陽新高速公路黃河特大橋跨大堤橋式設計與布置

孟 全,徐 珂,郭建光,王 超

(1.河南省第二公路工程有限公司,河南 鄭州 450000;2.河南財經政法大學,河南 鄭州 450046;3.鄭州交通建設投資有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引 言

陽新高速公路黃河特大型橋梁跨大堤橋(以下簡稱黃河特大橋)的橋址水文特征獨特,通航環境及周圍生態環境要求較高。該橋址的確定與橋式的選擇既要滿足通航和河道特征要求,還要與工程地質、地形地貌條件、水文(水利)條件等相適合,并與周圍環境及景觀等相協調[1]。在我國加大保護生態環境的大背景下,橋梁建設既要處理好耐久性和造價費用、后期養護等問題,又要考慮施工技術的難易程度、結構造型與堤外引橋的搭配,以及同周圍環境的協調性。為此,通過對預應力混凝土連續梁橋與波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋兩種方案的比選,確認以連續梁橋為優選設計方案。

1 工程概況

黃河特大橋全長8 127 m,橋寬2×16.56 m,工程規模大、造價高,橋梁結構形式的選擇是該項目的關鍵。該橋由北堤外引橋、北跨大堤橋、北堤內引橋、主橋、南堤內引橋、南跨大堤橋、南堤外引橋七部分組成,全橋共分36聯,設37道伸縮縫,具體布置方案如表1所示。

表1 陽新高速公路黃河特大橋跨徑布置方案

黃河特大橋橋位處水文地質條件復雜,橋梁抗震設防烈度高、沖刷大。主河槽擺動大,屬典型游蕩性河段,需要充分考慮黃河綜合治理、開發利用及防洪規劃等因素。橋梁選擇于黃河主河槽順直且窄的部位跨越[2],盡量減小黃河橋軸線與主河槽中泓線、治導線法線與橋軸線的夾角。

2 黃河特大橋橋位設計方案

2.1 黃河特大橋橋位比選

黃河特大橋實際長度達2 240 m,根據水利部黃河水利委員會有關規定,高村到陶城鋪河段容許橋梁間距不小于5 km,K(坐標,下同)線橋位距上游G106東明黃河大橋14.8 km,距下游規劃S304黃河大橋12 km;AK(A坐標,AK坐標距,下同)線橋位距上游G106東明黃河大橋13 km,距下游規劃S304黃河大橋13.8 km,因此兩個橋位都要滿足要求。

2.2 橋址所處河道的穩定性

橋位的確定一般要求河勢穩定,河勢主流在不同時期、不同流量下擺幅較小,深泓點位置變化不大,主槽窄深、變化小。根據黃河水利委員會相關要求,黃河大橋橋墩設置以不影響河道主流變化為原則,橋梁軸線與洪水主流方向垂直,若有交角偏差,不宜超過10°。K線橋位和AK線橋位都位于張閻樓工程和連山寺工程之間,河勢穩定,主槽擺幅較小。另外K線橋位與治導線夾角為4°,AK線橋位與治導線夾角為2°,能夠滿足設計穩定要求。

2.3 與高速公路網的銜接

黃河特大橋建設工程起點接濮范高速,路線向南,分K線與AK線。K線于濮陽市小辛莊南上跨黃河北大堤,路線偏東南,于菏澤市牡丹區李莊集鄉東高寨村東北跨越黃河南大堤,向南接菏東高速。AK線于濮陽市晁莊北上跨黃河北大堤,路線偏東南,于菏澤市牡丹區西李莊集鄉高寨村西南跨越黃河南大堤,向南接菏寶高速。路線布線時,經過兩省、兩市的對接,確定在擬定本項目橋位方案時,主橋與跨大堤橋考慮的主要影響因素有以下幾點。

(1)黃河特大橋與干線公路網的關系。

黃河特大橋的建設將進一步優化豫東北和魯西干線公路網結構,充分發揮公路網整體效益,同時能打通黃河天塹,改善濮陽市與菏澤的交通往來。附近跨越黃河的幾座公路大橋距離均較遠,不方便當地居民出行。該項目建成后將形成“外圍環路+七縱七橫”干線網,對吸納當地交通流、改善區域內黃河兩岸交通運輸將起到重要作用。

(2)黃河特大橋與鐵路、水運的關系。

晉中南鐵路(又稱晉豫魯鐵路)在濮陽市南部通過,與瓦日鐵路組成橫跨晉、豫、魯三省的國家級干線運煤重載鐵路。晉中南鐵路在濮陽市境內設有火車站,該項目建成后,未來的客貨流可通過該鐵路去往豫北、晉中及魯南地區,并在湯陰縣與京廣鐵路實現交通轉換,在臺前縣與京九鐵路實現交通轉換,可通往全國主要大中城市和其他經濟地區。

(3)與兩岸自然地形及黃河防洪工程的關系。

橋墩壅水會不斷地沖刷堤壩和河道,這在一定程度上降低了河道及堤防工程的防洪功能。在設防流量20 000 m3/s條件下,橋位斷面堤防流量設置應考慮防洪工程,斷面堤防設防流量設計為20 000 m3/s,洪水位設計為65.00 m,主橋長要滿足主河槽擺動的寬度要求,兩岸灘地孔跨、主橋孔跨都要滿足河段防凌防洪要求。

(4)項目沿線環境敏感區重要設施的分布及影響。

該項目所在區域地震基本烈度為Ⅶ～Ⅷ度區,為強震區。在布設線路時,應盡量避開較大的斷裂帶,或注意與之形成較合適的交角,以有效抗震減災。對于黃河兩側大堤,橋高應滿足通車凈空要求。另外,濮陽市境內文物保護區資源豐富,設計要求避開文物保護區,使之不在路區范圍內。同時,黃河特大橋根據通航標準合理布跨,滿足橋位處黃河Ⅳ級航道的要求,未來河段通航亦可與本項目交通流輕松轉換,實現黃河中下游區域的內河運輸。

(5)對1 000 kV高壓輸電線及高速公路網的整體走向的影響。

根據以上的控制因素,本項目初擬黃河橋位為:北側于小辛莊南側跨越黃河北大堤,向東南跨越黃河,于菏澤市牡丹區李莊集鄉東高寨東北跨越黃河南大堤。

3 橋型比選

參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)[3],跨大堤橋跨徑為130 m,適合此跨徑的橋梁結構形式主要有鋼桁架橋、連續梁橋、斜拉橋、拱橋等,鋼桁架橋造價較高,且后期養護工作量大,造型也與堤外引橋不搭配,故不考慮選用。斜拉橋及拱橋需要采用整體式路基,跨大堤橋平面位于直線上,路線平面需要由分離路基過渡到整體路基,路線線形不暢,施工工藝復雜且養護工作量大,造價高[4],也不予選用。連續梁橋跨中梁高比較小,結構輕盈,較為合適,初步設計提出兩個梁式橋和一個斜拉橋設計方案,從材料等方面對三個方案進行比選。

3.1 方案一:預應力混凝土連續梁橋

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預應力混凝土體系,縱向按全預應力結構設計,縱向預應力采用高強度低松弛預應力鋼絞線,豎向預應力采用預應力高強螺紋鋼筋。大堤橋跨布置為(75+130+75)m預應力混凝土連續梁橋,全長280 m,寬為2×16.56 m,為上下行分離式橋梁。

上部結構采用預應力混凝土變截面連續梁,邊跨與中跨的比例為0.67。箱梁采用單箱單室截面,箱梁頂板寬16.56 m,底板寬8.5 m,翼緣懸臂長4.03 m,底板水平,頂板設2.0%單向橫坡。支點處梁高7.5 m,邊跨直線段及主跨跨中處梁高3.5 m,梁高變化段梁底曲線采用1.8次拋物線方程。箱梁頂板厚0.3 m,底板厚0.32～0.95 m,按1.8次拋物線變化,腹板厚0.6～0.8 m,懸臂板根部厚0.8 m,端部厚0.2 m,截面轉角處均設倒角過渡。箱梁邊支點、中支點及中跨跨中設置橫梁,厚度分別為2.5、3.0、0.3 m,中支點橫梁、跨中橫隔板和聯間邊支點橫梁設置人孔。箱梁在懸臂板底側距邊緣10 cm處設半徑r=2 cm的滴水槽。

下部結構采用箱型墩、承臺及群樁基礎,主墩平面尺寸為8.5 m×4.0 m,橫橋向壁厚1.0 m,順橋向壁厚0.8 m,承臺平面尺寸為14 m×14 m,厚4.0 m,承臺下設9根Φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎,樁間距5.2 m。主橋間連接墩平面尺寸為8.5 m×4.0 m,橫橋向壁厚1.0 m,順橋向壁厚0.8 m,承臺平面尺寸為14 m×8.8 m,厚4.0 m,承臺下設6根Φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎,樁間距5.2 m。主引橋間連接墩平面尺寸為8.5 m×3.0 m,壁厚 0.7 m,承臺平面尺寸為14 m×8.8 m,厚3.5 m,承臺下設6根Φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎,樁間距5.2 m。墩身采用C40混凝土,承臺采用C35混凝土、基樁采用C30混凝土。墩高>20 m設一道橫隔板。橋墩四角設置0.3 m圓弧倒角。

3.2 方案二:波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋

上部結構采用波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋,邊跨與中跨的比例為0.577。橋跨布置為(75+130+75)m波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋,全長280 m,橋寬2×16.56 m,采用上、下行分離式橋梁。主橋波形鋼腹板與混凝土頂板用翼緣型雙開孔鋼板連接,與底板混凝土采用翼緣型角鋼剪力鍵連接,縱向連接設計均采用雙面搭接貼角焊接,與跨間橫隔連接采用雙PBL鍵連接。波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋于20世紀80年代起源于法國,20世紀90年代在日本得到了廣泛的應用。2005年以來在國內也得到了廣泛的應用,主要應用橋型為連續梁橋、連續剛構橋、矮塔斜拉橋,主要應用跨徑為60～190 m。

參照《大跨徑波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋技術規范》(DB 37/T 3549—2019)[5]和黃河特大橋實際要求[6],下部結構采用箱型墩,主墩截面尺寸4.0 m×8.5 m,縱向壁厚1.0 m,橫向壁厚1.0 m,連接墩截面尺寸3.5 m×8.5 m,壁厚0.75 m,四周倒50 cm圓角?；A采用承臺群樁鉆孔灌注樁,主墩承臺尺寸為14.0 m×14.0 m,厚4.0 m,每個主墩下設9根Φ2.0 m 的鉆孔灌注樁,連接墩承臺尺寸為14.0 m×8.8 m(橫橋向尺寸×縱橋向尺寸),厚4.0 m,每個連接墩下設6根Φ2.0 m的鉆孔灌注樁,墩身采用C40混凝土,承臺采用C35混凝土,基樁采用C30混凝土。

3.3 方案三:預應力混凝土部分斜拉橋

方案三為2×(80.5+7×137+80.5)m預應力混凝土部分斜拉橋。主橋橋跨布置為2×(80.5+7×137+80.5)m,全長2 240 m,橋寬1×35.06 m,采用整幅式橋面。

上部結構采用預應力混凝土部分斜拉橋,邊跨與中跨的比例為0.59。主梁:上部結構設計為上、下行合并整體箱、單箱三室、斜腹板,外形成流線型,較為美觀。支點根部梁高選用5.0 m,跨中梁高采用2.9 m,為便于施工,跨中42 m范圍為等高梁段,箱梁高度以及底板厚度均按1.6次拋物線變化,箱梁頂寬35.06 m,根部底板寬18.475 m,懸臂長6.53 m,頂板厚0.3 m,底板厚 0.32～0.6 m,中腹板厚0.5 m,邊腹板厚0.55 m。箱梁0號節段長11 m,每個懸澆“T”16個節段,梁段數及梁段長從根部至跨中分別為4×3.5 m、12×4.0 m,節段懸澆總長62 m。邊、中跨合龍段長均為2 m,邊跨現澆段長10.28 m。主塔:塔高27.0 m,塔高與跨徑之比為1/5.074,塔厚1.8 m。為增加索塔景觀效果,塔柱為弧線外形并設置凹槽,底部截面8.0 m×1.8 m,上部截面5.0 m×1.8 m,塔柱側面設置3.0 m×0.2 m凹槽,在塔上設置索鞍,斜拉索通過外鋼管穿過橋塔,在梁上兩端張拉。

斜拉索:單索面結構,橋塔和斜拉索放置在中央分隔帶內,采用環氧涂層鋼絞線拉索,每個錨固點使用2×55Φs15.24鋼絞線,每個橋塔上共設2×10對斜拉索,橫向兩排索間距1.0 m。下部結構采用箱型墩,單箱雙室截面,主墩截面尺寸(5～7)m×(13～15)m,縱向壁厚0.8 m,橫向壁厚0.8 m。主墩間連接墩尺寸(4～5)m×(13～15)m,縱向壁厚0.8 m,橫向壁厚0.8 m。主橋和引橋連接墩截面尺寸3.5 m×(21.0～24.0) m,縱向壁厚0.8 m,橫向壁厚1.2 m或 0.7 m,四周倒50 cm圓角。

基礎采用承臺群樁鉆孔灌注樁。主墩承臺尺寸為19.2 m×24.4 m,厚度4 m,每個主墩下設20根Φ2.0 m鉆孔灌注樁。主墩間連接墩承臺尺寸24.4 m×8.8 m,承臺厚4.0 m,每個承臺下面設置10根Φ2.0 m樁基,主橋與引橋連接墩承臺尺寸為29.6 m×8.8 m,厚度3.5 m,每個連接墩下設12根Φ2.0 m鉆孔灌注樁。墩身采用C40混凝土,承臺采用C35混凝土,基樁采用C30混凝土。

4 橋型方案對比分析

4.1 橋梁方案比較

預應力混凝土連續梁橋具有施工工藝成熟、工期短、造價低、后期養護工程量小等諸多優點,目前在60～150 m跨徑范圍內占據主導地位。部分斜拉橋與連續梁橋結構相比,梁高相對較低,在跨徑相同時,主梁高度可比連續梁小一半左右,引橋采用梁高較低的結構整體比較美觀。大跨度梁橋往往有后期跨中下撓嚴重、腹板開裂的病害,而部分斜拉橋由于具有斜拉索(即體外預應力),使得其先天具備抵抗這一病害的能力,耐久性較梁式橋更好。但是部分斜拉橋方案(方案三)采用整幅式斷面,因設置橋塔的需要,需加寬中分帶和橋面寬度。主橋長達2 000 m,索塔多達14個,部分斜拉橋方案景觀效果不占優勢。采用大懸臂整體式斷面施工也較分離式梁式橋復雜,后期維護工作量大,并且造價相對同跨徑梁式橋(方案一)偏高,故推薦采用預應力混凝土梁式橋方案。

4.2 施工工藝對比

方案一采用跨徑組合為2×(80+8×120+100)m的預應力混凝土連續梁橋,方案二采用同跨徑組合的波形鋼腹板預應力混凝土梁橋。方案二是一種經濟、高效、施工簡便的新型橋梁結構形式,較好地將鋼、混凝土兩種不同材料結合起來,減小了大跨徑混凝土梁式橋腹板開裂、跨中下撓的風險,采用體外索可方便后期橋梁的維修,自重減輕15%,降低地震力影響,造價也有所降低,工期短,并且符合國家節能減排的總體設計理念,已逐漸成為我國橋梁建設中非常有競爭力的常規橋型。但是,大跨徑波形鋼腹板預應力混凝土連續梁橋的施工工藝相對比較復雜,施工控制要求高,目前國內熟練的施工隊伍比較少,考慮到本項目主橋規模較大,為確保工期和工程質量,故主橋推薦采用預應力混凝土連續梁橋。

通過表2對比分析得出:三個橋型方案的主橋長、跨徑組合、分聯情況相同,主要差別在結構的合理性、工程造價、工期、后期維護及施工難度等方面,經分析對比,方案一、方案二、方案三各有優缺點;其中,方案一、方案二進入遴選后再進行綜合比選。

表2 跨大堤橋設計方案對比

4.3 綜合方案比選

綜合方案比選在方案一與方案二之間進行,方案一、方案二各有優缺點,在設計階段進行了同深度詳細設計,方案綜合對比見表3。

表3 跨大堤橋方案綜合對比

根據表3所列11項對比因素,考慮到施工技術難易程度,以及造型與堤外引橋的搭配、同周圍環境的協調性等多種因素,最終陽新高速公路黃河特大型橋梁工程跨大堤橋選取方案一,采用預應力混凝土連續梁橋設計方案。特別需要注意的是陽新高速公路黃河特大型橋梁跨大堤橋的橋體巨大,橋梁上部重量大、跨徑大,跨中存在下撓風險,可能影響橋梁的安全性和耐久性[7],因此,一定要做好特大型橋梁與跨大堤橋的結構抗震設計。

5 結 語

黃河特大型橋梁跨越河南省與湖北省高速公路,在具體擬定本項目橋位方案時,要考慮兩省、兩市的橋位對接、高速公路網的路線整體走向、橋址處河道的穩定性以及黃河防洪等因素。同時,還要處理好航道、交通、生態環境間的關系。確保橋梁耐久性及安全性是橋梁工程的關鍵,遵循造價低、施工技術成熟及結構合理等原則,橋型設計采用跨徑組合為2×(80+8×120+80)m的預應力混凝土連續梁橋,以盡可能地降低通航風險及施工風險,節省造價。