岳口汉江特大桥项目（关庙汉江大桥扩能改造方案研究）

赖波 张沧海 汪晶 于振刚中交第一公路勘察设计研究院有限公司

摘 要：关庙汉江大桥位于安康市汉滨区，是207省道跨越汉江的一座大跨径连续刚构桥。大桥原设计荷载标准低，桥梁存在诸多先天缺陷，部分桥跨强度和刚度不满足设计要求，管养单位对其进行了张拉体外预应力、粘贴钢板等主被动措施加固。由于城市快速扩张，需对其进行扩能改造。结合桥梁先天设计缺陷、已实施加固处治方案和承载能力验算分析，确定原桥不拆除、不提载的改造原则，根据两侧拼宽和旁位重建两种改造思路，考虑泄洪、通航以及城市桥梁较高的景观要求，提出了多个桥型方案供比选。

关键词：连续刚构桥;加固处治;扩能改造;桥型方案研究;

1 研究背景

关庙汉江大桥位于安康市汉滨区，是207省道跨越汉江的一座大跨径连续刚构桥。桥梁全长为587.74 m, 跨径组合为(7×30 m)(引桥) (50 m 3×90 m 50 m)(主桥),桥梁全宽为12.5m, 双向两车道。原设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100级。大桥于2000年6月建成通车。

主桥上部结构采用50 m 3×90 m 50 m预应力混凝土连续刚构；下部结构采用双薄壁墩，钻孔桩基础。引桥上部结构采用7×30 m先简支后连续装配式预应力混凝土连续箱梁；下部采用双柱式墩，钻孔桩基础。

为缓解安康市中心城区交通压力，促进沿线旅游资源开发，带动安康市经济快速发展，完善和加快陕西省及安康市“十三五”干线公路网建设，根据《安康市城市总体规划(2017～2035)纲要》,需对关庙汉江大桥所处207省道进行扩能改造。改造道路等级为城市主干道，双向六车道设计。

2 历年检测及加固情况

大桥建成后，主桥出现了诸多影响结构安全性和耐久性的病害，随即进行了加固处治，桥梁病害发展得以控制和延缓。历年检测及加固情况如下。

(1)根据2006年4月桥梁定期检查报告和2006年8月桥梁特殊检查报告，主桥主要病害如下：

①部分桥跨强度、刚度不满足设计要求；

②箱内顶板出现不同程度的纵向开裂；

③中跨箱内腹板出现与顶板呈30°～45°夹角的斜向裂缝，且部分斜向裂缝内外贯通；

④各跨底板出现不同程度的开裂，中跨合龙段箱外底板存在超限横向、纵向裂缝。

(2)根据2008年2月桥梁加固施工图，主桥主要加固措施如下：

①张拉体外预应力钢束；

②跨中箱内底板、腹板黏贴碳纤维布；

③内、外侧腹板和跨中底板粘贴钢板。

原桥主桥支点截面顶板通过钢束为40束9ϕj15.24,跨中截面底板通过钢束为26束9ϕj15.24。本次加固，在支点截面靠近顶板位置新增12束15ϕj15.24体外预应力钢束，增加约50%;在跨中截面靠近底板位置新增12束15ϕj15.24体外预应力钢束，增加约77%。

(3)根据2015年～2017年陕西省国省干线桥梁隧道定期检查结果，主桥主要病害为：

①主桥中跨跨中存在下挠，其中第11跨右侧桥面跨中下挠值最大，2015年所测弦弧差为7.29 cm, 2016年弦弧差为7.49 cm, 2017年弦弧差为8.10 cm;

②主桥箱梁箱内顶板、腹板，箱外底板、翼缘板纵向裂缝少量增加；

③箱内、箱外腹板斜向裂缝少量增加，增加的裂缝较细微。

根据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011),该桥2015年～2017年总体技术状况评定均为2类。其中，2017年主桥上部承重构件评分为62.84分，桥梁部件技术状况评定为3类。

3 桥梁现状分析3.1结构尺寸偏小，桥梁刚度先天不足

近年来，在连续刚构桥设计时，主梁跨中梁高一般取主跨跨径的1/40～1/50,支点梁高一般取主跨跨径的1/16～1/18。本桥跨中梁高1.4 m, 为主跨跨径的1/64;支点梁高4.4 m, 为主跨跨径的1/20.5,梁高取值明显偏小，桥梁整体刚度较弱，主跨跨中容易产生下挠。

主桥箱梁为单箱单室截面，如图1所示。腹板厚度仅为0.3 m, 且从墩顶到跨中不变；底板厚度从支点处的0.5 m变化至跨中的0.25 m; 顶板厚0.2 m, 在同类型结构中，尺寸明显较小，桥梁刚度不足。同时，核查原桥设计图纸可知，主桥箱梁普通钢筋布置间距较大，影响结构的抗裂性。

图1 主桥箱梁典型横断面

本桥未设置腹板下弯束，对主梁下挠的抑制效果较差。

3.2荷载标准低，提载难度大

原桥设计荷载标准低，为汽车-20级，挂车-100级。本次扩能改造道路等级为城市主干道，根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)表10.0.3的规定，扩能改造荷载标准应取城-A级，因此荷载标准差距较大。原桥已于2008年对主桥上部主梁进行了加固，加固设计荷载标准为原桥设计荷载标准，加固措施包括张拉体外预应力、粘贴钢板和碳纤维布等，加固范围遍布箱梁内外，缺少二次加固提载空间，如图2～图5所示。

图2 主桥箱内体外预应力钢束

图3 主桥箱外底板粘贴钢板

图4 主桥箱梁合龙段粘贴碳纤维布

图5 主桥箱内腹板粘贴钢板

3.3结构耐久性无法保证

大桥在2000年～2007年间出现了诸多病害，严重影响结构的安全性和耐久性。虽经历过系统的加固处治，但由于桥梁先天缺陷较多，部分病害并未得到彻底根治，如主梁跨中下挠仍在继续，部分裂缝仍在开展，结构损伤对桥梁耐久性的影响无法根本消除。

4 桥梁验算结果

根据交通运输部《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)6.0.10节的规定，在桥涵改扩建时，对于直接利用的原有桥涵，应进行检测评估并满足原设计荷载标准要求，二、三、四级公路提高等级时其极限承载能力应满足或采取加固措施后满足现行标准的要求；拼接加宽利用的原有桥涵，应进行检测评估并满足原设计荷载标准要求，且其极限承载能力应满足或采取加固措施后满足现行标准的要求。本桥原设计荷载标准为汽车-20级，挂车-100级，功能转变为城市主干道后桥梁设计汽车荷载等级为城-A级。因此，对本桥的扩能改造时，除应验算原设计荷载标准外，其极限承载能力还应满足或采取加固措施后满足新荷载标准要求。

本桥原设计荷载标准较低，且已经历过一次系统的加固。加固荷载标准为汽车-20级，挂车-100级，加固方法包含主动的预应力和被动的粘贴加固，加固范围遍布箱梁内外腹板、顶底板，缺少二次加固提载的空间。按照《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)10.0.3条规定，城市主干道桥梁荷载标准采用城-A级；当作为小型车专用道路时，设计汽车荷载采用城-B级车道荷载的效应乘以0.6的折减系数，车辆荷载的效应乘以0.5的折减系数。本桥还可考虑作为公交车专用通道，采用12 m纯电动公交车作为标准车辆。考虑到本桥无法进行二次加固提载，因此其极限承载能力难以满足城-A级荷载标准要求。

本次主桥整体静力验算内容包括：(1)原桥原荷载标准验算；(2)加固后原荷载标准验算；(3)作为城市主干道荷载标准验算；(4)作为小型车专用道路荷载标准验算；(5)作为公交专用道荷载标准验算(12 m纯电动公交车车队)。

本次选择12 m纯电动公交车作为标准车辆，其主要技术参数见表1。

模拟公交车车队如图6所示。

表1 纯电动公交车主要技术参数

项目	技术参数
总长/mm	≤12 000
总宽/mm	≤2 550
总高/mm	≤3 300(含空调)(托辊样机按3 200设计)
轴距/mm	5 900左右
前悬/mm	2 600左右
后悬/mm	≤3 500
最大载客量/人	额定≥70
整车允许总质量/kg	额定≤18 000
前轴允许负荷/kg	≤6 500
后轴允许负荷/kg	≤11 500
整车整备质量/kg	≤13 500

图6 模拟公交车车队示意

4.1原桥原荷载标准验算结果

(1)承载能力极限状态下，主桥原桥10号～12号截面抗弯，次边支点、中支点截面抗剪承载能力不满足原设计规范要求。

(2)最不利荷载组合下，主桥原桥主拉应力为2.97 MPa, 不满足原设计规范0.9Rlb=2.7 MPa的限值要求。

4.2加固后原荷载标准验算结果

(1)承载能力极限状态下，主桥加固后各控制截面抗弯承载能力、抗剪承载能力均满足原设计规范要求。

(2)最不利荷载组合下，主桥加固后各控制截面正应力、主应力满足原设计规范要求。

4.3作为城市主干道荷载标准验算结果

(1)承载能力极限状态下，主桥中支点、10号～12号截面抗弯，次边支点、中支点截面抗剪承载能力不满足现行规范要求。

(2)主桥箱梁次边支点、中支点抗剪截面验算不满足现行规范要求。

(3)最不利荷载组合下，主桥最大法向压应力为16.73 MPa, 不满足现行规范0.5fck=16.2 MPa的限值要求；最大主拉应力为3.02 MPa, 不满足现行规范0.5ftk=1.325 MPa的限值要求。

4.4作为小型车专用道荷载标准验算结果

(1)承载能力极限状态下，主桥各控制截面抗弯承载能力、抗剪承载能力均满足现行规范要求。

(2)最不利荷载组合下，主桥主拉应力为2.55 MPa, 不满足现行规范0.5ftk=1.325 MPa的限值要求。

4.5作为公交专用道荷载标准验算结果

(1)承载能力极限状态下，主桥各控制截面抗弯承载能力、抗剪承载能力均满足原设计规范要求。

(2)最不利荷载组合下，主桥各控制截面正应力、主应力均满足原设计规范要求。

5 扩能改造思路

相对于现行规范体系、大桥实际使用现状及扩能改造的目标，关庙汉江大桥主桥原桥结构尺寸偏小，配筋、配束偏弱，桥梁刚度先天不足。大桥已经历过一次系统的加固，缺少二次加固提载的基础和空间。加固后，部分病害并未得到彻底根治，结构耐久性无法保证，原管养单位已对本桥进行限载。由目前的验算结果可知，本桥在无法进行二次加固提载的情况下，其极限承载能力不满足城-A级荷载标准要求，其安全性难以保证。与本桥同一时期修建的大跨径连续刚构桥，由于先天缺陷较多，均出现了诸多影响结构安全性和耐久性的病害。目前，这批桥梁大都已进入维修加固期，少数桥梁已进入拆除重建期。本桥目前是两岸唯一的过江通道，拆除原桥不仅会中断两岸交通，其造成的社会影响也较大。因此，本次扩能改造的原则是原桥不拆除、不提载，对其进行限载利用，改造的总体思路如下。

(1)两侧拼宽。

在原桥两侧各新建一幅新桥，新桥不宜与原桥上、下部结构相连，避免出现新旧桥梁结构受力、变形和沉降不协调等问题。原桥不加固提载，维持原荷载标准不变，常规修补后作为小型车专用道路使用。

(2)旁位重建。

大桥于2000年建成通车，运营仅19年，其现状下承载能力不满足扩能改造后的荷载标准要求，使用功能受限，景观效果欠佳。即便仅从耐久性考虑，运营维护也需要一定持续投入。因此结合207省道扩能改造工程，旁位重建新桥；原桥近期作为公交车专用道或小型车专用道，远期视桥梁病害发展状况，择机对其进行拆除。

6 桥梁设计原则

新关庙汉江大桥在设计中应突出展现安康旅游城市、宜居小城的城市魅力和精神面貌，总体设计遵循以下原则。

(1)设计方案应符合安康中心城市总体规划和区域片区规划要求，同时满足通航和泄洪要求。

(2)本桥作为安康市汉江上的又一座城市桥梁，应符合“一桥一景”的要求，力争将其建设成安康市的新地标。

(3)充分考虑207省道的保通需求，采用新材料、新工艺，确保桥梁快速建成。

(4)安康是南水北调中线工程的核心水源区，承担着“一江清水供北京”的使命和责任。桥梁方案应重视环境保护，尽量减少或避免对汉江水质造成影响，践行绿色交通，完成《交通运输节能环保“十三五”发展规划》目标，推进绿色桥梁建设。

7 桥型控制因素7.1地标建筑需求

作为城市的标志性建筑，要起到为城市增色的效果，桥型方案应尽量避免与既有桥梁雷同。本桥建成后将作为安康中心城市沟通江南片区、江北片区、城东新区的重要通道，成为继七里沟汉江大桥、汉江大桥和东坝汉江大桥后，安康又一壮美桥梁。

7.2防洪要求

汉江是长江的一级支流，也是陕南地区的主要河流。黄洋河是汉江的一级支流。本桥位于黄洋河入汉江汇合口下游约700 m位置，原桥设计洪水频率为1/100,设计流量Q1/100=32 300 m3·s-1,设计洪水位H1/100=253.4 m, 通航水位H1/10=238.2 m。本次扩能改造方案的设计洪水位可参照原桥设计洪水位。

7.3通航要求

汉江安康～白河段航道标准为内河Ⅳ-(3)级航道。根据中华人民共和国国家标准《内河通航标准》(GB 50139-2014),原桥为主跨90 m连续刚构桥，桥下净宽为86.3 m, 满足Ⅳ-(3)级航道单向通航净宽要求。

7.4桥位地质条件

根据原桥地质钻孔资料可知，桥址范围内河床表层0～9 m为亚黏土、粉砂，其下为卵砾石、云母石英片岩，基岩抗压强度为13～17 MPa, 地质条件相对较好，基本上所有桥型均适用。

8 桥型方案初步比选

根据本项目的技术特点以及较高的桥梁景观要求，结合原桥结构现状和建设条件，对桥型方案进行了以下的初步比选。

8.1钢桁架连续梁桥

钢桁梁桥由桁架杆件组成。整体上看，钢桁梁桥以受弯和受剪为主，但每根桁架杆件具体则主要承受轴向力。与实腹梁相比，钢桁梁是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，从而节省钢材和减轻结构自重；同时，腹杆钢材用量比实腹梁的腹板有所减少，因此钢桁梁可做成较大高度，具有较大的刚度及更大的跨越能力。另一方面，钢桁梁杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。由于本桥型作为安康主城区缺少的桥型之一，对丰富安康市区桥梁类型具有重要意义，因此本桥型方案可选择两侧拼宽方案。

8.2独塔斜拉桥

斜拉桥的桥面建筑高度较小，桥梁的跨越能力较大，便于悬臂施工，跨径适应性较强，且造型美观，在200～500 m跨径范围内具有竞争力。根据本桥的桥梁规模，采用双塔或多塔斜拉桥时，主跨跨径不在斜拉桥的经济跨径范围。因此，可考虑采用独塔斜拉桥。

在河床地形、地质条件比较均匀一致时，独塔斜拉桥与双塔斜拉桥相比，具有下列优点：独塔斜拉桥可以省掉一个基础，便于抢出洪水期，可采用转体施工；在总体布置上，可设较长的无索区，使拉索用量减少；活载挠度较小，最大挠度发生在拉索区内，对受力有利，而双塔斜拉桥最大挠度发生在无索区，会形成拉弯曲；在收缩徐变以及温度梯度的影响下，无论是梁的挠度和塔顶的水平变位，独塔斜拉桥均较小；独塔斜拉桥塔梁墩固结时，梁可采用变高，更适合斜拉桥的受力；便于与T构配合，形成组合体系，以进一步扩大跨径。在安康主城区河段的既有桥梁之中，缺少大跨度斜拉桥，因此，本桥型可作为旁位重建方案之一。

8.3自锚式悬索桥

悬索桥分为地锚式和自锚式两种类型。自锚式悬索桥结构造型美观，经济性能较好，对地形和地质状况适应性强，是城市桥梁100～400 m跨径内极具竞争力的桥梁方案。自锚式悬索桥不同于一般的地锚式悬索桥，它不需要庞大的锚碇，而是直接把主缆锚固在桥面板或加劲梁的两端，由它们来承担主缆的水平分力；端部支撑只需要承担主缆的竖向分力，这就给不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决方法。自锚式悬索桥采用“先梁后缆”的施工顺序，需要大量的大型临时设施，造价高，工期长。但自锚式悬索桥保留了传统悬索桥的外形，线形轻巧美观。由于自锚式悬索桥是安康主城区另一种缺少的桥型，因此本桥型也可作为旁位重建方案之一。

9 桥型设计方案

钢桁架连续梁桥、独塔斜拉桥和自锚式悬索桥等桥型方案均适用于本桥，其中钢桁架连续梁桥可作为两侧拼宽方案的选择桥型，独塔斜拉桥和自锚式悬索桥作为旁位重建方案的选择桥型。

9.1方案一：主跨90 m变高钢桁架连续梁桥(两侧拼宽)9.1.1方案构思

在老桥两侧各新建一幅新桥。老桥桥面改造后仅满足双向两车道小车通行即可，其余机动车、非机动车和行人利用新桥通行。

9.1.2新桥方案

主桥为主跨90 m变高钢桁架连续梁桥，跨径组成为50 m 3×90 m 50 m, 桥梁全长587.96 m, 如图7、图8所示。

图7 方案一桥型总体布置立面

9.1.3旧桥方案

拆除桥面铺装、人行道及栏杆，在两侧新建混凝土防撞护栏，重新铺设沥青混凝土桥面铺装；老桥不加固提载，维持原设计荷载不变；对老桥结构出现的病害进行常规修补，提高其耐久性。老桥改造完成后，仅作为小车道通行，新桥和老桥上下部不相连。

图8 方案一桥型总体布置断面

9.1.4效果图

方案一的效果图如图9、图10所示。

图9 方案一效果图(日景)

图10 方案一效果图(夜景)

9.2方案二：主跨270 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥(旁位重建)9.2.1总体桥跨布置

主桥为主跨270 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径组成为50 m 150 m 270 m, 如图11所示。

上部主梁采用双边主肋π形预应力混凝土主梁；索塔采用钢筋混凝土索塔，下接承台及群桩基础。

9.2.2主塔方案构思

安康的汉字拼音为AN’KANG。本方案索塔造型取自于安康二字拼音的首字母A和K,高耸的桥塔如同巨大的A和K字母，屹立于安康东大门之上，提醒着远道而来的客人：安康到了，安康欢迎您!

9.2.3效果图

方案二的效果图如图12、图13所示。

9.3方案三：主跨160 m三塔双索面自锚式悬索桥(旁位重建)9.3.1总体桥跨布置

主桥为主跨160 m三塔双索面自锚式悬索桥，跨径组成为75 m 160 m 160 m 75 m, 如图14所示。

上部采用钢主梁，双箱单室结构，由纵梁、横梁和正交异性桥面板组成。主缆由3跨组成，采用有限位移体系。索塔采用钢筋混凝土索塔，下接承台及群桩基础。

9.3.2主塔方案构思

奠安塔位于本桥桥址附近，建于1917年。塔分7层，高约30 m, 面西而立，在第一层正对市区的一孔石门上方嵌有青石镌刻的“奠安塔”楷书匾额。塔名取“长安永康，奠定宏基”之意，据说建此塔是为了镇安康地气，配金州风物。

图1 1 方案二桥型总体布置立面

图1 2 方案二效果图（日景）

图1 3 方案二效果图（夜景）

图1 4 方案三桥型总体布置立面

本方案索塔造型取材自奠安塔，古朴典雅，历史沉淀和现代气息交融共存，寓意安州安泰康宁。

9.3.3效果图

方案三的效果图如图15、图16所示。

10 桥型方案比选

经综合比选确定：方案一(两侧拼宽)利用了原桥，其耐久性无法保证，且后续运营维护也需要一定持续投入，因此首先排除方案一；方案二(旁位重建)相对于方案三(旁位重建),具有跨度大，有利于通航和泄洪，对周围环境和地形适应性较好的优势，且施工方便，造价适中，因此拟将方案二作为推荐方案。

图15 方案三效果图(日景)

图16 方案三效果图(夜景)

11 结语

本桥原桥存在的结构尺寸偏小、桥梁刚度不足、钢筋配置不合理等设计缺陷具有鲜明的时代特征，其设计理念已逐渐被摒弃。原桥运营几年便出现了跨中下挠、主梁开裂等影响结构安全性和耐久性的病害，在经历一次系统性的主、被动加固后，桥梁的使用性能得到了一定改善。随着地方经济的发展，原桥的设计荷载、通行能力均已经不能满足未来交通发展需要，需对其进行扩能改造。结合本桥已实施的加固处治方案、承载能力验算结论以及城市桥梁较高的景观需求，本研究提出了多个扩能改造方案供比选。本研究工作也为同类型项目提供了设计思路，可供业内人士参考。

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