金湖大桥初步TRANBBS设计中几个重大TRANBBS技术问题的研究

陆晓锦

【江苏省TRANBBS交通科学研究所　南京　210017】

摘　要：金湖大桥位于金湖县城的淮河入江水道，水文复杂，下部结构设计难度大。本文针对初步设计中必须解决的水文计算、合理的基础设计和经济桥型等重大技术问题进行了探讨和研究，并提出了具体的实施方案。
关键词：桥梁　设计　技术　研究

　　金湖大桥位于金湖县城的淮河入江水道，治理淮河时，将原三河改造南泄高邮湖，整个淮河流域16万km2的洪水经此流入长江，属季节性行洪河道。盐金国防公路穿过此处进入太行山脉，该河是我省除长江以外的第二大水系，设计流量15000m3/s，主河槽宽3100m，是典型的排洪河流。改造后的水流在桥址处，几乎与大堤成80°交角，因此水文复杂，下部结构设计难度大，初步设计必须解决水文计算、合理的基础设计以及经济桥型等重大技术问题。

1　复杂的水文计算
　　我省水系有两类河流，一是渠化河流，主要是通航和灌溉，它受上下水闸的严格控制和调节，河床稳定，水流缓慢，水位变化小，特别是两岸已有永久性加固河堤，故而这类河流的桥长不直接取决于流量的大小，桥高与水位的关系也不大，满足通航净空即可，基础的深度则略去冲刷的影响，设计时一般不作水文计算；另一类是泄洪河流，特别是瞬时洪峰流量大、速度快、冲刷严重，桥梁的长度、高度、基础的深度等均由水文条件决定。金湖大桥淮河入江水道正是后者，水文计算是总体设计中的关键。
　?由桥址处15000m3/s流量时的速度等高线分布图可以看出，入江水道东堤是洪峰的迎峰面，洪峰撞击东大堤后，折向西大堤，东堤下的东偏泓水流紊乱，流速等高线密集，水头落差大，流速变化快，涡流现象十分显著。最大流速达1.8m/s，而上下游不远处流速不足1.0m/s，显然该区域应引起足够的重视，属最危险区。桥跨必须加大，必须避免由于桥梁跨度不足而进一步增大流速的现象。由东偏泓向西，大桥与漫水路斜交35°左右，该路与东偏泓水闸都高于河底，从而提高了上游的水位，增加了水深(用于灌溉)，因而洪峰经过时，提高了落差，增大了流速，故漫水公路下游的冲刷就不可忽视，该区域流速达?1.3～1.5m/s?，影响范围沿桥长约500m左右。第三个区域是西大堤段，洪峰流速已降低至1.0～1.2m/s，属正常水流区。
　　由此可知：①须分三个区域分别计算流量、流速与冲刷；②主河槽桥跨的布置可设计为40+3×70+40m为连续结构，因水深超过4m，推荐采用斜拉桁架连续梁；③在不压缩过水断面的前提下，单跨以30m较好，这样主河槽的桥长约3150m。?
　　第Ⅰ区域是东偏泓区，长约480m，过水面积3011m2，最大流速1.75m/s，平均流速1.54m/s，设计最高洪峰时，通过区域的流量为4643m3/s，桥长仅占全桥的15.6%，而流量却占总流量的31%。也就是说，东偏泓1/6.5的桥长，须通过近1/3的流量。最能表达这一特性的水文参数是单宽流量qc，该区域的平均单宽流量高达9.67m3/s，与其相对应的单孔桥跨应在60～100m之间，本桥设计为70m跨径，满足要求。
　　根据《公路桥位勘测设计规范》在主流深泓线上不宜布设桥墩的规定，该段有两条水深超过8.5m的深泓线(设计水位时)，且相距199.1m，故主河槽必须布设三跨70m主跨，方能跨越该深泓线，因此主桥中的主跨布置为40+3×70+40m斜拉桁架连续梁是适宜的(见图1)。

　　第Ⅱ区域，可称为漫水公路区域(桥与漫水路交叉区)，这段桥长约1200m，最大流速1.5m/s，平均流速1.35m/s，流量7035m3/s，占总流量的46.9%，平均单宽流量为5.86m3/s，与其对应的单孔跨度20～40m，本桥采用30m预应力简支T梁。?
　　第Ⅲ区域为其余1420m的桥跨区，流速1.165m3/s，流量3322m3/s，占全部流量的22.1%，平均单宽流量为2.34m3/s，与其相对应的单孔跨度约20m，为不压缩水流，本桥仍用30mT梁，同Ⅱ区域。?
　　这样，位于两大堤之间的主桥即为2×20+89×30+40+3×70+40+3×20+3×10m，西大堤以外的引桥为9孔20m简支预应力空心板，全桥总长3293.38m。?
　　桥梁基础埋置深度的确定，须进行冲刷计算，由于三个区域的流速、跨度、下部结构均不同，故也应分别计算。冲刷计算有两部分内容，一是一般冲刷，二是局部冲刷。我国常用的是铁三院的推荐公式，地质钻探资料表明，河床是粘性土，因此按“公路桥位勘测设计规范”的规定，一般冲刷公式为：

式中：hp—为一般冲刷后的水深(冲止时的水深)；
　　　hmax—桥下河槽最大水深(原始断面)；
　　　hc—桥下河槽平均水深(原始断面)；
　　　A—单宽流量集中系数，其中：B为平摊时河槽水面宽度，H为河槽平均水深；
　　　Q2—河槽部分通过的设计流量m3/s，最高洪水位时Q2=OP，QP=15000m3/s；
　　　μ—桥墩水流侧向压缩系数，μ=0.99；
　　　B′C—桥下河槽部分桥孔过水净宽，m；
　　　IL—粘性土液性指数。?
　　　局部冲刷公式为：
　　　　　　hb=ξB10.6IC1.25V
式中：hb—局部冲刷深度；?
　　　Kξ—墩形系数；?
　　　B1—桥墩计算宽度；?
　　　IC—粘性土液性指数；?
　　　V—一般冲刷后墩前行近流速。
　　　　　　　
式中：E—与汛期含沙量有关的系数；?
　　　d—河床泥沙平均粒径。?
　　区域计算结果见表1。

单位：m　　　　　　　　　　　表1

区域
冲刷 Ⅰ区
(东偏泓) Ⅱ区
(漫水路) Ⅲ区
(西偏泓) Ⅲ区
(其它) 
一般冲
刷深度 3.35 2.89 1.97 1.23 
局部冲
刷深度 0.67 0.49 0.53 0.36 
总冲刷
深度
4.02 3.38 2.50 1.59 
安全值 1.50 1.50 1.50 1.50 
合计 5.52 4.88 4.00 3.09 

　　总体设计中桩底高程的确定，实际是桩长的确定。它由两部分组成：一部分是表1中的合计长度，即总冲刷+安全值(正常情况可为零)；第二部分是承载力所需的长度。?
　　总体设计中桥高的确定，实际是梁底高程的确定，在排洪河流上，梁底高程=设计洪水位(300年一遇)+雍水高度+1/2浪高+安全值。由于受上游三河闸控制，漂浮物高度可以不计。

2　取消习惯的承台结构
　　上述计算表明，冲刷深度几乎约占整个桩长的15%～20%，因此必须在下部结构设计时，尽可能减少冲刷的影响。由于水流与桥的纵轴线斜交12°左右，要克服这一影响势必采用园形基础和墩身，并避免系梁与承台的使用。特别是后者，不仅工程量大、投资多，而且TRANBBS施工困难，压缩河床断面，提高流速，加大冲刷深度。
　?新的结构(见图2)是单排桩系梁上移与盖梁合拼，形成一个整体。其优点为：①受力明确，结构合理，新的盖梁同时兼有承台的刚度；②施工方便，周期缩短；③减少混凝土、钢筋数量，降低工程造价，节省投资；④不压缩河床断面，有利泄洪。?
　　由计算结果可知，采用新结构形式，可减少工程数量，缩短施工周期，降低工程造价，避免水中施工，仅此项就能节约投资500万元。

3　空心板与普通T梁的经济选择
　　20mT梁和20m空心板，常规都认为前者较后者经济。但经过多次比较后发现，结论完全相反，而且20m空心板梁高仅0.95m，较T梁低0.55m。采用20m空心板降低桥梁的建筑高度，在中小桥效果并不显著，但对于特大桥梁来说节约工程量显著。由表2可知，虽说空心板较T梁砼体积较大、又使用预应力筋，但是普通钢筋将节省56.1%，更可以工厂化生产，定额低、效率高，桥型美观。因此空心板较T梁总造价约低10%，本桥引桥的方案当选空心板更优。如果东接线采用分离式交叉时，对梁高的要求将较严，空心板就有更好的适应性。

表2

桥梁材料 空心板 T梁 
上部 下部 合计 上部 下部 合计 
混凝土(m3) 28108.65 20085.56 48194.21 15174 16806.37 31980.37 
钢筋 (t777.669) 1232.36 2010.029 3673.91 904.5 4578.4 
钢绞线(t) 680.725 　 　 　 　 　 

4　结束语
　　(1)本文根据水文资料将金湖大桥设计划分为三个区域，通过水文计算，得出的冲刷深度和模型试验结果基本一致，说明区域的划分及计算公式的选用是合理可行的。?
　　(2)桥梁下部采用的结构型式，为桥梁设计提供了可以利用的结构型式。?
　　(3)通过预应力空心板和普通T梁的经济性比较，为桥梁设计提供了比较经济的结构型式。