁应力对比如图15所示。
图13 成桥状态主梁恒载弯矩图(单位：kN·m)
图14 运营状态主梁弯矩图(单位：kN·m)
图15 钢主梁应力对比
结合本项目中“桥梁合建”的项目特点，桥面布置形式的选择应结合结构受力性能、施工难度、桥面运营安全及舒适性、后期养护、景观效果、对引桥的影响、用地范围以及工程造价等方面综合比选后确定[8]。主梁形式的选择主要由运输及安装条件、桥梁使用的功能需求及工程造价等方面决定。
4.1 结构受力性能
主梁应力对比如图16所示；
活载位移对比如图17所示；
频遇组合桥塔应力对比如图18所示。两种主梁形式均有较好的整体刚度，单层方案主梁活载最大竖向挠度优于双层方案，两种方案中桥塔的水平位移较接近。单层方案的钢主梁应力状态略优于双层方案。由结构受力性能对比可知，单层方案优于双层方案。
图16 主梁应力对比
图17 活载位移对比
图18 频遇组合桥塔应力对比
4.2 施工难度
钢桁梁杆件接头较多，对现场拼装精度要求较高。由于山区交通运输条件有限，主梁架设采用“化整为零，分段拼装”的方式，现场由人工拼装钢桁梁节段，再采用悬臂拼装的施工方案，这对施工工期影响较大。
钢-混组合梁采用双边工字梁，其加工、制造工艺成熟。由于该桥较宽，横梁须分段制作拼装，钢梁拼装完成后再安装混凝土桥面板，工序相对复杂。钢-混组合梁可采用整节段运输，拼装横梁后按悬臂法施工。钢-混组合梁施工方案对工期影响较小，较钢桁梁方案可节省约6个月工期，该方案较成熟，更有利于山区大跨径桥梁的架设。
两种形式的主梁在制造、架设等方面难度相当且施工风险在可控范围内，均可满足工期要求。
4.3 桥面运营安全及舒适性
钢桁梁方案的下层省道行车受上层桥面限制，行车稍感压抑，驾驶员视野受限且行车时明暗变化明显，舒适性略差；
由于日照条件较差，下层车道易积冰和积雪，影响行车安全。
钢-混组合梁方案的主梁为敞口断面，驾驶员视野开阔，但同一平面车道较多，桥面行车时驾驶员视觉上会有不适感。
4.4 后期养护
钢桁梁结构外露面积大，外观检查更易达到，但养护工作量大且费用较高。在钢-混组合梁方案中，常规的养护设备即可满足桥梁日常养护要求，钢结构养护工作量小。
4.5 景观效果
钢桁梁结构高度较高，杆件虽多但整齐划一，景观效果整体性较好，视觉冲击感更强。钢-混组合梁外观简洁、造型流畅。
4.6 对引桥结构的影响
双层桥面引桥桥墩采用门式框架墩，结构和施工相对复杂，但影响范围较小。下层桥面引桥由于曲线半径较小，主梁采用现浇结构，部分墩高超过30 m，施工风险较大。
单层桥面引桥分幅建设，主梁可采用预制结构，施工相对简单。
4.7 用地范围
在主桥用地比选方面，钢桁梁方案较钢-混组合梁方案可减少用地约9 500 m2。
在引桥方面，钢桁梁下层桥面由引桥开始分离主桥向地方道路展线，展线难度较大，线形较差，且路线长度较长；
钢-混组合梁方案的地方道路可与引桥并行一段距离后，在更合适的位置向地方道路展线，线形条件较优，且展线距离较短，可节省占地约 11 000 m2。综合比较，在本项目中钢桁梁方案用地较优；
地方道路建设项目中，钢-混组合梁方案用地更为节省。
4.8 工程造价
单层方案主梁采用钢-混组合梁，钢主梁截面为双工字钢形式并采用混凝土桥面板。双层方案主梁采用钢桁梁，桥面为正交异性钢桥面板与主桁结合。在主梁钢材用量上，单层方案较双层方案减少约27%。在斜拉索材料用量上，单层方案较双层方案增加3%。两方案的索塔材料用量基本相同。在桥墩及基础的材料用量上，单层方案较双层方案增加约14%。对比表明，双层方案主梁用钢量大，主跨480 m钢桁梁斜拉桥的经济性一般，单层方案则表现出良好的经济性。
4.9 综合比较
两种方案在结构受力、施工难度、技术可行性方面相差不大。单层方案为减小对高速公路的影响及避免两侧接线的交织，可将地方道路布置在高速公路的一侧，实现地方道路车辆通行的快进快出。双层桥面方案可利用地形高差，将地方道路顺接至主桥下层，高速公路与地方道路分层布置，功能明确，地方道路对上层高速公路影响较小。双层方案在空间利用率、功能分区、景观效果上更具优势，但其经济性较差；
单层方案在后期养护、钢材用量、工程造价等方面优势明显。在本项目中，推荐将单层方案作为最终实施方案。
斜拉桥主梁设计是斜拉桥设计的关键，且本项目涉及宜来高速公路和省道242渔洋关绕城段公路的桥梁合建，主桥横断面布置应综合考虑主桥、引桥、接线的设置以及后期营运安全，工程牵涉面广、制约因素多。本研究通过有限元分析软件对两种桥面布置形式进行计算分析，研究单层布置与双层布置主梁结构的受力特点。在综合比选后，给出更适合本项目的单层桥面布置方案。
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