平潭竹屿湖大桥初步设计方案比选探讨

凌建林

(深圳市市政设计研究院有限公司 广东深圳 518029)

0 引言

在进行桥梁设计过程中，方案比选是一项十分重要的工作。桥梁结构安全、功能舒适、成本经济、外型美观是进行方案比选的主要技术标准。其中以安全与经济为重，至于桥梁美观，要视经济与环境条件而定[1]。在现代桥梁方案设计中，还需注意以下3条原则：(1)注重方案的可行性、建设可操作性和管理养护的方便性；(2)积极采用新技术、新结构、新材料、新工艺，既要确保工程建设与使用过程中的安全，也要尽可能提高项目的科技含量；(3)充分体现“以人为本”与“可持续发展”的设计理念，提倡生态建设。基此，本文通过分析影响桥梁建设的多种因素，介绍了桥梁设计方案比选的主要过程。

1 工程概况

平潭综合实验区位于福建省东部沿海，东濒台湾海峡与台湾隔海相望，距台湾新竹68海里，是祖国大陆距台湾最近的海岛。其特殊的地理位置可充分发挥连接两岸的作用，促进海峡两岸交流合作向更广范围、更大规模、更高层次迈进，推动两岸关系和平发展。

竹屿湖大桥位于实验区最具活力的文化金融高端产业聚集的核心区，同时依托现状竹屿湖，以文化、会议会展、商务为主题，高标准建设竹屿湖滨水景观。大桥南侧紧邻湖心区标志性建筑平潭艺术博物馆，如图1所示。博物馆建筑本身恍如一座随时要游离的岛中之岛，由一座微微起伏的栈桥连接着大陆，连接着人工与自然，城市与文化，历史与未来，它是一件具有持久感的水中大地景观，仿佛向人们重述这座海岛在远古的诞生。因此，竹屿湖大桥的设计范畴不能仅仅局限于造“一座桥”的简单概念，而应在满足交通功能的同时，处理好桥梁与环境、人文、商业、历史和审美的关系，使桥梁景观设计的内涵成为城市设计的重要组成部分。

图1 竹屿湖大桥周边环境

2 桥位概况

竹屿湖大桥位于平潭综合实验区万北路段中部，连通整个中心商务区，是万北路的节点控制工程。为满足桥下通行小型游船净空(3.5m)及桥下亲水步道通行净空(2.5m)的需要，桥梁中心位置桥面标高需达到8.037m，道路纵坡由桥梁中心向两侧按2.5%降坡。

竹屿湖大桥路桥连接段的地质条件较差，从上到下分别是中砂、淤泥、强风化岩和中、微风化岩。上部土体含水率较高，孔隙比较大，地基承载力极低，容易产生沉降变形。据道路勘察资料显示，中砂揭露深度5.5 m ～15.9m，淤泥揭露深度2.2 m ～26.7m。为解决地基不稳定的问题，综合考虑工程投资和施工工期，推荐采用水泥搅拌桩作为台后软基处理实施方案[2-3]。

3 技术标准

竹屿湖大桥道路等级为城市次干路；设计车速50km/h；设计基准期为100年；设计安全等级为一级；结构重要性系数取1.1；环境类别为II类；汽车荷载为城-A级；人群荷载按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)计算取值；桥梁设计水位采用50年一遇洪水位+2.39m；抗震设防标准为丁类；抗震设防烈度采用7度以及地震动加速度峰值为0.10g；通航净空为3.5m满足小型游船同行。

4 桥梁方案设计

4.1 桥梁选型总体目标和要求

本文桥型选取总体目标是打造一座提升城市形象品质，展示区域历史文化，实现景观环境融合和愉悦通行者心情的景观桥梁。结合总体目标和现场条件要求，对桥梁方案提出以下三方面的要求：

(1)大桥处于人工湖区，跨越水域距离约200m，水流平缓，可选桥型以中小跨径常用的拱式桥或梁式桥为主[1]。

(2)桥位处地质浅层覆盖一定厚度的软弱地基，桥梁选型应适当考虑该因素，选择少支架结构或预制拼装结构，降低施工难度。

(3)竹屿湖大桥原设计按30年一遇 +1.93m洪水位考虑，根据最新的防洪防潮水位规划要求，现大桥设计水位提高到50年一遇 +2.39m。为满足桥下最小通航净高(大于3.5m)和洪水其间最小净空要求，桥面标高需要调高。选择拱形连续梁结构，有利于降低结构建筑高度，减少由于道路高程抬高带来的路基、边坡等项目造价增加的影响。

4.2 桥型方案比选

根据该桥选型总体目标和要求，并结合平潭艺术博物馆以及该区域的定位等实际情况，综合考虑安全性、适用性、经济性和造型美观等要求，共拟定了3个方案。

4.2.1方案一(预应力混凝土拱形连续梁桥)

桥梁上部采用预应力混凝土拱形连续梁桥，跨径布置20m+7×30m+20m，全桥长254.2m。方案效果图立面图和断面图分别如图2(a)和(b)所示。上部结构采用变高度的预应力混凝土拱形连续梁，其中梁高从梁拱结合处最高为5.5m、最低为3.75m，跨中梁高1.1m。拱上主梁采用实心板(厚0.8m～0.9m)；箱梁顶板(厚0.28m～0.45m)和底板(厚0.22m～0.55m)也采用实心板；腹板厚0.6m～0.9m。箱梁底板边线按圆曲线变化。下部结构采用桥墩、承台固结，下设直径1.5m钻孔灌注桩基础。上部结构主梁采用支架施工，下部结构墩柱现浇施工，须筑岛围堰。

该方案提取了“海浪”作为设计元素，桥身整体采用白色利用外墙凹凸漆喷涂成”鱼鳞”状，结合轻巧的拱形，像海浪般极具动感；如同鱼鳞状的拱形及表面装饰纹理代表着竹屿湖海水养殖的历史。同时采用拱梁结构能够营造出在宁静的湖面“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的景观效果，大桥在湖面上平躺静卧，不扰乱它的平静。拱上实腹段至拱脚适当开腹孔，增加立面变化。该桥圆形拱有韵律地起伏开展，静卧于湖面，恰如微风吹来激起的细浪，泛起涟漪。

(a)桥型总体布置立面图(b)结构断面图图2 方案一效果图

4.2.2方案二(V型墩-先简支后连续预制箱梁桥)

该方案为先简支后连续预制箱梁桥，桥梁由V型墩、墩顶系梁、支座以及先简支后连续预制小箱梁组成。跨径布置32m+5×40m+32m，桥梁全长269.0m，该方案效果立面图和断面图分别见图3(a)和(b)。上部主梁采用等高度预应力混凝土小箱梁，预制梁高1.4m。全桥分25m和15m预制梁段。主桥下部桥墩为顺桥向V型，张角100°。桥墩横桥向上宽下窄，墩顶设系杆，每幅横桥向4个。桥墩、承台固结，下设直径1.2m钻孔灌注桩基础。承台采用C30海工混凝土，承台下设15cm厚度C15素砼垫层，垫层每侧宽出承台20cm。上部结构主梁预制吊装施工，下部结构V墩采用支架法，现浇施工，须筑岛围堰。

该方案提取了“鱼骨”作为设计元素，桥身整体采用白色涂装，结构仿照“鱼骨”的排列，体现着近海的“鱼”文化，直接裸露的桥梁结构，极具韵律感。以飞鸟形状的V型桥墩配合绵延的水岸和 “波明起鸥鹭”的原生态美景为前提，体现出大桥的韵律美。 V型墩、墩顶系梁构成独立的承重和传力构件。墩顶系杆完全置于小箱梁肋板之间，且全桥不单设分联墩，增强形式与内容的统一性，在给人一种现代与传统相结合美感的同时，使之真正成为区域标志性的景观构筑物之一。由于主梁与V型墩通过支座连接，结构温度次内力、收缩徐变次内力问题得以解决。主梁结构采用预制小箱梁，先简支后连续的施工工艺，可缩短施工周期并降低工程造价。

(a)桥型总体布置立面图(b)结构断面图图3 方案二效果图

4.2.3方案三(变截面预应力混凝土连续箱梁桥)

桥梁上部采用变截面预应力混凝土连续箱梁，跨径布置20m+7×30m+20m，全桥长254.2m，方案效果立面图和断面图分别见图4(a)和(b)。中支点梁高从边跨往中跨3.2m、3.9m、4.5m 、4.8m，跨中梁高1.2m。下部结构桥墩采用方墩，承台下接直径1.8m钻孔灌注桩基础。上部结构主梁采用有支架法，现浇施工，下部结构桥墩位于水中，须筑岛围堰施工。

圆弧状梁体造型取材于翻滚的波浪变化的白色线条，蓝色的扇形装饰面象征着平潭岛独有的“蓝眼泪”奇观。梁底采用圆弧曲线，侧面带凹凸的与主梁浇筑呈一体的立面装饰线条。

(a)桥型总体布置立面图(b)结构断面图图4 方案三效果图

根据上述初步设计所拟3个方案，本文从桥型、跨径布置、技术难度、景观效果、施工周期、后期养护、总投资等角度对平潭综合实验区竹屿湖大桥进行综合比较，比较结果如表1所示。

表1 平潭综合实验区竹屿湖大桥方案比较表

首先，就桥梁造型与环境关系方面，3个方案桥梁造型简洁，均可与竹屿湖融为一体，体现力与美的融合，对湖区标志性景观——平潭艺术博物馆起到很好的烘托作用。

其次，就主跨跨径方面，方案二采用V形支撑，可以有效减少计算跨度，两V墩间最近的V撑距离可由40m降为25m，从而大大降低主梁弯矩，有效地避兔处于负弯矩区的桥面板开裂，从而降低主梁高度和自重，可在一定程度上节约材料用量，减少投资。

接着，就设计及施工难度方面，方案二采用工厂预制，现场吊装的施工方式，减少了现场作业的工作量，可有效保证产品质量。方案一和方案三均采用支架现浇的施工方式，施工难度较大，且施工周期较长。除此之外，对于方案三采用变截面箱梁，设计难度较大，施工精度要求高，现场控制要求高[4]。

另外，就工程经济性方面，3个方案均采用混凝土为主材料，其中方案二采用先简支后连续的结构体系，施工难度较低，经济指标理想。方案一和方案三采用预应力混凝土连续梁桥，施工难度较大，经济指标明显增大。从该角度进行考虑，方案二工程造价经济合理，方案一及方案三次之。

最后，就结构耐久性及养护方面，在设计和施工质量保证的前提下，方案一和方案二后期养护工作量较少，方案三由于采用变截面的结构形式，后期管养工作量较大。

结合桥梁设计总目标，从景观、设计施工难度、造价以及后期管养等方面进行综合考虑，竹屿湖大桥推荐采用方案二，即V型墩-先简支后连续预制箱梁桥作为实施方案。

5 结论

随着社会经济的发展，人们对于桥梁结构特别是城市桥梁的审美要求也日益增加。本文通过对平潭综合实验区竹屿湖大桥初步设计方案比选和论述，并结合以往设计项目的方案比选，得出如下几点体会：

(1)城市桥梁桥型选择需综合考虑环境、施工工艺、造价等多种因素，选择适合的桥型对烘托城市文化和景观具有重大的意义。

(2)对于纵坡设置较小、河道较宽或桥梁净空较小的城市桥梁，V型墩-连续梁结构相对于其它V型墩梁式结构受力更加合理，桥梁景观效果更佳。

(3) 简洁纤细、流畅明快应当作为现代桥梁美学设计的一项原则，同时桥梁的方案比选设计与结构设计二者缺一不可，更合理的结构设计，可以达到更好的造型效果。