2020年度进展37: 桥梁设计技术（5）：国内桥梁——梁桥
PART-1 前言
梁桥是一种非常成熟的桥型，被大量应用在实际工程中，梁桥适用范围广，经济效益高。2020年，我国陆续建成了一大批优秀梁桥工程，见表1.1，同时，还有许多新的梁桥工程也在2021年相继上马。随着大量相关工程的建设，我国梁桥在技术创新和建造工艺等方面不断取得重大突破。这些在2020年建成或正在修建的梁桥推动着我国桥梁技术发展，使我国桥梁事业不断取得辉煌成就。
表1.1 2020年建成通车的主要梁桥一览表
本文将对其中部分具有代表性的桥梁进行简要介绍，主要内容为设计创新及施工过程中的重难点突破。
PART-2
连续刚构桥
2.1 甘溪特大桥[1]
甘溪特大桥坐落于贵州省黔南州贵定县境内，跨越甘溪自然保护区独木河水库，是贵黄高速上施工难度最大、风险等级最高的控制性工程。甘溪特大桥为空腹式预应力混凝土连续刚构桥，见图2.，空腹式刚构桥是在常规混凝土连续刚构桥的基础上，在墩、梁之间设置拱形斜腿，从而提高桥梁跨越能力，并具有景观效果。目桥国内已建成的同类型桥梁有2013年通车的水盘高速北盘江大桥，该桥主跨290 m。
图2.1 甘溪特大桥
图2.2 甘溪特大桥主桥立面布置
甘溪特大桥总长为1220 m，其中主桥共分三跨，主跨跨径为300 m，在同类型桥梁中为世界第一，主跨两侧均设置一跨边跨，边跨跨径为155 m，如图2.2所示。南北岸引桥均为简支变连续T梁，南引桥跨径布置为18×30 m，北引桥跨径布置为2×35 m。该桥为上、下行线双幅布置，净距3.5 m，单幅桥宽为10.25 m。单幅主梁为单箱单室预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C55。
甘溪特大桥主墩采用矩形双肢柔性薄壁空心墩，顺桥向厚4.5 m，横桥向宽6.25 m，双肢净距为7 m，19号柱墩高85 m，20号主墩高129 m。单个主墩基础为25根2.8 m嵌岩桩，19号墩桩长40 m，20号墩桩长50 m（部分桩基变更为55 m长）。主墩承台平面尺寸28 m×28 m，19号承台厚7 m，20号承台厚8 m。过渡墩采用空心薄壁墩，18号过渡墩高36 m，21号过渡墩高27 m。大桥上部结构采用空腹式刚构结构体系，空腹三角区总长120 m，下弦采用矩形空心截面，宽6.25 m，正截面高7.5 m。
作为一种新颖结构，空腹式刚构桥的工程经验有限，没有统一的设计标准，其核心工序为空腹三角区施工，施工具有以下难点。
（1）三角区施工产生的荷载效应会影响箱梁结构截面及配束设计，施工工序对成桥应力影响大，制约结构设计。
（2）下弦拱形箱梁悬浇施工难度大，施工需设置临时扣索辅助施工，工序复杂。
（3）上弦箱梁截面尺寸较小，内部永久预应力孔道布置较多，导致没有过多空间设置体内悬臂浇筑临时预应力束，因此上弦箱梁节段浇筑施工需借助外力支撑已浇与待浇箱梁节段，工艺复杂。
（4）结构体系特点决定了上、下弦箱梁施工需保持同步，直至交汇合并，才能进行后续标准梁段悬浇。上、下弦施工中结构受力互相关联，工序干扰大。
针对空腹刚构桥三角区结构特点，采用上弦设置活动立柱支顶配合挂篮悬浇、下弦设置扣索配合挂篮悬浇的施工方案。施工布置见图2.3。
图2.3 三角区施工布置
作为世界上首座主跨超过300 m的连续刚构桥，甘溪特大桥技术难度大。该桥桥址两岸地势陡峭、气候条件差和施工条件复杂，这给桥梁的设计和施工都带来了巨大挑战。在桥梁建设过程中，工程建设者们先后攻克了深山开便道、超大孔径群桩施工、承台大体积混凝土浇筑水热化等难题，并通过技术创新使得工程建设能够顺利进行，保证了工程质量。甘溪特大桥的创新主要包含微创新、工艺创新、视频监控系统和液压爬模系统四部分，其中微创新和工艺创新属于质量控制方面的创新，视频监控系统和液压爬模系统属于安全管理方面的创新。
（1）微创新：项目自制的墩身圆角网片加工器，通过“油顶 特制弧形面板”，实现网片由平面到曲面的制作，解决了墩身圆角曲面钢筋网片加工效率低，质量无法保证的难题。
（2）工艺创新：甘溪桥墩身系梁托架、下弦0号块三角托架设计为可周转利用的装配式托架；系梁托架预压采用反拉法，较传统的堆载预压节约工期10天/次。
（3）视频监控系统：主墩塔吊黑匣子通过接收、处理、存储采集传感器实时数据，实现塔机终端数据的远程传输。
（4）液压爬模系统：墩身施工采用液压爬模系统，具有重量轻、施工简单，安全性高等特点。
2.2. 红水河特大桥[2]
都巴高速主线红水河特大桥位于大化瑶族自治县县古河乡，是都巴高速的控制性工程之一，起点桩号K404 256.396，终止桩号K404 767.896，桥长511.5 m。全桥采用双幅分离式，主桥为单箱单室预应力混凝土连续刚构桥，见图2.4，其跨径布置为100 m 185 m 100 m，主桥两侧各有两跨和一跨引桥，每跨引桥的跨径为40 m，单幅桥宽为14.55 m，桥面全宽为29.6 m。
图2.4 红水河特大桥
红水河特大桥的箱梁腹板采用分段等厚规律变化，从梁端支点到跨中的厚度分别为1.2 m、0.9 m、0.7 m和0.5 m，按1.5次抛物线规律变化，红水河特大桥主桥中跨箱梁一般构造如图2.5所示。红水河大桥主梁截面高，节段荷载大，故选择菱形挂篮进行施工。挂篮结构主要由主桁架、横梁底托、悬吊吊杆、行走及锚固、模板（底模架、内外侧模）等系统组成。挂篮结构图如图2.6所示。
图2.5 红水河特大桥主桥中跨箱梁一般构造
图2.6 红水河特大桥挂篮1/2结构图
红水河特大桥的3号、4号墩基础和部分墩柱均位于水中，采用搭设栈桥及钢平台方式施工桩基，再利用钢平台和桩基钢护筒进行钢吊箱围堰施工。3号、4号的主墩承台为整体式。施工单位科学统筹，积极研讨施工方案，连续攻克大桥桩基钢护筒下放困难、水中施工环境复杂、承台混凝土方量大等难题。
2.3. 郁江河特大桥
郁江河特大桥坐落于重庆市彭水县连湖镇多家村喇叭寨，横跨郁江河，左线长577.6 m，右线长589.5 m，为三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥，主跨跨径布置为106 m 200 m 106 m，如图2.7所示。
图2.7 郁江河特大桥
郁江河特大桥是石黔高速的控制性工程之一，桥梁桥址处山高深谷，桥梁两端有近90度绝壁悬崖，作业空间极为狭窄，建设初期，为了方便施工，每天都有几十名工人悬吊在桥梁两端的绝壁上钻孔打眼，并在绝壁中炸出长达8公里的“悬崖便道”，沿便道做了近80000平方米、足有7个足球场大的生态边坡防护。
该桥拥有许多超长大孔径群桩，大体积承台，桥墩高，施工技术难度大，安全管控风险高。为了顺利推进桥梁建设，引入了大量的施工新技术。针对大桥设计的“箱型双肢薄壁空心墩”特点，引入整体性好、自重轻巧的“液压爬模”工艺。通过液压系统爬升，可一次性安装直到墩身完全成型，大大节省了作业空间，加快了大桥施工建设的有序推进。此外，桥梁建设中还引入和应用了BIM技术，对墩身、连续刚构钢筋等关键部位进行可视化模拟，实现了辅助审图、碰撞检查、工程量提取、三维技术交底等管理目标，为高效作业提供了有力支撑。
PART-3
连续钢桁架梁桥
3.1. 三官堂大桥[3]
宁波三官堂大桥是连接宁波高新区与镇海区的主要过江通道，南起高新区江南区，北接镇海区中官西路，桥梁横跨甬江和4条规划河道，如图3.1所示。大桥全长约3000 m，采用连续钢桁架桥体系，根据现场实际要求一跨过江，主桥跨径布置为160 m 465 m 160 m，如图3.2所示，三官大桥是世界上最大跨径的连续钢桁架桥。
图3.1 三官堂大桥
图3.2 三官堂大桥主桥立面布置
主桥包含两片主桁架，主桁为变高度、N形桁式，桁架各杆件之间采用全焊接形式。主跨跨中桁高为14.5 m，主桥边墩的墩顶桁架高度为15 m，主桥中间桥墩的墩顶桁架高度为42 m，主桁架的基本节间矩为15 m，两片主桁架的距离为45.9 m。主桁架的上弦杆、下弦杆和V腿均为矩形截面，主桁加竖腹杆采用箱型截面，包含标准竖腹杆和墩顶竖腹杆两种规格。主桁架均采用Q420qE材料。
三官堂大桥的桥面为正交异性钢桥面系，其普通节段包括主横梁、副横梁、纵梁和钢桥面板，均使用Q345qD钢材。主横梁采用矩形截面，顺桥向每隔15 m设置一道主横梁；副横梁采用工字形截面，每隔3.5 m设置一道；纵梁采用工字形截面，在横桥向共设置8根纵梁；桥面板采用正交异性钢桥面板，桥面板设置闭口U形加劲肋。
三官堂大桥施工过程中存在钢桁梁制造线形的确定、钢桁梁安装坐标调整、合龙施工和结构温度分析几个难点。为保证施工顺利进行，对制造预拱度进行了计算，合理选择在阴天或夜晚温度稳定的时段施工。使用角度法控制桥梁施工预拱度，按照制造线形角度确定节段梁的安装坐标。通过安装坐标推算成桥时合龙口高程，为确保主桥顺利合龙，对成桥线形采取相对坐标偏差和绝对高程偏差双向控制。同时，为减小焊接变形，全桥采用对称焊接，按照上、下弦腹杆→上、下弦顶底板→斜杆腹杆→斜杆顶底板→桥面系的焊接顺序。
三官堂大桥合龙接点多，主桁有4个合龙接点，斜撑有4个合龙接点。属全焊合龙，合龙接口会产生相互影响，合龙难度大，桥梁合龙采用温度配切法。在中跨合龙前，对钢桁梁安装进行了监控监测，以使安装线形得到控制。合龙时通过合龙口连续观测、设置临时锁定、确定合理吊装顺序以及合龙口多项调节措施，实现了大桥的精确合龙。大桥于2015年12月22日破土动工，2020年6月工程全部完工，2020年9月27日大桥正式开通。
3.2. 玉磨铁路元江特大桥
玉磨铁路元江特大桥也称玉磨铁路铁路元江双线特大桥，位于云南省元江哈尼族彝族傣族自治县境内，是玉磨铁路（中老铁路中国段）重点控制性工程。大桥跨越红河深切“V”字型峡谷，是红河上第一座铁路双线特大桥，该桥集高墩、大跨于一体。
元江特大桥全长832.2 m，主桥全长768 m，主桥采用上承式连续钢桁梁结构，如图3.3所示，总共56个节间段，以悬臂拼装的方式从桥梁两端向中部延伸，如图3.4所示，桥梁总重约为2.1万吨。桥梁主跨跨径为249 m，在同类型桥梁中居世界第一，主跨桁高由主墩墩顶的36 m渐变为跨中16 m。元江特大桥共设置6个桥墩，3号墩的高度为154 m，相当于54层楼高，大桥主墩采用钢混组合双柱式钢架墩。
图3.3 玉磨铁路元江特大桥
图3.4 元江特大桥钢桁梁悬臂拼装
玉磨铁路元江特大桥跨越V形高山峡谷，两侧自然岸坡超过70度，桥面到江面高差达237米，施工场地狭窄、交通不便。元江大桥所处位置属亚热带气候，夏季炎热多雨，最大峡谷风速超过40米/秒，桥址地处7度地震烈度区，桥墩墩底断层和滑坡体较多，地质破碎。高温、高地震烈度、大风和丰沛的降水，都给元江大桥顺利施工带来了巨大挑战。
为确保钢桁梁架设安全稳定，创造性提出“无缆索吊和吊索塔架辅助架梁方案”，使用两台架梁吊机由两侧边跨向主跨双向悬臂架设，钢梁在主跨跨中合龙，消除了吊索塔架和缆索吊施工面临的山体塌方等安全风险压力。大桥桥墩主墩采用钢混组合双柱式钢架墩，由两个钢筋混凝土薄壁空心墩间通过交叉式钢横联结构组成，在确保承重要求的前提下，有效减轻桥墩自重达30%，解决地质条件复杂的问题，为国内首创。针对元江特大桥，还同步开展了“抗震及减振”和“风-车-桥耦合动力分析及竖横向刚度”等多项重大科研攻关，攻克了艰难山区铁路超高墩大跨钢桁梁桥的抗震难题。
玉磨铁路元江特大桥于2017年6月份开始施工，2020年7月顺利合龙，是中老国际铁路的关键工程。玉磨铁路全线建成后，昆明到老挝万象有望实现夕发朝至，将有力推动中国与东南亚国家的经贸往来和旅游业发展，为“一带一路”建设作出贡献。
PART-4
连续梁桥
4.1. 金峰大桥[4]
金峰大桥坐落于福建漳州，见图4.1，它跨越九龙江的西溪（芗江）水道，将漳州市高新技术产业开发区和芗城区连接起来。大桥东北起金峰开发区金塘路向西南延伸至靖城新区廓前大道，总长1959 m，主桥长1227 m，桥面宽度为50 m。2017年4月28日，金峰大桥开始动工建造；2020年9月28日，金峰大桥通过交工验收；2021年2月，金峰大桥正式建成通车。
图4.1 金峰大桥
金峰大桥主要由五部分组成，分别为：主桥、南北引桥、南江滨互通匝道、北江滨互通匝道、连接线，其主桥大体呈西南至东北方向布置。金峰大桥采用“廊桥芗韵”设计方案，桥上修建的红色廊亭和楼阁十分引人注目，该设计将桥梁和闽南建筑中的红砖瓦和燕尾屋有机结合起来，充分展现了桥梁美学，使得大桥成为当地的一个标志性景观建筑。同时，在主墩上修建的两座望江阁上设置有展厅，两座望江阁在横桥向设置人行天桥将其相连，为了方便行人驻足休息，大桥两侧的人行道上修建了长廊和古亭。金峰大桥是我国迄今为止跨径最大且长度最长的景观廊桥。
4.2. 海子湖特大桥[6]
海子湖特大桥位于荆州市纪南文旅区，大桥南起楚都大道与凤凰大道交叉路口，北抵庙湖北岸邵家咀，跨越引江济汉河渠和海子湖，该桥由中铁七局四公司承建。如图4.2，桥长1434 m，宽34 m，双向六车道，设计时速50公里，其桥跨布置为65 m 123 m 156 m 123 m 90 m×10 55 m，与荆沙地方铁路平行向北。海子湖特大桥是一座仿古景观大桥，在桥侧一共建有4座仿古建筑，均以楚汉古建筑为蓝本设计建造。这4座仿古建筑均为实木结构，为凸显荆州本土特色，设计者还在仿古建筑的顶端设置了荆州地标性图腾“金凤腾飞”。待大桥建成后，行人可由这4座仿古建筑上桥，步行至桥对岸。海子湖是湖北省第三大湖泊，海子湖特大桥作为一座景观桥，对生态要求非常高。
图4.2 海子湖特大桥
海子湖特大桥是世界最长连续梁桥，也是国内首例双幅15跨连续梁景观桥，此类跨度和长度的桥梁基本没有成熟的工程实例，施工中有较大质量风险及安全风险，为有效降低施工风险，楚都大道跨海子湖特大桥施工时一次性投入18套挂篮，总重量达6000吨以上，其中最长跨度达156 m。同时，由于全桥单联共有15个合龙段，为确保超长联箱梁的内力和变形的最优性，各方专家多次会议研究合拢顺序、合拢工艺及合拢时间等，突破性提出跨海子湖特大桥8步合拢的工艺思路，确保整联1434 m箱梁内力和变形在理论上可行，施工上可控。
结语
2020年国内先后建成了多做梁桥，其在结构形式、施工工艺等方面各具特色，值得借鉴。通过结构或构造的改进优化，使混凝土连续刚构桥的跨度有所突破，如甘溪特大桥和郁江河特大桥。无论是公路桥还是铁路桥，大跨钢桁梁桥的跨度均有大幅提升，如三官堂大桥和玉磨铁路元江特大桥。对传统的、常规的混凝土连续梁桥，在结合当地历史人文因素开展桥梁美化方面，也做了有益的尝试，如金峰桥和海子湖大桥。
作者简介
李亚东，男，博士，教授，博士生导师。兼任中国钢结构协会桥梁钢结构协会副理事长，中国铁道学会工程分会桥梁专业委员会副主任委员，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事，《桥梁》杂志编委会副主任委员，《桥梁建设》和《世界桥梁》期刊编委。主编《桥梁工程概论》、《土木工程专业英语》和《亚东桥话》，副主编《桥梁漫笔》（第二版）、《铁路桥梁施工》和《焊接钢桥的疲劳应力》，参编《中国铁路桥梁（1980-2020）》、《大贝耳特海峡东桥》等，主审《铁路桥梁造型指南：德国铁路桥梁的设计理念》，是《中国铁道大百科全书（工程工务卷）》和第三版《中国大百科全书（土木卷）》桥梁分支条目的主要撰稿人。主持和参与国家及省部级科研课题10余项，承担过南京长江二桥、重庆菜园坝大桥、武汉杨泗港大桥、大瑞铁路怒江大桥、常泰长江大桥等20余座特大桥梁的科研和技术服务工作。
主要研究方向：现代桥式，钢桥焊接残余应力，山区桥梁防灾减灾，桥梁工程史，桥梁美学。
Email: yadongli2009@qq.com。
庄卫林，男，教授。中国公路学会桥梁和结构工程分会常务理事、全国交通工程设施（公路）标准化技术委员会委员、北京茅以升科技教育基金会桥梁委员会委员等。2019年5月以前主要从事公路桥梁勘察设计工作，2019年5月调入西南交通大学工作。研究方向为桥梁的防灾减灾及桥梁技术的工程应用。曾获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖11项，二等奖7项，国家专利19项。享受国务院政府特殊津贴，四川省学术及技术带头人、四川省工程设计大师、全国公路优秀科技工作者、全国交通运输行业优秀科技人员、全国“年度十大桥梁人物”。