“水滴”入江川——新安江紫金大橋總體設計
紫金大橋重建工程爲其老橋拆除後的新建橋樑項目，大橋位於新安江大壩下游約1.5公里，建德市城區上游約4.5公里處，是連接朱家埠和白沙並跨越新安江的便捷通道。紫金大橋老橋建成於1990年，爲兩跨80m上承式鋼筋混凝土拱橋，在2004年進行了全面加固。2020年夏天，極端天氣導致新安江水庫水位超出汛限，水庫進行了建成61年來首次九孔全開泄洪。泄洪結束後經專家論證，原老橋已無法滿足正常通行要求，需要拆除重建。
圖1 九孔泄洪前後老橋
圖2 大橋建成後側面圖
大橋於2021年10月開工建設，2023年11月建成通車，建成後成爲當地標誌性建築。大橋的運營不僅方便新安江兩岸羣衆出行，還促進了當地旅遊經濟的發展。
主橋方案設計
建設條件及景觀分析
橋位處於新安江水庫發電站下游，正常水位約24.0m，平均水深約5m。日常水位變化主要受大壩0-9孔發電影響，發電期間水位變化範圍爲23.8-25m。橋位處於準飲用水源保護區，緊鄰“兩江一湖”核心風景區，生態保護和景觀造型要求較高。
通過橋位處的景觀分析可以發現，橋位南北岸山勢較高，峽谷空間較小，南北岸兩山間距在300m左右；橋位處風景優美，特別是“江霧奇景”，堪稱世界一絕。橋型方案的最佳方案是橋融入周邊的環境當中，使橋景與自然景色融爲一體。
圖3 老橋橋位圖
橋樑跨越新安江處通航尺寸要求爲90x7m（長x高），大橋主跨需在100m以上，同時根據行洪評價和通航影響評價的初步建議，在大橋水中可設墩，但數量不得超過一個，總寬度應滿足阻水率要求。
周邊橋樑分佈
項目組分析了建德市域新安江上各種橋樑的分佈規律和結構形式，如圖4所示。
圖4 建德市域新安江上橋樑分佈圖
建德市域範圍內跨江橋樑主要有15座，主跨最小爲45m，最大爲218m；結構形式主要有簡支樑橋、連續樑（剛構）橋、各種形式的拱橋以及懸索橋，其中拱橋佔較大比例。而斜拉橋作爲一種造型獨特、受力合理的橋型，在中等跨度橋樑中競爭性較強，但在建德市域範圍內有所缺失，因此項目組將斜拉橋作爲重點比選橋型。
方案設計
通過以上分析，重點比選了斜拉橋和拱橋兩種橋型，綜合考慮行洪安全、景觀效果、施工難度、經濟合理性及民衆接受度後，確定爲斜拉橋方案，並在此基礎上，對主塔造型構思了兩個方案。
方案一的橋塔採用水滴造型，形態優美圓潤，兩側塔身於頂部合龍，又微微展開，整體宛若一個玉滴瓶矗立在江面之上，如詩如畫，同時也寓意了平安與祈福，象徵着新安江之水塑造了奇美的自然景觀，也給當地人民的生活帶來了幸福與安康。跨徑佈置爲115+115=230m，水滴形橋塔高約65m，最寬處約爲22m，橋面以上塔高約52m。
圖5 水滴造型斜拉橋構思示意圖
圖6 水滴造型斜拉橋效果圖
方案二爲飛鷺展翅造型單塔斜拉橋，橋塔造型以張開的雙翼爲設計意象，在塔身的斷面和頂部造型上進行了細節的雕塑化處理，使得橋塔造型更加挺拔、充滿藝術氣息。跨徑佈置爲115+115=230m，飛鳥狀的橋塔高約52m，橋面以上約35m，橋塔下部橋墩橫向寬度爲10m，上部向兩側張開，頂部最大橫橋向寬度約爲50m。
圖7 展翅造型斜拉橋構思示意圖
圖8 展翅造型斜拉橋效果圖
最終經過網絡投票、專家審查和行業主管部門審批，確定方案一的水滴造型單塔斜拉橋爲推薦方案。
總體設計重難點分析
深水裸岩下承臺圍堰施工
主塔橋墩處水深約6m，由於地處山區，河槽長期被泄洪水流沖刷，上覆圓礫土層基本被沖走，主墩承臺和臨時棧橋面臨深水裸岩的不利施工環境。根據行洪影響評價的要求，大橋主墩承臺頂面應設置在河牀以下，承臺底部距離常水位深約12m，考慮到汛期上游水庫泄洪，主墩承臺圍堰施工深度將達到約16m以上，施工風險和難度均較大。
有鑑於此，設計在總體方案上提出先引孔再止水再支撐的方案。對於裸岩基礎，先採用混凝土灌注樁引孔，保證一倍嵌巖深度，上部再設置鋼管混凝土樁。利用鋼管混凝土樁強大的支持性和可焊接性，在鋼管樁內側焊接型鋼內襯平臺，並預留出挖鑿機作業面。圍堰主體焊接形成整體後，施工樁間止水鋼板樁，圍堰內部抽水完成後，利用鎬頭機鑿除水底岩石。上述規劃爲施工方案的編制提供了重要參考，確保了主墩承臺的安全、經濟和快速施工。
圖9 鋼管混凝土樁加鋼內襯圍堰立面圖
圖10 鋼管混凝土樁加鋼內襯圍堰施工
鋼錨箱精細化受力分析
作爲主要受力節點，鋼主樑斜拉橋樑端鋼錨箱直接關係着大橋的結構安全。鋼錨箱承受拉索的直接索力作用，鋼板構造和受力均較爲複雜，但現行規範對其受力計算的規定較少，因此有必要對鋼錨箱進行精細化的受力分析。
鋼錨箱板件均爲Q345qC鋼材，主要由N1-N9鋼板組成，N1、N2鋼板爲鋼錨箱與主樑腹板連接板，厚度爲48mm；N3爲錨下異形板，與腹板連接，厚度爲36mm；N1、N2、N3板件構成了鋼錨箱與主樑腹板之間的傳力框架，其餘板件則均爲其加勁板件。
使用Midas FEA NX建立該局部精細化實體模型，選擇索力最大的鋼錨箱作爲分析對象。根據聖維南定理，建模長度爲鋼主樑樑高的3倍，可基本忽略邊界條件對鋼錨箱的影響。經過迭代計算，多次調整板厚及板件構造，鋼錨箱應力值均處於允許範圍內。
圖11 鋼錨箱Von Mises應力圖
圖12 鋼錨箱立面圖
大件鋼結構運輸總體構思
爲保證大橋的景觀效果，設計選用箱型結構加風嘴設計的鋼主樑，並儘可能拉大索距。由於本橋地處山區內陸，鋼主樑的運輸是大橋總體設計需要重點考慮的因素。公路運輸方便快捷，但存在運輸尺寸受限、現場焊接工作量大等困難。水路運輸則容許尺寸較大，可整節段工廠預製後運輸，但存在運輸時間長、過河建築節點制約等困難。大橋採用何種運輸方式，直接影響主樑的節段劃分和構造細節，對後期施工圖設計影響較大。
針對該橋樑端鋼錨箱的構造要求，鋼錨箱節段宜採用整體預製，則鋼主樑運輸尺寸將超過公路寬度限制，設計優先考慮水路運輸。根據類似大橋建設經驗，杭州地區水路運輸的關鍵節點是三堡船閘，其閘室寬度僅12m，是大運河至錢塘江水路運輸的控制性卡口。在錢塘江水系上運輸橋樑大型構件時，需考慮構件寬度與船閘適配問題。
圖13 節段吊裝現場
大橋在考慮節段劃分時，最終採用2.7m的隔板間距，每4道隔板設置鋼錨箱，節段間距爲10.8m，船的總寬度控制在11.5m以內，經專項論證後，順利通過三堡船閘。
對於預製主樑結構，調研交通運輸情況，尤其是水路運輸的卡口問題，容易忽視，卻影響重大，應當引起設計人員重視。
圖14 大件鋼結構通過三堡船閘
主樑水陸同步架設方案
對於獨塔斜拉橋較爲經濟合理的主樑施工方式爲利用掛籃進行主樑施工，分節段張拉拉索，直至合龍。紫金大橋橋位處北岸受沖刷較多且水較深，南岸則爲漫灘及裸露河牀，兩跨間河流槽口深淺差距較大。北側水深，具備浮船喂樑條件，適合常規掛籃施工；而南側水淺甚至無水，無法通行浮船，則適合支架施工主樑後期張拉拉索的施工方案。
經過綜合考慮，項目採用主樑水陸同步安裝的設計方案。北跨直接用浮船運至橋面吊機下方，南跨淺水區根據則需要搭設滑移平臺，將鋼主樑吊裝至滑移平臺深水區側，再通過滑移喂樑至橋面吊機下方。通過控制南北岸的存樑時間，可實現兩跨對稱吊裝主樑，張拉拉索。
以上措施，將主樑水陸轉接平臺和安裝平臺相結合，能節約臨時用地，保證主樑水陸同步安裝，獲得了較好的經濟效益並節省工期。
圖15 南北岸不同水深示意圖
紫金大橋位於準水源保護區，緊鄰核心風景名勝區，環保和景觀要求高。項目組針對大橋的特點，強化總體設計環節，體現在以下3個方面：
1.建德市域範圍內，跨新安江橋樑以拱橋爲主，方案構思時重點考慮斜拉橋方案。根據建德的歷史文化背景，以水爲元素，設計了水滴造型斜拉橋方案，獲得了羣衆和業內專家的好評。
2.大橋總體設計時應注意大型構件運輸條件，對船閘、收費站等卡口節點重點調研，爲鋼結構構件尺寸和節段劃分提供參考。
3.考慮橋位處的特殊環境，對主墩承臺施工方式及主樑吊裝方案等，設計時應構思整體解決方案，並據此優化相應構造設計，相應費用也經科學合理計算，以利於後期項目推進。
本文刊載 / 《橋樑》雜誌
2024年 第4期 總第120期
作者 / 顧侃 袁強
作者單位 / 杭州市交通規劃設計研究院有限公司
技術審覈 / 包琦瑋
編輯 / 陳暉
美編 / 趙雯
審校 / 李天穎 裴小吟 廖玲
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