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金湖大橋初步設計中幾個重大技術問題的研究

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  摘 要:金湖大橋位于金湖縣城的淮河入江水道,水文復雜,下部結構設計難度大。本文針對初步設計中必須解決的水文計算、合理的基礎設計和經濟橋型等重大技術問題進行了探討和研究,并提出了具體的實施方案。

  關鍵詞:橋梁 設計 技術 研究

    金湖大橋位于金湖縣城的淮河入江水道,治理淮河時,將原三河改造南泄高郵湖,整個淮河流域16萬km2的洪水經此流入長江,屬季節性行洪河道。鹽金國防公路穿過此處進入太行山脈,該河是我省除長江以外的第二大水系,設計流量15000m3/s,主河槽寬3100m,是典型的排洪河流。改造后的水流在橋址處,幾乎與大堤成80°交角,因此水文復雜,下部結構設計難度大,初步設計必須解決水文計算、合理的基礎設計以及經濟橋型等重大技術問題。

  1、復雜的水文計算

  我省水系有兩類河流,一是渠化河流,主要是通航和灌溉,它受上下水閘的嚴格控制和調節,河床穩定,水流緩慢,水位變化小,特別是兩岸已有永久性加固河堤,故而這類河流的橋長不直接取決于流量的大小,橋高與水位的關系也不大,滿足通航凈空即可,基礎的深度則略去沖刷的影響,設計時一般不作水文計算;另一類是泄洪河流,特別是瞬時洪峰流量大、速度快、沖刷嚴重,橋梁的長度、高度、基礎的深度等均由水文條件決定。金湖大橋淮河入江水道正是后者,水文計算是總體設計中的關鍵。

 由橋址處15000m3/s流量時的速度等高線分布圖可以看出,入江水道東堤是洪峰的迎峰面,洪峰撞擊東大堤后,折向西大堤,東堤下的東偏泓水流紊亂,流速等高線密集,水頭落差大,流速變化快,渦流現象十分顯著。最大流速達1.8m/s,而上下游不遠處流速不足1.0m/s,顯然該區域應引起足夠的重視,屬最危險區。

  橋跨必須加大,必須避免由于橋梁跨度不足而進一步增大流速的現象。由東偏泓向西,大橋與漫水路斜交35°左右,該路與東偏泓水閘都高于河底,從而提高了上游的水位,增加了水深(用于灌溉),因而洪峰經過時,提高了落差,增大了流速,故漫水公路下游的沖刷就不可忽視,該區域流速達1.3~1.5m/s,影響范圍沿橋長約500m左右。第三個區域是西大堤段,洪峰流速已降低至1.0~1.2m/s,屬正常水流區。由此可知:

  ①須分三個區域分別計算流量、流速與沖刷;

  ②主河槽橋跨的布置可設計為40+3×70+40m為連續結構,因水深超過4m,推薦采用斜拉桁架連續梁;

  ③在不壓縮過水斷面的前提下,單跨以30m較好,這樣主河槽的橋長約3150m.第Ⅰ區域是東偏泓區,長約480m,過水面積3011m2,最大流速1.75m/s,平均流速1.54m/s,設計最高洪峰時,通過區域的流量為4643m3/s,橋長僅占全橋的15.6%,而流量卻占總流量的31%.

  也就是說,東偏泓1/6.5的橋長,須通過近1/3的流量。最能表達這一特性的水文參數是單寬流量qc,該區域的平均單寬流量高達9.67m3/s,與其相對應的單孔橋跨應在60~100m之間,本橋設計為70m跨徑,滿足要求。  根據《公路橋位勘測設計規范》在主流深泓線上不宜布設橋墩的規定,該段有兩條水深超過8.5m的深泓線(設計水位時),且相距199.1m,故主河槽必須布設三跨70m主跨,方能跨越該深泓線,因此主橋中的主跨布置為40+3×70+40m斜拉桁架連續梁是適宜的。

  第Ⅱ區域,可稱為漫水公路區域(橋與漫水路交叉區),這段橋長約1200m,最大流速1.5m/s,平均流速1.35m/s,流量7035m3/s,占總流量的46.9%,平均單寬流量為5.86m3/s,與其對應的單孔跨度20~40m,本橋采用30m預應力簡支T梁。

 第Ⅲ區域為其余1420m的橋跨區,流速1.165m3/s,流量3322m3/s,占全部流量的22.1%,平均單寬流量為2.34m3/s,與其相對應的單孔跨度約20m,為不壓縮水流,本橋仍用30mT梁,同Ⅱ區域。

  這樣,位于兩大堤之間的主橋即為2×20+89×30+40+3×70+40+3×20+3×10m,西大堤以外的引橋為9孔20m簡支預應力空心板,全橋總長3293.38m.橋梁基礎埋置深度的確定,須進行沖刷計算,由于三個區域的流速、跨度、下部結構均不同,故也應分別計算。沖刷計算有兩部分內容,一是一般沖刷,二是局部沖刷。我國常用的是鐵三院的推薦公式,地質鉆探資料表明,河床是粘性土,因此按“公路橋位勘測設計規范”的規定,一般沖刷公式為:式中:hp—為一般沖刷后的水深(沖止時的水深);hmax—橋下河槽最大水深(原始斷面);hc—橋下河槽平均水深(原始斷面);A—單寬流量集中系數,其中:B為平攤時河槽水面寬度,H為河槽平均水深;Q2—河槽部分通過的設計流量m3/s,最高洪水位時Q2=OP,QP=15000m3/s;μ—橋墩水流側向壓縮系數,μ=0.99;B′C—橋下河槽部分橋孔過水凈寬,m,IL—粘性土液性指數。局部沖刷公式為:hb=ξB10.6IC1.25V式中:hb—局部沖刷深度;Kξ—墩形系數;B1—橋墩計算寬度;IC—粘性土液性指數;V—一般沖刷后墩前行近流速。式中:E—與汛期含沙量有關的系數;d—河床泥沙平均粒徑。總體設計中樁底高程的確定,實際是樁長的確定。

  2、取消習慣的承臺結構

  上述計算表明,沖刷深度幾乎約占整個樁長的15%~20%,因此必須在下部結構設計時,盡可能減少沖刷的影響。由于水流與橋的縱軸線斜交12°左右,要克服這一影響勢必采用園形基礎和墩身,并避免系梁與承臺的使用。特別是后者,不僅工程量大、投資多,而且施工困難,壓縮河床斷面,提高流速,加大沖刷深度。

 新的結構是單排樁系梁上移與蓋梁合拼,形成一個整體。其優點為:

  ①受力明確,結構合理,新的蓋梁同時兼有承臺的剛度;

  ②施工方便,周期縮短;

  ③減少混凝土、鋼筋數量,降低工程造價,節省投資;

  ④不壓縮河床斷面,有利泄洪。

  由計算結果可知,采用新結構形式,可減少工程數量,縮短施工周期,降低工程造價,避免水中施工,僅此項就能節約投資500萬元。

  3、空心板與普通T梁的經濟選擇

  20mT梁和20m空心板,常規都認為前者較后者經濟。但經過多次比較后發現,結論完全相反,而且20m空心板梁高僅0.95m,較T梁低0.55m.采用20m空心板降低橋梁的建筑高度,在中小橋效果并不顯著,但對于特大橋梁來說節約工程量顯著。由表2可知,雖說空心板較T梁砼體積較大、又使用預應力筋,但是普通鋼筋將節省56.1%,更可以工廠化生產,定額低、效率高,橋型美觀。因此空心板較T梁總造價約低10%,本橋引橋的方案當選空心板更優。如果東接線采用分離式交叉時,對梁高的要求將較嚴,空心板就有更好的適應性。

  4、結束語

  (1)本文根據水文資料將金湖大橋設計劃分為三個區域,通過水文計算,得出的沖刷深度和模型試驗結果基本一致,說明區域的劃分及計算公式的選用是合理可行的。

  (2)橋梁下部采用的結構型式,為橋梁設計提供了可以利用的結構型式。

  (3)通過預應力空心板和普通T梁的經濟性比較,為橋梁設計提供了比較經濟的結構型式。

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