【摘要】重庆凤来特大桥主桥为计算跨径580m的上承式钢桁拱桥。该桥设计过程中，选取主跨710m单跨悬索桥、主跨600m斜拉桥和计算跨径580m的上承式钢桁拱桥3个方案，从结构特点、施工技术和经济性3个方面进行分析比选。
由于计算跨径580m的上承式钢桁拱桥方案具有结构简洁、整体刚度大、对V形河谷地形适应性好、上部结构施工难度低和造价最低的优势，因此最终采用该桥型方案。
主拱拱轴线采用悬链线，计算矢高116m，计算矢跨比1/5，拱轴系数2.0，拱肋采用双片主桁，上、下游两榀主桁平行布置，横向中心间距20.2m；主桁上、下弦杆采用箱形截面，截面内宽1.8m，内高1.8m。
1 工程概况
重庆凤来特大桥连接重庆武隆平桥镇和凤来镇，是重庆武隆至两江新区高速公路(平桥至大顺段)关键控制性工程。桥梁上跨大溪河。
1.1 地形地貌
桥址区地貌属于构造剥蚀中山地貌单元中的河谷峡谷地貌，河谷呈相对对称的V形。桥位处沿线路纵向轴线地面高程分别为南岸+617.4m、北岸+609.3m、谷底+303.5m，南、北岸与谷底相对高差分别为313.9m、305.8m。
岸坡整体呈下陡上缓状，下部岸坡总体坡角为40°~45°。
桥址区有乡村水泥公路通过，幅宽约3.50m，路况较差，大型车辆及设备通行困难，桥梁施工需要新建较长的施工便道，交通不便利。
1.2 工程地质
桥址区出露地层岩性主要为第四系残坡积层（
）粉质黏土、第四系崩坡积层(
)碎石以及第四系冲洪积层（
）卵石，下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组（
）砂岩、泥岩。
1.3 气象水文
桥址位于武隆区，属亚热带湿润季风气候区，气温温和，雨量充沛，四季分明，霜雪稀少，无霜期长。春季回暖早，但冷空气活动频繁，常造成低温天气。雨季开始常有局地性冰雹，早春常有发生；初夏多连阴雨，盛夏多伏旱；秋季连阴雨突出；入冬后气温低，但日平均气温在零度以上，降雨显著减少。
大溪河为乌江一级支流，长江二级支流，不通航，不具备水运条件。
2 主要技术标准
(1)公路等级：高速公路。
(2)荷载等级：公路-Ⅰ级。
(3)设计速度：100km/h。
(4)桥面宽度：2×12.5m(双向4车道)。
(5)地震参数：地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，按Ⅶ度设防。
3 桥型方案比选
3.1桥型方案构思
桥位处主跨跨径的选择主要考虑地形地质条件、施工便利性以及建设规模等因素。结合路线的纵断面，得出主跨跨径分别为300，560，580，606，650，710m时，对应的墩身(下塔柱)高度分别为210，127，110，108，90，76m。
考虑施工便道和拟建桥位的墩身(下塔柱)高度，合理的主跨跨径应在550m以上。
结合国内外的建设经验和现有技术条件，主跨跨径550m以上可供选择的桥型有悬索桥、斜拉桥等缆索承重体系桥梁以及大跨度拱桥。
结合建设条件，经综合考虑，选取主跨710m单跨悬索桥、主跨600m斜拉桥和计算跨径580m拱桥3个方案进行比选。
3.2桥型方案概况
3.2.1主跨710m单跨悬索桥方案
该方案主桥采用主跨710m单跨简支钢桁梁悬索桥(图1)，主缆垂跨比1∶10；南引桥采用6×35m先简支后连续T梁桥，北引桥采用5×40m先简支后连续T梁桥，桥梁全长1136m。
图1 主跨710m单跨悬索桥方案
为方便山区运输，加劲梁采用钢桁梁，梁高7m，吊索标准间距13.1m。
桥面布置为：1.8m检修道+0.5m护栏+11.25m车行道+2m中央带+11.25m车行道+0.5m护栏+1.8m检修道，全宽29.1m。
桥塔采用钢筋混凝土门形塔,横梁为预应力空心薄壁结构，桥塔基础为承台群桩基础；两岸锚碇均为隧道式锚碇。
主缆采用PPWS法施工；钢桁梁杆件在工厂制造，陆运至桥下后，由跨中向两侧吊装至桥塔附近合龙；桥塔采用液压爬模法施工。
3.2.2 主跨600m 斜拉桥方案
该方案主桥采用(205+600+205)m 的双塔双索面混合梁斜拉桥(图2)，南引桥采用3×30m 先简支后连续T梁桥，桥梁全长1113.5m。
图2 主跨600m斜拉桥方案
主梁中跨采用双边工字钢组合梁，边跨采用预应力混凝土梁，梁高3.3m，钢-混结合面位于边跨距桥塔中心线66m处。
桥面布置为：1.75m检修道+0.5m护栏+11.25m车行道+2m中央带+11.25m车行道+0.5m护栏+1.75m检修道，全宽29m。
桥塔采用钢筋混凝土钻石形桥塔，由人字形上塔柱和Y形下塔柱组成，桥塔基础采用承台+群桩基础。
组合梁采用缆索吊装或桥面吊机吊装方案施工，主梁预应力混凝土梁采用满堂支架现浇施工；桥塔采用液压爬模法施工。
3.2.3 计算跨径580m拱桥方案
该方案主桥采用计算跨径580m的上承式钢桁拱桥(图3)，计算矢高116m，计算矢跨比1/5，拱轴线为悬链线，拱轴系数2.0；南引桥采用7×40m先简支后连续T梁桥，北引桥采用6×40m先简支后连续T梁桥，桥梁全长1131m。
图3 计算跨径580m拱桥方案
拱上主梁采用工字形钢板梁+预应力混凝土桥面板的组合梁，左、右分幅布置，单幅桥采用三主梁结构。
桥面布置为：0.5m护栏+11.25m车行道+2m中央带+11.25m车行道+0.5m护栏，全宽25.5m。该方案1/2拱上主梁标准横断面见图4。
图4 1/2拱上主梁标准横断面
采用斜拉扣挂、缆索吊装方案进行主拱节段、立柱单元以及主梁构件安装。
3.2 桥型方案对比
(1)结构特点
主跨710m单跨悬索桥方案除悬索桥普遍存在的问题(如正交异性板疲劳开裂、主缆长效防腐及除湿要求高、养护成本高等)外，为适应山区运输和吊装，加劲梁采用钢桁梁结构，用钢量大。
主跨600m斜拉桥方案武隆岸边跨位于曲线上，受力复杂，设计难度较大，桥塔下塔柱高，结构整体与环境协调性较适中。
计算跨径580m拱桥方案结构简洁，整体刚度大，桥型对V形河谷地形适应性好，避免了高耸塔墩复杂的设计与施工；上承式桥面宽度利用率高，主拱截面材料强度可以得到充分发挥，节省造价；建成后耐久性好，维护工作量相对较少。
(2)施工技术
主跨710m单跨悬索桥方案施工技术成熟，对建设场地要求高；对施工单位的要求中等；施工风险低。
主跨600m斜拉桥方案武隆岸边跨位于曲线上，施工难度较大，对建设场地要求高，对施工单位的要求比悬索桥稍高；施工风险中等。
计算跨径580m拱桥方案上部结构施工难度低，主拱圈的施工需要有经验的施工人员，施工风险主要在于施工单位的技术和经验。
(3)经济性
各方案的经济性比较见表1。
由表1可知：计算跨径580m拱桥方案是3个方案中造价最低的，全桥总造价比斜拉桥或悬索桥方案少约7000万元，同时该方案还节约了工期，最适应山区峡谷地形，符合科学发展的要求。
综合考虑结构特点、施工技术和经济性，推荐主桥采用计算跨径580m的上承式钢桁拱桥方案。
4 上承式钢桁拱桥设计
4.1 主拱
4.1.1 结构选型
对于国内外500m以上的拱桥，主拱结构形式主要有以下4种：
(1)钢桁拱。构件尺寸小，用钢量中等，适宜山区运输安装；现场可实现无焊接施工，架设方法灵活，有利于控制质量和快速化绿色建造。但其制造精度要求高，厚板对焊接工艺要求高，杆件数量大，连接节点多。
(2)劲性骨架混凝土拱。成桥结构刚度大，可充分发挥混凝土的承压性能；运营期便于管养，维护费用低。但大量使用现浇混凝土不环保，支架及模板高空作业多，现场施工繁琐，建设工期长。
(3)钢管混凝土拱。具有较高的承载和变形能力；施工过程无需模板，施工便利；用钢量较少。但钢管混凝土收缩徐变、密实度控制及主管与支管的刚度匹配等问题使其施工要求高；钢管焊接节点疲劳问题突出，焊接质量不容易控制，焊缝检测难度大；若用在上承式拱桥中，拱上立柱与主拱连接不便。
(4)钢箱拱。采用空心薄壁箱形结构，能充分利用材料；结构受力合理，构造简洁，整体性好；工厂制造工艺成熟，工地连接少，施工方便。但对于大跨度拱桥，拱肋截面大，运输及安装不便；用钢量较大。
针对没有水运条件的山区桥位，陆运需考虑已有道路和施工便道对构件尺寸的限制；综合考虑运输条件，该桥主拱最终采用钢桁拱，可以化整为零，散件陆地运输到工地后进行拼装。
4.1.2 构造
拱肋采用双片主桁，上、下游两榀主桁平行布置，横向中心间距为20.2m；主桁采用变截面桁架式结构，拱顶桁高为15.3m，拱脚桁高为17.8m，节间长度分别采用11，12.5，13.35m三种水平投影长度，共划分为22个整体吊装节段(两岸各11个)。
图5 主桁横断面
主桁上、下弦杆采用箱形截面(图5)，截面内宽均为1.8m，内高均为1.8m，弦杆板件厚28~74mm。腹杆截面根据部位不同采用箱形或王形，腹杆腹板内宽为1.8m，顶板宽度分为0.9m、1m两种，腹杆板件厚度分为28，32，60mm三种。
主桁腹杆与上、下弦杆通过整体节点板栓接。主桁杆件采用Q420qD钢和Q500qD钢。
主拱的计算宽跨比为1/28.7，空间稳定性问题更加突出。考虑到K形撑平面内剪切刚度大，且线条简洁，故拱肋上、下弦平联均采用连续K形撑布置，横向关于桥跨中心对称布置，平联撑杆、斜杆均采用箱形截面，1/2上平联平面布置见图6。
图6 1/2上平联平面布置
拱肋横联依据拱肋主桁框架的宽度和高度变化进行设置，增加结构空间刚度和抗扭转性能。在每个拱肋节间的竖向腹杆平面内均设置1道V形横联斜杆(图5)，横联斜杆采用H形断面。
联结系杆件与主桁之间以及在节点处均采用高强度螺栓连接，联结系杆件为Q345qD钢。
4.1.3 主拱结构分析
采用MIDAS有限元软件建立杆系模型对主拱结构进行分析。拱肋、平联和斜撑应力计算结果如下。
(1)拱肋应力。承载能力基本组合作用下，拱肋弦杆最大应力为265.83MPa，腹杆最大应力为175MPa，均小于强度设计值336MPa，满足设计要求。
(2)上平联应力。承载能力基本组合作用下，材料相同时上平联比下平联应力大，上平联最大应力为146.54MPa，小于强度设计值276MPa，满足设计要求。
(3)斜撑应力。承载能力基本组合作用下，斜撑最大应力为54.51MPa，小于强度设计值276MPa，满足设计要求。
通过结构计算，在承载能力基本组合作用下，拱肋等各钢结构杆件强度和整体稳定性满足要求；整体刚度(结构竖向、横向变形)满足要求。
4.2 拱座与基坑支护
4.2.1拱座
拱座的可靠性是拱桥方案成立的基础，该桥拱座持力层为侏罗系中统上沙溪庙组()中风化泥岩，属于Ⅳ级软石。为准确研究持力层承载力，开展了拱座处岩体原位试验。受交通条件限制，试验孔洞布置在武隆岸(南岸)。
在孔洞内进行了载荷试验、变形试验和直剪试验。试验结果表明：拱座持力层J2s中风化泥岩承载力的容许值为1.5~1.8MPa。结合桥位地勘资料，两岸拱座均采用重力式拱座，扩大基础，拱座肋宽6.5m，顺桥向长34.1m，横桥向宽26.7m。拱座构造见图7。
图7 拱座构造
4.2.2基坑支护
自然山体两侧基坑边坡开挖后，采用预应力锚索和喷锚支护。采用有限元软件进行拱座基坑开挖分析，基坑模型采用Mohr-Coulomb本构模型，模型中地层主要考虑砂岩和泥岩，不考虑表层第四系覆盖层，砂岩和泥岩的结构面未单独设计节理单元计算，其影响主要体现在砂岩和泥岩的岩体参数中。模型底部采用双向零位移固定模拟，两侧采用水平零位移边界，限制水平位移，容许竖向变形。
武隆岸(南岸)基坑边坡开挖后的塑性区剪应变云图见图8。
图8 塑性区剪应变云图
由图8可知：边坡开挖后，受边坡开挖卸荷作用影响，单级边坡坡顶附近表现为卸荷应力松弛，为卸荷回弹变形，边坡坡脚表现为应力集中，由于泥岩强度较低，边坡变形主要分布在泥岩范围。
第1~3级边坡局部变形较大(图8)，但后期拱桥拱座会进行回填，对边坡影响较小，开挖后采用喷锚临时防护，可有效防治开挖松弛区的岩体变形破坏，开挖边坡顶部采用锚索永久支护，能有效保证后期边坡稳定性。
两岸边坡采用锚索永久支护和喷锚临时防护，边坡开挖后及后期整体稳定性好。
4.3 拱上立柱
拱上立柱采用等截面钢箱排架结构。立柱横桥向宽1.5m；1号和2号高立柱(立柱高度分别为89.3m、62.2m，图3)顺桥向宽2m，其他立柱顺桥向宽1.5m；立柱上方支撑为K形，在1号和2号高立柱下方增设X形斜撑。
4.4 主梁
拱上主梁采用工字形钢板梁+预应力混凝土桥面板的分幅组合梁，单幅桥采用三主梁结构。单幅桥宽为12.5m，钢梁中心间距2×4.5m，悬臂长1.75m(图4)。
支点及跨间均采用实腹式横梁。
拱上主梁跨径布置为[5×39.6+(2×39.6+48.6+2×39.6)+5×39.6]m。
主梁组合高度2.42m。其中，工字形钢梁高2.02m，顶板宽600mm，底板宽800mm；混凝土桥面板与钢梁结合部(含承托)厚度为400mm，跨中和翼缘端部厚度为250mm。
4 主拱施工方案
大跨径钢桁拱的吊装方案主要有3种：
①拱上爬行吊机方案，该方案架设工艺成熟、适宜架设构件数量多的钢构件；但需设置吊机走道，提高了施工风险；中跨安装供料方式选择余地小。
②搭设支架+大节段提升方案，该方案施工速度快，现场拼装节段少，综合单价较低；但受地形、水文、航道等综合因素限制，一般情况下方案实施较困难。
③斜拉扣挂、缆索吊装方案，该方案用缆索吊机取料，起吊范围广，适合狭窄地形；但缆索吊装系统规模相对较大，扣吊及缆索系统设置相对复杂。
对于该桥，若采用拱上爬行吊机方案施工，拱肋拱脚三角撑及前2个节段难以利用架梁吊机起吊。
若采用搭设支架+大节段提升方案施工，则桥位处地形、水文、航道等建设条件不符合。
结合桥位处的山区峡谷建设条件、工艺成熟度、施工难易度、工期因素等，该桥最终采用斜拉扣挂、缆索吊装方案进行主拱节段、立柱单元以及主梁构件的安装。
5 结 语
凤来特大桥为重庆武隆至两江新区高速公路控制性工程，为典型的山区峡谷桥梁，两岸交通不便，桥面与谷底高差大，设计和施工难度大。
上承式钢桁拱桥与周围环境融合度好、美观大气，解决了山区修建大跨径拱桥的难题，与斜拉桥和悬索桥方案相比，降低了造价，缩短了工期。
主拱采用钢桁拱，杆件长度的设计考虑了利用已有乡道运输，解决了山区不能水运的问题，且减小了施工便道规模。主拱杆件之间用螺栓拼接，减少现场焊接工作量，提高了施工质量和效率。
主拱采用斜拉扣挂、缆索吊装方案施工，与该桥山区峡谷地形条件相适应，解决了山区峡谷主拱杆件多、拼装量大，且供料困难的问题。该桥采用重力式拱座，降低了造价和施工难度。
凤来特大桥2022年5月开工建设，预计2025年底完工，大桥建成效果图见图9。
▲凤来特大桥（效果图）
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