金湖大桥初步设计中几个重大技术问题的研究

　　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。
　　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。总体设计中桩底高程的确定，实际是桩长的确定。
　　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，而且施工困难，压缩河床断面，提高流速，加大冲刷深度。
　?新的结构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。
　　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。