孙平凡
（中科路恒工程设计有限公司，山西 太原 030032）
山西省内某国道于1995年建成通车，按照二级专用公路标准建设，其中项目起点至漳源镇段长35 km，设计速度40 km/h，路基宽度9 m，漳源至该项目终点段长 72.5 km，设计速度 80 km/h，路基宽度12 m，部分路段宽23 m和24.5 m。
为改善国道沿线的交通条件，充分发挥国道干线公路的功能，拟对该项目进行改扩建。改造技术标准采用具有干线功能部分控制出入的双向四车道一级公路标准，分起点至漳源镇、漳源镇至终点两段。其中：起点至漳源镇设计速度为60 km/h，整体式路基宽度24.5 m、分离式路基宽度2×12.0 m，漳源镇至终点设计速度为80 km/h，整体式路基宽度25.5 m、分离式路基宽度2×12.75 m；
汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，小桥、涵洞、通道与路基同宽。根据设计方案，项目路线方案基本沿既有国道旧路进行，其中K954+530—K954+100段，存在铁路、省道、国道、大型水库大坝平行排列，改扩建空间受限严重等问题。既有道路平面位置关系见图1。
图1 既有道路平面位置关系图
a）经过对该段道路现场踏勘、调研可知，采用常规拓宽方式主要存在以下问题：
（a）既有省道与拟改造国道并行，左侧无加宽空间。
（b）受水库大坝南侧高挡墙护岸影响，右侧拼接路基将破坏既有水库护岸基础。
（c）原路东西两侧现状紧邻某省道和大型水库及闸房，加宽桥梁墩柱基础将深入水库保护区范围。
b）结合现场调查情况及省道管理单位、水库管理单位意见及相关并行规程要求，提出以下设计原则：
（a）不侵占既有道路的建筑限界。
（b）加宽设计方案充分考虑场地大小及结构施工对周边闸房的影响。
（c）满足水库预留的防洪救援通道的通行要求。
（d）在技术可行前提下，选择经济性更佳的设计、施工方案。
根据上述设计原则，进行多方案比选研究，提出左路右桥方案通过该路段，即左幅利用既有国道旧路，右幅采用桥梁形式沿水库边缘行进。同时结合防洪批复意见，大桥中心桩号调整为右K954+819，采用（4×30+5×30+4×30+1×50+4×30）m，孔跨布置形式，右前夹角为90°。上部结构第1～3联、第5联、桥梁横断面由5片T梁组成，桥面横坡由盖梁横坡、T梁翼缘板预制横坡和桥面混凝土现浇层共同调整，横梁也相应倾斜。第14跨桥梁横断面由整体式单箱双室直腹板钢箱梁组成，桥面横坡由两侧腹板不等高和桥面混凝土现浇层共同调整，横梁也相应倾斜。该方案可大幅降低桥长，并解决了水库大坝南侧高挡墙无法拼接的问题，同时实现了对水库闸房段的一跨跨越，减少了对水库防洪救援道路的干扰，对水库的影响降到最低[1]。大桥的三维效果图见图2。
图2 大桥三维效果图
设计中同步采用如下环保设计措施。
a）桥梁设计时，采用桥面径流收集系统，将桥面水收集到两端桥台处理池内，不直接排入水库库区，不会对水库水质造成污染。
b）第14跨简支钢箱梁两侧均设置声屏障，可以有效减少运营期噪声对水库闸房及管理区的影响。
为减少对水库闸房及防洪救援通道通行的干扰，第14跨采用1×50 m简支钢箱梁进行跨越，构造物边线距闸房交通桥梁最近距离为9.5 m，钢箱梁桥下最低净高应不低于5.0 m，完全可以满足桥下通行要求。为避免对右侧护岸基础的影响，桥墩承台基础向左侧横向偏移，需要对盖梁的设计方案进行比选研究。水库闸房段桥墩相对位置关系见图3。
图3 水库闸房段桥墩相对位置关系图
4.1 设计方案一 对称大悬臂盖梁
4.1.1 设计方案
通过回缩桥墩横向尺寸，外伸悬臂盖梁避开了护岸基础墙趾。本方案盖梁长度为11.8 m，宽度为2.5 m，高度分别为2.2 m（大桩号侧）、2.7 m（小桩号侧），盖梁悬臂尺寸为4.4 m。桥墩及盖梁构造尺寸见图4。
图4 方案一盖梁构造尺寸图（单位：cm）
4.1.2 盖梁有限元分析
为计算分析该项目不对称盖梁的受力特性，采用杆系有限元软件模拟墩柱及盖梁，墩柱底进行固结模拟，分析模型共计节点数254，梁单元数为232，结构计算模型见图5所示。
图5 悬臂盖梁有限元模型
经计算分析，提取结构在不利组合下的荷载效应如表1所示。
表1 方案一结构验算结果表
由表1可知盖梁最大弯矩值为-29 812 kN·m，其控制截面为悬臂根部附近，结构设计截面抗弯效应值为-49 139 kN·m，安全系数富余度为1.6。最大剪力值为10 140 kN，最大效应发生在墩身交接处，结构设计斜截面抗剪效应为16 900 kN，安全系数富余度为1.7。结构正截面最大拉应力0.16 MPa，斜截面最大拉应力为 0.65 MPa，均满足规范限值 -1.86 MPa、-1.33 MPa的要求。正截面压应力、斜截面主压应力、短暂状况应力效应值分别为5.91 MPa、6.62 MPa、6.93 MPa，均满足规范限值 16.20 MPa、19.44 MPa、18.76 MPa 的要求[2]。
4.2 设计方案二 不对称悬臂盖梁
4.2.1 设计方案
通过横向扩展墩柱尺寸，横向移动承台及基础尺寸，采用不对称盖梁的设计方式[3]，避开了护岸基础墙趾。该方案偏心距为2.6 m，盖梁长度为11.8 m，宽度为2.5 m，高度分别为2.2 m（大桩号侧）、2.7 m（小桩号侧），两侧不对称悬臂为1.9 m、4.5 m。桥墩及盖梁构造尺寸见图6。
图6 方案二盖梁构造尺寸图（单位：cm）
4.2.2 盖梁有限元分析
利用Midas软件建立有限元杆系模型，考虑墩柱尺寸较大，同步模拟墩身及承台构造，并在承台底部进行固结处理。分析模型共计节点数234，梁单元数为213，结构计算模型见图7所示。
图7 墩台盖梁有限元模型
经计算分析，提取结构在不利组合下的荷载效应如表2所示。
表2 方案二结构验算结果表
由表2可知盖梁最大弯矩值为-23 473 kN·m，主要控制截面为右侧悬臂盖梁根部，结构设计截面抗弯效应值为-521 393 kN·m，安全系数富余度为2.2。最大剪力值为7 230 kN，最大效应发生在墩身交接处，结构设计斜截面抗剪效应为13 220 kN，安全系数富余度为1.8。结构正截面最大拉应力为0.52 MPa，斜截面最大拉应力为0.35 MPa，均满足规范限值-1.86 MPa、-1.33 MPa的要求。正截面压应力、斜截面主压应力、短暂状况应力效应值分别为6.78 MPa、6.88 MPa、7.36 MPa，均满足规范限值 16.20 MPa、19.44 MPa、18.76 MPa 的要求[3]。
4.3 方案对比
针对前述方案的特点，综合水库闸房及坝址处基础的安全距离要求，对上述两个方案进行对比如表3。
表3 方案比选表
由上述分析可知，两方案盖梁构造选择及配束形式均满足正截面抗弯、斜截面抗剪、抗裂、弹性强度验算的相关规定，并有一定的富裕度。但考虑到方案一墩身截面尺寸较小，抗剪及稳定性能较弱，且该项目为重载交通下国省干线改造，重载货车比例较大，对构造物稳定性要求高。综合考虑安全、适用等方面因素，选择方案二作为跨越水库闸房及躲避护岸基础墙趾方案。
针对山西省某国道改扩建工程中路线经过水库段的项目地形特点，研究了左右幅路基加宽的条件，最后提出了半桥半路的改扩建方案。同时考虑水库闸门的影响及水库大坝南侧高挡墙无法拼接的问题，采用1-50 m的钢箱梁方案，并采用不对称预应力混凝土悬臂盖梁和独柱墩大悬臂预应力混凝土盖梁的设计方案进行了比选研究，避免了对水库大坝南侧高挡墙地址的侵占，满足了桥梁所在区域内地面复杂交通功能的需求，节省了城镇空间区域。通过有限元验算可知，独柱墩大悬臂盖梁方案截面弯矩、剪力、拉应力效应较不对称悬臂盖梁方案大。综合考虑安全、适用等方面因素，选择不对称悬臂盖梁方案作为跨越水库闸房及躲避护岸基础墙趾方案，且验算可知盖梁的承载力及应力的验算指标，均满足受力要求，方案切实可行。通过对半桥半路的加宽设计方案及不对称预应力混凝土悬臂盖梁的设计技术研究，对于今后穿越同类狭窄地区高速公路及国省道改扩建工程设计具有较高的参考价值和借鉴意义。
