水桥的超级挑战——引江济淮渡槽桥概念设计

引江济淮工程是安徽省的“南水北调”工程，是辐射长江、润泽安徽、造福淮河、惠及河南的超级民生工程，是国家水利重点工程、安徽省1号工程。渡槽水桥位于合肥市郊，在合肥空港、西部新城和六安东部新城的交汇处，处在著名的江淮分水岭，引江济淮河道在此处下挖近36m深，干渠渡槽与引江济淮河道呈空间十字立体交叉，形成河上有河的水立交。

基于引江济淮的工程地位、渡槽水桥的地理位置、水桥工程规模及其水立交的新颖性，该桥将形成上下通水、水上有水，上下通航、船上有船的新景象，必将成为城市的新地标。建成两年多来运行良好，也已成为市民郊游、摄影之地。

图1 项目功能及地理位置示意图

淠河总干渠源自皖西大别山，全长104.5公里。主要承担六安、合肥等沿线的农业灌溉和城市供水。始建于1958年，利用自然河道开挖沟通而成，河道狭长较浅，具有一定地上河的特征。干渠为季节性河流，水深随季节性变化大，平均水深在2～4m，极值水深在1～5m。

引江济淮河道在此处开挖深度近36m，宽度达280m，中断了干渠，两水因为高差太大而不能相汇，形成了两条河道的空间立体交叉。由于干渠向合肥城市供水，施工期间不可中断，因此在原干渠正常通水的情况下，在河道的弯曲段截弯取直，确定为渡槽的桥位，桥梁建成后再进行通水转换，因而采用先建桥、后挖河的时序。而时序变化的河道后开挖，也带来了土体浸水膨胀蠕变、边坡内外失衡的可能，对已建桥梁基础产生偏载变位影响。这对边坡稳定和桥梁基础变位控制，提出了较高要求。

图2 桥址开挖断面图

下层引江济淮航道等级Ⅱ级，通航净高10m，通行船舶2000吨级。上层干渠Ⅵ级航道，通行船舶100吨级，渡槽设计水深4.0m，校核水深5.05m，流量150m3/s，渡槽净宽2×16m，长246m。槽内最大水体重量39754t，约4万吨，相当于公路的135个车道荷载，铁路的25线荷载。

图3 公路、铁路荷载示意图

通常情况下，百米跨度的桥梁承受的荷载约是其自重的0.2倍，承受荷载远小于桥梁自重。而本桥则是近2倍，相差了一个数量级，是明显的承受荷载远大于桥梁自重，属于超级重载。而水深的较大涨落，又使渡槽的水重在1～4万吨之间变化，这样的水来水往和常见的车来车往就大不相同，因而本桥既承受了超级重载，又承受了超级可变重载的两大特点，荷载之重、变化之大也正是本桥最关键的特征。

由于干渠为航道，需要通行船舶，因此该水桥不能像常规渡槽一样闭口或锁口，只能为开口的U形断面。而开口断面的渡槽为不稳定结构，尤其在大质量水体水压、晃动和船舶撞击作用下，会产生侧向力，这就对本桥的侧向刚度和整体扭转提出了更高要求。

这些特殊的建设条件与常规桥梁大不相同，该种“超级且可变”特殊荷载下的桥梁在国内外尚属少见。其超级重载下的竖向刚度、超级可变重载下的挠度起伏、横向开口断面的扭转、水槽与桥体的力线传递、水凉钢热的温差效应、水体与钢槽的流固耦合、水体振动与地震影响、上下河道船撞、先建后挖的基础变位及大体量桥体的景观，这一系列问题均鲜有先例可循，少知和未知问题突出，难以即时定性、更难以即刻定量，因此概念设计尤为重要。由本桥的建设条件出发，以问题为导向，以主次为目标，由概念推论方案、由方案指导设计，由定性到定量，完成从抽象到具体、从模糊到清晰、从粗略到精细的不断推论，演化和优化全过程设计，这是非常必要的，也应该是最为有效的。

基于水重远大于桥重，在超级重载下其竖向刚度就是桥梁的抗力，能抵抗超级重压最直接的办法就是加大结构尺寸，自然梁高的贡献最大，36m深的“峡谷”使得本桥有足够的空间设置梁高。当然即使有足够的梁高，但如能变成双幅桥，则单桥宽度减少一半，高宽比大幅降低，也是一个非常见效的办法。经水利研究并批复，得以将32m槽宽变更为2个16m的槽宽，即整幅变成左右分离的双幅，宽桥变成窄桥。

变单幅后刚度能力虽然得到事半功倍的解决，但单幅承受的2万吨荷载仍为超级重载，水重桥重比基本不变，在其作用下挠度依然很大，因而又回到了刚度问题。由于梁高也不能无限增大，不能高得不像桥，基于该桥的特殊性，其优雅性还是很重要的。因此，所熟知的梁桥力学能力可以用预应力解决、不够用斜拉索解决、再不够用吊杆解决，由平到斜再到竖，随着角度和施力的增大，效果也是相当明显的。

图4 不同桥式竖向变形功效示意图

但本桥由于是季节性河流，可变的超级重载必然引起上上下下的挠度起伏，水来了则向下挠，就算扛得住，水走了是否会向上挠？答案是必然的。什么样的桥，水来了压不下去？水走了还抬不上来？平直的梁桥是最容易下挠的，反之也是最容易起伏的，斜拉、悬索桥是最可控下挠的，但起伏却又最不可控，而拱起来的拱桥是最能抗压的，但却又是最难起伏的。因此利用本桥足够的净空，在等高的梁式水槽下面加上拱，就可形成向下时拱“托”梁，拱能抗压；向上时梁“压”拱，梁能压弯。以期水来水往，桥梁伏不下去，也起不上来，从而既解决刚度承载力问题，又能解决挠度起伏问题。而这样的梁拱组合，恰又适应“峡谷”的风貌。

图5 渡槽水桥总体布置图

经设计与计算，采用梁拱组合的桁架结构，桥梁跨径布置为68+110+68m，总长246m，目前位列世界第一。而在如此水重之下，桥梁的高度仍然达到了7.2～16.2m，相当于3～5层楼之高，结构体量仍很庞大，但有效地控制了下挠和起伏，较好地解决了竖向刚度和挠度问题。

过水的U形槽要行船，必须为开口断面，不能闭合成箱。上层梁式U槽在水压力作用下，侧面出现侧倾，底面出现下挠，在内外侧温差、水流晃动或侧壁船撞作用下出现扭转，这样的断面是一个较为不稳定的结构。

因此，U槽自身需要一定的侧向刚度和底部横向刚度，自然这个刚度是需要代价的，马格德堡水桥和三峡升船机槽壁都是采用外桁+内加劲壁板的双层结构。本桥为上梁下拱型式，梁式U槽上开口，设计利用下拱的横联进行闭口，达到上开下合，运用杠杆原理以下制上，有效控制了侧面倾斜度。同时利用M形横联，也解决了渡槽底板的压弯下挠问题。在桥梁全长较大的范围内直接控制了横桥向的变形和扭转，其他位置依靠约束达到扭转刚度传递，从而较好地解决了横向变形和扭转问题，也可为U槽与桥体分离创造了条件。

图6 渡槽水桥M形横联及横断面图

槽用来盛水的，显然是密闭的U形面，而桥架则是桁，镂空的，两者连接组合在一起，其断面则是外空内实的矩形，而这样的断面结构很是少见，内外型式、刚度特性、传力路径均差异较大，受力显然就复杂了，不能清晰而明确。

传统的渡槽是桥上架槽，桥、槽分离。而本桥如在桥体上架设传统的混凝土水槽，则荷载重量再增加一倍以上，水+槽的总重近8万吨，属于难以承受之重，不可取。可否有一种可分可合、刚柔并济的结构，使槽主要是盛水并传水之力的功能结构，桥体才是终极扛水的受力结构，让槽从巨大的受力中解放出来，且桥能第一时间就受力，即解决水的力如何传给槽、槽如何传给桥的问题？

笔者在生活中常见吃早点时，碗中放上塑料袋，塑料袋内倒入豆腐花。可见塑料袋的功能只是盛装的，传力为主，也显而易见，碗是受力结构，且第一时间受到力。而这样的塑料皮其特性就是能变形、能传力，且受力不大。因而本桥创造性地采用了一种波形板的槽壁，承接住水的力，然后通过自身的变形，很快将力传递给桥，桥槽虽相连，但又若即若离，达到桥刚、槽柔，刚柔并济之效。同时也实现了桥为永久结构，槽为可更换结构，达到可检、可修、可换的功能。

图7 槽壁直板加劲、波形板结构示意图

一般桥梁的梯度温差通常都是上下温差，而本桥的特点则是内外温差，内部流水与外部钢板的温差甚至可达60℃之多，温差效应更大，结构影响面也更大。显而易见，波形板良好的自身变形，释放了大温差对桥梁结构的不利影响，超好地解决了水凉、钢热的温差效应。

槽壁内通船，槽壁板可能会发生船撞，波形板的凹、凸起到加劲作用，提高了槽壁的抗船撞能力。同时波形板的变形又可以对撞击进行一定的缓冲，完全改变了直板在较高应力作用下的受撞情形。

由于桥上为大质量流动的水体，在某种情形下的晃动可能会引起桥梁的振动甚至共振，而波形板的凹凸对水流起到了散水、碎浪作用，有效应对了流固耦合效应，同理也可以起到较好的减振作用。通过摩擦摆支座减小了地震上传，也通过大质量水体的消能，可进一步降低上部桥体结构的地震反应。

图8 渡槽水工试验、振动试验图

由于桥体结构庞大，本是扛水的，但在施工架设时没有万吨之水，自己扛自己是有着非常大的结构富余。同时又有较低支架的先天条件，因此架设时可采用少支架法拼装，还充分利用无外载时自身刚度大的特点，充分发挥施工监控技术，在确保安装精度的前提下，采用了梁上架梁，履带车上桥拼装的方案，变小节段为大节段；并还采用了从桥台向跨中的非平衡法拼装，整个拼装如同U形订书钉，由单根钉向一排钉拼装，逐步增强横向稳定性。采用这样的施工方案，有效地简化了节段拼装，降低了施工难度，提高了控制精度和拼装进度，还省去了施工栈桥和龙门吊，并不受雨季基坑内漫水影响，大大节约了施工工期和造价。

图9 渡槽土体试验、施工架设示意图

一般的桥梁荷载试验可在较短的时间内甚至一夜之间完成，由于本桥属于超级重载，是桥梁自重的2倍，建设期因为无水，有足够的结构富余，而充水加载时，则万钧荷载加载，属于典型的秋后算总账式验证。因此应充分考虑结构的延性进行加载，防止突然万钧荷载的冲击效应。设计采用1m预充水、静停、放水，1-7级（1m、2m、3m、4.4m、4.8m、5.05m）的充水、静停，到达最高水位后7-1级的放水、静停，直到全部放完，最后进行通水试运营，整个历程20余天。监测、检测各阶段桥梁代表点和关键特征点受力变形以及其变化速率和趋于稳定的状态，核查与验证桥梁受力能力、结构反应和力学行为。充水试验结果表明桥梁状态良好,目前正常安全运营。

图10 渡槽充水试验图

桥梁的高度达到7.2～16.2m，相当于3～5层楼高，侧面积达到2800m2,相当于6～7个篮球场，加之横向左右幅桥近50m宽。在如此体量下，形成了平面大巨幕、实体大立方。基于本桥的地理位置及其新颖性和特殊性，桥梁景观也是重要的一方面，如何将大平面、大立体景观化，也是协同贯穿了概念设计的全过程。

桥梁分为左右双幅时，桥面宽水面上形成分流结构，增加了水中看点，如同停泊的一条长船；桥头变宽处设置观景平台和停车区，配以景观绿化增加了平面的维度变化；分流岛处设置监控景观塔，桥面上增加了标志物；桥梁采用梁拱组合后，桥梁纵向增添了曲线的流畅性和柔美度；采用镂空的桁架结构，将大平侧面凹凸化，增加了立体感和层影感；桁架节点采用焊接，避免了栓接的大节点板和锚栓的疤痕感；槽壁采用波形板，槽内大侧面增加了脉动性，侧壁水面形成波动线形，在一定流速下策动形成水涟漪景象；桥体采用深蓝色系，呼应天蓝蓝、水蓝蓝，天、水、桥一色。

图11 渡槽水桥建成实景图

建设条件是确定桥梁方案的根本依据和基础条件，只有充分理解、分析了相关建设条件和控制因素并加以综合统筹运用，才能合理地推论与确定桥梁方案，实现方案设计的有理有据、因地制宜、量身定制，真正地体现“安全、适用、经济、美观”的设计理念。

本桥正是依据水体荷载集度超大且超量级可变的最大特征，采用概念设计、顶层设计、逆向思维，优先推论总体和边界的概念方案，创造性提出了上桁下拱、上开下合、外桁内波的结构受力体系；再逐级分解、拆积木，创新性提出左右分幅、桁拱波板、留岛开挖、由边到中、桥上架桥等设计与施工方案；再结合仿真计算、科研试验、专题研究，完成图纸设计、工程施工；最后进行施工监控和充水验证，有效且较为巧妙解决了本桥特有的大集度、大可变、大温差问题。成功把上下、左右、内外、表里的结构相生做到了相得益彰，又完美地把分合、即离、刚柔、虚实的结构相克做到了对立统一，从尺度、力度、气度等各个方面，较好地实践和阐释了中国古典审美和东方工程哲学。