金湖大橋初步TRANBBS設計中幾個重大TRANBBS技術問題的研究
陸曉錦
【江蘇省TRANBBS交通科學研究所 南京 210017】
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(jīng)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(jīng)此流入長江，屬季節(jié)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(jīng)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(jié)，河床穩(wěn)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(xiàn)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(qū)域應引起足夠的重視，屬最危險區(qū)。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(xiàn)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(jīng)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(qū)域流速達?1.3～1.5m/s?，影響范圍沿橋長約500m左右。第三個區(qū)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(qū)。
由此可知：①須分三個區(qū)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(xù)結構，因水深超過4m，推薦采用斜拉桁架連續(xù)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(qū)域是東偏泓區(qū)，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(qū)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(shù)是單寬流量qc，該區(qū)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(jù)《公路橋位勘測設計規(guī)范》在主流深泓線上不宜布設橋墩的規(guī)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(xù)梁是適宜的(見圖1)。
第Ⅱ區(qū)域，可稱為漫水公路區(qū)域(橋與漫水路交叉區(qū))，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(qū)域為其余1420m的橋跨區(qū)，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(qū)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(qū)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(nèi)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(guī)范”的規(guī)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(shù)，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(shù)，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(shù)。?
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(shù)；?
B1—橋墩計算寬度；?
IC—粘性土液性指數(shù)；?
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(shù)；?
d—河床泥沙平均粒徑。?
區(qū)域計算結果見表1。
單位：m 表1
區(qū)域
沖刷 Ⅰ區(qū)
(東偏泓) Ⅱ區(qū)
(漫水路) Ⅲ區(qū)
(西偏泓) Ⅲ區(qū)
(其它)
一般沖
刷深度 3.35 2.89 1.97 1.23
局部沖
刷深度 0.67 0.49 0.53 0.36
總沖刷
深度
4.02 3.38 2.50 1.59
安全值 1.50 1.50 1.50 1.50
合計 5.52 4.88 4.00 3.09
總體設計中樁底高程的確定，實際是樁長的確定。它由兩部分組成：一部分是表1中的合計長度，即總沖刷+安全值(正常情況可為零)；第二部分是承載力所需的長度。?
總體設計中橋高的確定，實際是梁底高程的確定，在排洪河流上，梁底高程=設計洪水位(300年一遇)+雍水高度+1/2浪高+安全值。由于受上游三河閘控制，漂浮物高度可以不計。
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TRANBBS施工困難，壓縮河床斷面，提高流速，加大沖刷深度。
?新的結構(見圖2)是單排樁系梁上移與蓋梁合拼，形成一個整體。其優(yōu)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(shù)量，降低工程造價，節(jié)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(shù)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(jié)約投資500萬元。
3 空心板與普通T梁的經(jīng)濟選擇
20mT梁和20m空心板，常規(guī)都認為前者較后者經(jīng)濟。但經(jīng)過多次比較后發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(jié)省56.1%，更可以工廠化生產(chǎn)，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(yōu)。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。
表2
橋梁材料 空心板 T梁
上部 下部 合計 上部 下部 合計
混凝土(m3) 28108.65 20085.56 48194.21 15174 16806.37 31980.37
鋼筋 (t777.669) 1232.36 2010.029 3673.91 904.5 4578.4
鋼絞線(t) 680.725
4 結束語
(1)本文根據(jù)水文資料將金湖大橋設計劃分為三個區(qū)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(qū)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(jīng)濟性比較，為橋梁設計提供了比較經(jīng)濟的結構型式。
陸曉錦
【江蘇省TRANBBS交通科學研究所 南京 210017】
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(jīng)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(jīng)此流入長江，屬季節(jié)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(jīng)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(jié)，河床穩(wěn)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(xiàn)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(qū)域應引起足夠的重視，屬最危險區(qū)。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(xiàn)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(jīng)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(qū)域流速達?1.3～1.5m/s?，影響范圍沿橋長約500m左右。第三個區(qū)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(qū)。
由此可知：①須分三個區(qū)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(xù)結構，因水深超過4m，推薦采用斜拉桁架連續(xù)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(qū)域是東偏泓區(qū)，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(qū)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(shù)是單寬流量qc，該區(qū)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(jù)《公路橋位勘測設計規(guī)范》在主流深泓線上不宜布設橋墩的規(guī)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(xù)梁是適宜的(見圖1)。
第Ⅱ區(qū)域，可稱為漫水公路區(qū)域(橋與漫水路交叉區(qū))，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(qū)域為其余1420m的橋跨區(qū)，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(qū)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(qū)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(nèi)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(guī)范”的規(guī)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(shù)，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(shù)，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(shù)。?
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(shù)；?
B1—橋墩計算寬度；?
IC—粘性土液性指數(shù)；?
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(shù)；?
d—河床泥沙平均粒徑。?
區(qū)域計算結果見表1。
單位：m 表1
區(qū)域
沖刷 Ⅰ區(qū)
(東偏泓) Ⅱ區(qū)
(漫水路) Ⅲ區(qū)
(西偏泓) Ⅲ區(qū)
(其它)
一般沖
刷深度 3.35 2.89 1.97 1.23
局部沖
刷深度 0.67 0.49 0.53 0.36
總沖刷
深度
4.02 3.38 2.50 1.59
安全值 1.50 1.50 1.50 1.50
合計 5.52 4.88 4.00 3.09
總體設計中樁底高程的確定，實際是樁長的確定。它由兩部分組成：一部分是表1中的合計長度，即總沖刷+安全值(正常情況可為零)；第二部分是承載力所需的長度。?
總體設計中橋高的確定，實際是梁底高程的確定，在排洪河流上，梁底高程=設計洪水位(300年一遇)+雍水高度+1/2浪高+安全值。由于受上游三河閘控制，漂浮物高度可以不計。
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TRANBBS施工困難，壓縮河床斷面，提高流速，加大沖刷深度。
?新的結構(見圖2)是單排樁系梁上移與蓋梁合拼，形成一個整體。其優(yōu)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(shù)量，降低工程造價，節(jié)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(shù)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(jié)約投資500萬元。
3 空心板與普通T梁的經(jīng)濟選擇
20mT梁和20m空心板，常規(guī)都認為前者較后者經(jīng)濟。但經(jīng)過多次比較后發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(jié)省56.1%，更可以工廠化生產(chǎn)，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(yōu)。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。
表2
橋梁材料 空心板 T梁
上部 下部 合計 上部 下部 合計
混凝土(m3) 28108.65 20085.56 48194.21 15174 16806.37 31980.37
鋼筋 (t777.669) 1232.36 2010.029 3673.91 904.5 4578.4
鋼絞線(t) 680.725
4 結束語
(1)本文根據(jù)水文資料將金湖大橋設計劃分為三個區(qū)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(qū)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(jīng)濟性比較，為橋梁設計提供了比較經(jīng)濟的結構型式。
