丹江口二桥主桥设计方案构思
2010-06-10
在预可和工可阶段对跨丹江水库桥位进行了充分研究，选定了大桥桥址，位于大坝上游7.3公里处，桥位处上下游约长3.5公里区段为肖河谷地段，距丹江口市城区约6公里余。在初测阶段，考虑本桥跨越的丹江水库的水深太大，为避免水下工程施工困难，选择了两条水面距离较小的桥轴线（桥轴Ⅰ和桥轴Ⅱ）进行了同等深度的比较。综合比较这两个桥轴线后，认为虽然水面宽度最小的桥轴线（桥轴Ⅰ），主墩深水基础可适当减小，但接线工程量较大，路线长度较长，且主跨跨径并不能减小；而另一水面距离稍长的桥轴线（桥轴Ⅱ），接线顺直，工程量小，接线长度短。综合比较这两个桥轴线后，桥轴Ⅱ优势更为突出，故选定桥轴Ⅱ为初步设计桥轴线。
一、桥梁选型
本桥桥型的选择是全面贯彻“适用、经济、安全、美观” 的方针，重视环境保护，充分结合桥位实际。丹江口二桥的桥型选择具有明显的地域特点：
1、本桥位处于丹江水库库区，水库由于“南水北调”二期工程的实施，坝前最高蓄水位将至170.0m（吴淞高程），加上通航净空要求及桥上纵坡等因素的影响，桥面中心设计标高将不低于180.0m（黄海高程），结合两岸地形，确定了桥梁建设规模不小于500.0 m。
2、基于丹郧公路的走向，丹江口二桥必须跨越丹江水库。本桥位位于库区内最窄处，此处水面宽在枯水位时约为300.0m，水深最大达40.0m，若不能一跨跨越，将有深水基础施工。
3、丹江口市地貌单元属低山—丘陵区，桥位区岩石裸露，两岸为岩质山坡，按坡高属中边坡，坡度值为陡坡地形。根据工程地质测绘及钻探、物探资料，桥位区除水下有第四系（厚0～1.0m）覆盖层以及东岸分布在深度12.0m或23.0m左右处有软弱夹层外，其余岩石强度均较高，为极硬岩。因此，这对水下基础的施工以及施工平台的搭设，均造成相当难度。
4、该项目地处贫困库区，建设资金十分有限，部分资金还需地方自筹。故跨越能力大的悬索桥等桥型受到限制。
5、本桥位位于丹江口水库大坝上游，而丹江水利枢纽又是国家重点水利枢纽工程，该桥的建设能为水库增添一景。
鉴于上述建桥特点，在初步设计初期，曾设计了一跨过江的主跨为320.0m的中承式拱桥、主跨为240.0m的连续刚构桥和主跨为300.0的双塔斜拉桥方案，经过专家多方研究，考虑到本项目资金有限，地方技术资源较缺乏，本桥位主桥不宜选择跨越能力大、技术含量高、投资相对较高的桥型。同时，由于两岸地势陡峻，岩石坚硬，水中斜坡上钻孔、下放钢围堰及搭设平台均较岩质平地困难，为尽量降低下部构造施工难度，适宜在水中选择较平坦地段设置桥墩，以确定跨越航道的桥型方案。根据通航要求以及水文的影响，综合目前国内桥梁设计施工的技术能力，在本桥位处提出了三个桥型方案进行比选，桥跨布置分别如下：
方案一：88.0m+150.0m+150.0m+88.0m预应力混凝土连续梁桥；
方案二：2×30.0m+82.0m+150.0m+82.0m+4×30.0m预应力混凝土连续刚构桥；
方案三：119.9m+300.0m+119.9m预应力混凝土斜拉桥。
二、方案设计
1、主跨150.0m预应力混凝土连续梁桥
（1）总体布置
此方案上部构造由四跨一联预应力混凝土变截面连续箱梁组成。桥跨布置为88.0m+150.0m+150.0m+88.0m，桥梁全长486.0m，桥面纵坡为1%，横坡为1.5%。
（2）上部构造
上构箱梁为单箱单室截面，箱梁顶板宽12.0m，底板宽7m。在各墩与箱梁相接的根部断面梁高为8.0m（梁高均以裸梁外边缘顶面至箱梁底面的竖直距离计），在各跨跨中和边跨现浇梁段梁高均为3.3m，其间梁底下缘按圆曲线变化，圆曲线半径为501.526m。箱梁顶板厚30cm，腹板厚40～70cm，底板上缘按圆曲线变化，半径为608.169m，厚度为32～115cm。为提高边跨端部抗剪能力，端部现浇段部分腹板及底板均变厚，端支点腹板厚60cm，底板厚50cm。
箱梁在各墩支点及桥端支点处设置横隔板。墩支点处横隔板厚120cm；端支点处横隔板厚70cm，横隔板与箱梁连接处均设有承托。
（3）下部结构
由于墩身较高，主桥桥墩采用钢筋混凝土薄壁结构；主墩上承台厚2.0m，下承台厚3m。从本桥位的地质和水文来看，桥墩处水深较大，岩石坚硬，为保证基础施工的可靠、难度较小，将承台设计为高桩承台；承台底标高为140.0m，在正常年景下，此承台施工时水头差在8m左右，根据结构计算，此高桩承台在施工和设计上均是可行的。考虑到桩基自由长度较长，桩基施工困难，为保证连续梁整体的稳定性，中主墩基础采用了两种方案，方案A为9Φ2.0m钻孔灌注桩，方案B为4Φ3.0m钻孔灌注桩。
（4）桥面系
桥面全宽12.5m，其中行车道9m，两侧人行道各1.5m，人行道栏杆各0.25m。桥面铺装采用10cm厚水泥混凝土找平层和7cm厚沥青砼。为了避免丹江口二桥上发生事故时车辆直接掉入水库，桥面设相对行车道抬高27cm的人行道和铸铁栏杆，人行道横坡为1%。
（5）伸缩缝、支座
全桥共设两道伸缩缝，分别位于箱梁与桥台相接处，为SSFB320型伸缩缝。
主2号墩顶设置GPZ50000GD支座，其余各主墩均设置GPZ50000DX支座，箱梁边跨与桥台相接处设置GPZ10000DX支座。
2、主跨150.0m预应力混凝土连续刚构桥
（1）总体布置
主桥上部构造由三跨一联预应力混凝土变截面连续箱梁和30mT梁组成。桥跨布置为2×30.0m+82.0m+150.0m+82.0m+4×30.0m，桥梁全长510.0m，桥面纵坡为1%，横坡为1.5%。
（2）上部构造
主桥箱梁为单箱单室截面，箱梁顶板宽12.0m，底板宽7m。在各墩与箱梁相接的根部断面梁高为8.0m（梁高均以裸梁外边缘顶面至箱梁底面的竖直距离计），在各跨跨中和边跨现浇梁段梁高均为3.3m，其间梁底下缘按圆曲线变化，圆曲线半径为501.526m。箱梁顶板厚30cm，腹板厚40～70cm，底板上缘按圆曲线变化，半径为611.308m，厚度为30～115cm。为提高边跨端部抗剪能力，端部现浇段部分腹板及底板均变厚，端支点腹板厚70cm，底板厚50cm。
箱梁在0号块及桥端支点处设置横隔板。0号块共有4块横隔板，厚度均为70 cm；端支点处横隔板厚80cm，横隔板与箱梁连接处均设有承托。
引桥为结构连续的30m预应力混凝土T型梁桥，梁高2.0m。
（3）下部结构
主墩采用钢筋混凝土双薄壁墩结构，单薄壁厚2.5m，双壁中距8.5m，上承台厚2.0m，下承台厚4m。从本桥位的地质和水文来看，桥墩处水深较大，岩石坚硬，要保证基础施工的可靠、难度较小，将承台设计为高桩承台；承台底标高为140.0m，在正常年景下，此承台施工时水头差在8m左右，根据结构计算，此高桩承台在施工和设计上均是可行的。基础采用Φ2.0m钻孔灌注桩；交接墩采用钢筋混凝土薄壁结构，为高桩承台，基础采用Φ1.5m钻孔灌注桩。
引桥桥墩为钢筋砼双柱式桥墩，基础根据地质条件采用天然地基扩大基础。
（4）桥面系
桥面全宽12.5m，其中行车道9m，两侧人行道各1.5m，人行道栏杆各0.25m。桥面铺装采用10cm厚水泥混凝土找平层和7cm厚沥青砼。为了避免丹江口二桥上发生事故时车辆直接掉入水库，桥面设相对行车道抬高27cm的人行道和铸铁栏杆，人行道横坡为1%。
（5）伸缩缝、支座
全桥共设四道伸缩缝，主桥与引桥交接处采用SSFB320型伸缩缝，引桥与桥台相接处采用为SSFB80型伸缩缝。
全桥支座仅位于桥台处，采用GPZ10000DX支座。
3、主跨300.0m预应力混凝土斜拉桥
（1）总体布置
桥型布置为119.9+300+119.9m，全桥长550.3m，为双塔双索面预应力混凝土漂浮体系。总体桥型布置时,考虑到斜拉桥边跨与主跨的比例关系及总的桥长，将主跨定为300m，这样左索塔的基础不可避免的置于最低水位以下。将郧县侧索塔基础设为高桩承台，在水中搭支架现浇承台砼，避免了水中钢围堰的施工。
桥梁标高及纵坡的确定：桥位处最高通航水位168.229m（黄海高程），航道等级为Ⅳ级航道，桥面标高处于179m已能满足通航要求，但桥位处郧县侧坡度较陡，丹江侧坡度较缓，郧县侧接线依山而行，为了减少整个接线的土石方开挖量，0号桥台处桥面设计标高不能低于地面标高太多，因而将跨中标高定为184.0m，两侧设对称的坡度为1%的双向纵坡，两侧桥台处设计标高182.65m，变坡点处于两岸梁端。
（2）主梁结构
采用构造简单、施工方便的预应力钢筋混凝土边主梁结构，边主梁顶面全宽15.5m，底面全宽17.0m，顶面设1.5%的双向横坡，边肋高2.0m，梁中部高2.165m,顶板厚32cm。主梁标准节段长度8.0m，边跨靠端头部分节段长度5.1m，跨中合拢段3.0m，索塔横梁处支架现浇块长度12.5m，主梁单侧边肋底面宽度一般为1.9m，在梁端边肋底宽还有3m、4m、5m 、6m及实心全断面五种类型。每节段主梁均设有一道预应力横隔板，横隔板厚30cm。
（3）索塔及斜拉索
索塔结构横桥向为H型，顺桥向为独柱型，索塔柱外形尺寸3.5×6.5m，为空心箱形断面。从塔座顶面至塔顶，高度为104m。考虑到桥梁跨径不大，为尽量减小施工难度，将斜拉索设为平面索。索塔设上下两道横梁。塔下设高3.5m的塔座和高6m的实心承台，每一承台下设12根φ2.5m的桩基。
全桥共设74对斜拉索（包括塔下两对0号索），采用热挤聚乙烯高强度平行钢丝，钢丝直径7mm,标准抗拉强度1670Mpa。拉索型号选用PES7-91、PES7-121、PES7-139、PES7-163四种。拉索安全系数≥2.5。
（4）桥台
0号桥台因桥面较低，采用简易重力式桥台，省去了台身，而且施工更为简单。3号桥台台身高6.8m，采用重力式U型桥台，配扩大基础。台后填无膨胀透水性土。
（5）桥面系
桥面全宽16.5m，其中行车道9m，两侧人行道各2.0m，人行道栏杆各0.25m，锚索区各1.5m。桥面铺装采用10cm厚40号防水混凝土，为了避免丹江口二桥上发生事故时车辆直接掉入水库，桥面设相对行车道抬高27cm的人行道和铸铁栏杆，人行道横坡为1%。
（6）伸缩缝及支座
在主梁两端与桥台之间，设置位移量为200mm的伸缩缝，每侧桥台上设置抗拉压力均为2000KN 的球形钢拉压支座各两个。
三、方案比选
通过桥型方案比较，这三个方案在技术上均是可行的，但从施工难度、结构的合理性、工期，以及对造价、实用性等方面综合考虑，认为，“主跨150.0m预应力砼连续梁桥”的水中基础少，下构施工工序较连续刚构桥方案简单，工期较短，风险性较小；且全桥结构单一，较连续刚构桥方案节省造价；同时，考虑到桩基施工钻机及钢护筒的大小等因素，认为采用9Φ2.0m钻孔灌注桩较4Φ3.0m钻孔灌注桩施工简单，故推荐桩基为Φ2.0m钻孔灌注桩，“主跨150.0m预应力砼连续梁桥”作为本桥的建设方案。经技术、经济综合比选，省计委批复采用（88+150+150+88）m预应力混凝土连续梁桥作为实施方案。
