10作者简介:汪 宏(1963-),男,安徽省黄山市休宁县人,成绩优异高级工程师。
1985年毕业于同济大学结构工程系桥梁工程专业,2001年获东南大学交通运输领域工程硕士学位。
从事公路桥梁科研、设计工作20年,先后参加了交通部“七五”科技攻关项目高等级公路桥梁C AD项目、重庆李家沱长江大桥引桥设计及多条高速公路的设计、主持四川省交通厅科研项目“大跨径拱桥若干关键技术研究”课题,主持安庆公路长江大桥及忠县康家沱长江大桥的设计。
重庆忠县康家沱长江大桥总体设计汪 宏,李 军,奉龙成,伍 波,姚建军(重庆交通科研设计院,重庆市 400067)摘 要:介绍石忠高速公路忠县长江大桥的主要技术标准、桥型方案、桥跨布置及结构设计。
关键词:忠县长江大桥;总体;设计文章编号:1009-6477(2005)增-0039-07 中图分类号:U442 文献标识码:B1 工程概况石忠高速公路作为沪蓉国道主干线在重庆境内的支线,起点位于重庆市石柱县与湖北省利川市交界的分水岭,接沪蓉国道主干线湖北省恩施至利川段终点,经石柱县城并穿越方斗山脉、在忠县境跨越长江,然后接沪蓉国道主干线支线忠县～垫江高速公路起点。
忠县康家沱长江大桥为石忠高速公路控制性关键工程,该工程将制约全线的建设周期,对沪蓉国道主干线支线的全线贯通有着决定性的作用。
同时该桥位于三峡库区,三峡工程的进度也是影响本工程的重要因素。
(1)桥位忠县康家沱长江大桥位于忠县县城上游约8.0 km,距宜昌航道428.8km。
该桥东起康家沱,跨越马粪碛及长江主航道(目前),西至高粱背,处于河段上、下弯道的过渡段,桥位上游有1.5km长的顺直段,下游顺直段长达3.5km左右。
长江呈南北向穿流过桥位区,与桥轴线近直角相交。
桥位处,长江宽约1130m左右,水深17m左右,深泓线偏忠县岸。
桥位岸线稳定,江面宽阔,水流条件良好,符合桥位选址要求。
(2)水文桥位处于三峡工程的回水区,三峡水库蓄水位139m(吴淞高程)时,水位在136.77～138.18m变动。
三峡水库蓄水前最高洪水位149.28m(1981.7.18),蓄水后的2004年9月,洪水位为149.93m,对应流量为63000m3,相当于20%的洪水频率。
2003年6月三峡工程已成功实现围堰期蓄水发电,坝前水位目前按135m(枯水期)～139m(洪水期)运行,到2006年汛后,将实现初期蓄水发电,届时水库将按156m～135m～140m水位调度运行,到2009年9月三峡工程正常蓄水,届时水库按175 m～145m～155m水位调度运行。
长江在重庆市境内长680km,为长江干线上游段。
该段水面平均比降0.18‰,平均流速2m/s。
2003年7月18～20日对桥区河段进行了流速、流向等观测,资料表明主流线顺直,表面流量在1.2～2.1m/s之间,水面比降为0.64‰～0.109‰,桥轴线附近表面流速在1.5～1.7m/s之间。
2004年11月25日、30日测量主流表面流速分别为0.31m/s、0.46m/s。
数学模型计算成果表明,三峡坝前水位135m,当流量θ=63000m3/s(20%),流速在2.0m/s左右,最大流速2.28m/s,当流量θ=76700m3/s (5%),最大流速2.51m/s。
(3)气象桥位区属亚热带湿润季风气候区,多年平均气温为17.0℃～18.1℃,最高月平均气温36.7℃,公路交通技术 2005年7月增刊 T echnology of Highway and Transport Jul.2005 Supplement收稿日期:2005-05-最低月平均气温7.7℃,极端最高气温42.1℃,极端最低气温-4.4℃。
最冷月为1～2月,最热月为7～8月。
多年平均降雨量为1185.3mm～1275 mm,雨季降雨(5～8月)约为全年降雨量的40%。
(4)通航桥区河段系长江干线,航道等级为I-(2)。
大桥所在的三峡库区已实行船舶航行定线制,上水船舶从忠县岸侧通过,下水船舶从河中心偏忠县岸通过。
通行的最大船舶为5000t级干散货船,船队为由3000t驳船组成的双排双列1942K W+4×3000t 船队。
(5)地质桥位区位于忠县—丰都向斜南东翼近轴部地带,地质构造简单,未发现大的断层及次级褶曲。
岩层产状平缓,两侧桥位斜坡整体稳定,主要发育两组裂隙。
基岩主要为侏罗系上统蓬莱镇组(J3P)细砂岩夹粉砂质泥岩、泥质粉砂岩或互层岩组,松散层为第四系全新统冲积层漂卵石和残坡积层低液限粘土及更新统冲积层漂卵石。
主墩区弱风化细砂岩天然抗压强度为57～70 MPa;弱风化泥质粉砂岩天然抗压强度为31MPa;微风化细砂岩天然抗压强度为51～71MPa。
地震烈度按基本烈度Ⅵ度设计,按Ⅶ度设防,桥位区基岩水平峰值加速度0.1g。
2 主要技术指标(1)公路等级:4车道高速公路。
(2)设计车速:80km/h。
(3)桥面净空:4车道桥面标准宽度24.5m,中间设2.0m宽中央分隔带,两边各设0.5m防护栏。
除斜拉桥两边增设锚索区及检修道外,其余引桥均按标准宽度设计。
(4)主要荷载标准①汽车荷载:公路-I级②设计基准风速:25.0m/s③地震烈度:基本烈度Ⅵ度,按Ⅶ度设防④设计船舶撞击力过渡墩:横桥向撞击力20.46M N,纵桥向撞击力10.23M N。
主墩:横桥向撞击力27.65M N,纵桥向撞击力13.83M N。
⑤通航水位a.最高通航水位,采用重现期20年一遇的相应水位。
b.最低通航水位,按三峡坝前最低水位对应的桥区水位。
表1 设计洪水位及最高、最低通航水位(黄海高程:m)设计洪水水位(100年一遇)175.16最高通航水位(20年一遇)174.67最低通航水位(135水位)133.78最低通航水位(蓄水20年)143.78最低通航水位(蓄水50年)147.78 ⑥通航净空:最小净高18m,单孔双向航宽不小于370m,单孔单向通航不小于185m。
⑦河道通航等级:内河I-(2)级⑧桥面纵坡:0.3%(6)桥面横坡:2%3 桥型方案及桥跨布置根据桥位区水文、气象、地质、航运等建设条件,结合本桥的建设工期、施工条件、当地的经济发展水平等实际情况,初步设计阶段对多种桥型方案进行研究,排除了悬索桥、拱式体系、连续刚构方案,对主跨460m预应力混凝土双塔双索面斜拉桥、主跨410m预应力混凝土三塔双索面斜拉桥、主跨660m 钢箱梁双塔双索面斜拉桥、主跨570m迭合梁双塔双索面斜拉桥,共4种桥型方案进行同等深度的技术经济综合比较,主桥推荐采用主跨460m预应力混凝土双塔斜拉桥。
三峡工程的兴建使得桥位区河段成为库区,航道等级由原来的Ⅲ级提高为Ⅰ级,交通部对本桥初步设计的审查中非常重视船舶撞击问题,要求增加技术设计阶段,重点解决水中桥墩抗船舶撞击问题。
设计单位和同济大学土木工程防灾国家重点实验室联合对忠县康家沱长江大桥船舶撞击力进行专题研究,然后根据专题研究确定的船舶撞击力对主跨460m预应力混凝土双塔斜拉桥的主墩和过渡墩基础和墩身进行加强,加强后的主桥可以抵抗船舶巨大的撞击力而无需结构复杂、造价昂贵的防撞设施。
根据交通部对初步设计及技术设计的批复,本桥桥跨布置为:主桥:205m+460m+205m=870m (3跨预应力混凝土双塔双索面斜拉桥)主引桥:112m+200m+112m=424m (3跨预应力混凝土连续刚构桥)石柱岸引桥:3×35m+3×40m=225m (先简支后连续预应力混凝土T梁桥)04 公 路 交 通 技 术 2005年 忠县岸引桥:4×40m +2×5×30m +6×30m =640m (先简支后连续预应力混凝土T 梁桥)4 主桥结构设计(1)索塔及基础主10#、主11#墩基础为主塔基础,根据受力需要,一个基础设置19根直径为3.0m 的钻孔灌注桩,按嵌岩桩设计计算。
承台直径33m ,厚6m ,顶面高程在最低通航水位减船舶吃水以下。
10#主墩区水深17.5～18m ,覆盖层为卵(砾)石(Q4al +pl ),结构松散～密实,厚度3.0～5.3m ,下伏基岩为侏罗纪上统蓬莱镇组(J 3p )紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及细砂岩,基础采用双壁钢围堰施工。
11#主墩区水深19.6～24.5m ,覆盖层为第四系冲洪积粉细砂、卵(砾)石(Q4al +pl ),粉细砂层厚度2.4～5.9m ,河床最大高差4.95m ,下伏基岩为侏罗纪上统蓬莱镇组(J 3p )紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及细砂岩,基础采用双壁钢吊箱围堰施工。
塔整体为H 形钢筋混凝土空心结构,总高247.5m 。
承台以上至最高通航水位2m 以下(船舶可能撞击范围)采用带分水尖形式的单箱8室断面整体式墩身。
墩身高47.5m ,顺桥向宽17m ,壁厚100cm ;横桥向宽29m ,两侧设分水尖,分水尖截面为三角形,三角形高150cm ,与分水尖连在一起的墩壁厚110cm ;内壁厚平均为60cm ,上、下两端均设有200cm 长的梗肋;墩顶设4.5m 厚的实体段。
塔墩墩壁上均设有一定数量的直径为12cm 的通气孔,下塔柱为由8×12m 向上渐变至5×9.357m 的分离箱形断面,高69.5m 。
顺桥向壁厚200cm ,横桥向壁厚120cm 。
中塔柱为由5×9.357m 向上渐变至5×7m 的分离箱形断面,中塔柱高56m ,横桥向壁厚80cm ,顺桥向壁厚120cm 。
由于塔柱受力复杂,在下横梁处按实心段设计,在塔底等受力较大的区段设置倒角加厚段。
锚索区上塔柱为分离单箱单室多边形断面,每个断面为4.5×7m ,上塔柱高57.5m ,外侧墙横桥向厚80cm 、顺桥向厚120cm ,锚索墙厚120cm 。
锚固齿块包裹10mm 厚Q235-A142005年 增刊 汪 宏,等:重庆忠县康家沱长江大桥总体设计 钢板,包裹钢板在施工过程中可兼作内模用。
上塔柱顶面设6.0m高竖直向上的塔冠。
斜拉索通过锚固齿块锚固于上塔柱锚索墙内壁上。
为平衡斜拉索的水平分力,在上塔柱斜拉索锚固区配置了15-19规格环向预应力钢绞线束,钢束靠近塔侧的外壁布设,锚固在塔的侧壁。
由于环向预应力钢束曲率半径很小,设计要求环向预应力管道采用塑料波纹管成型并采用真空吸浆,以降低预应力束的摩阻损失,提高灌浆密实度,减少钢束的锈蚀。
为防止混凝土崩裂,弯曲钢束沿径向设置防劈钢筋。
索塔设2道横梁。
横梁顶面和底面与主塔连接处设有50×150cm倒角。
下横梁断面为6.0m (高)×9m(宽),竖向壁厚100cm、水平壁厚75cm。
下横梁为预应力混凝土结构,共设置了62束15-19钢绞线束。