晉蒙黃河特大橋總體設(shè)計

韓 鋒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 項(xiàng)目概況

晉蒙黃河特大橋位于山西省河曲縣和內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗之間黃河干流上，是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”第三橫（靈丘—河曲）的重要組成部分。采用雙向六車道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，大橋全長2 133 m，主跨為152 m PC連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合體系橋。大橋由主橋及兩側(cè)引橋組成。

大橋總體布置由山西岸至內(nèi)蒙岸：8×50 m先簡支后連續(xù)T梁＋（82.68＋4×152＋82.8）m＋（82.8+3×152+82.72）m PC連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合體系+11×30 m先簡支后連續(xù)T梁。

橋梁設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

a）設(shè)計速度 80 km/h；

b）路基寬度 32 m；

c）荷載等級 公路-Ⅰ級；

d）設(shè)計洪水頻率 特大橋1/300；

e）設(shè)計基本風(fēng)速 32.7 m/s；

f）地震烈度 Ⅵ度地震區(qū)，采用Ⅶ度抗震措施。

2 分孔原則與橋型方案選擇

2.1 主橋

從地形、地質(zhì)和氣象水文等條件出發(fā)，根據(jù)實(shí)際需要，主橋橋孔布置滿足通航規(guī)劃與凈空要求，按照適孔布置原則即可，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，主橋采用（82.68＋4×152＋82.8）m＋（82.8+3×152+82.72）m 兩聯(lián)連續(xù)-剛構(gòu)橋設(shè)計方案。主橋橋型總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋型總體布置圖（單位：cm）

2.2 引橋

引橋長度占全橋橋梁總長的20%，考慮到橋梁跨越S249、明長城遺址以及納榆線等，設(shè)計分孔研究時對山西岸橋孔選取50 m的跨徑，內(nèi)蒙岸選取30 m跨徑。從施工常規(guī)和施工簡便的要求考慮，上部構(gòu)造采用梁式體系，初步設(shè)計階段進(jìn)行了預(yù)制T梁與移動模架現(xiàn)澆箱梁方案比較?？紤]到T梁吊裝重量較同等跨徑箱梁小、施工便利，同時考慮到山西側(cè)引橋所跨越的省道S249無改線空間，且山西側(cè)岸坡地形較陡，應(yīng)盡量減少在陡坡布置橋墩個數(shù)，減少下部承臺基礎(chǔ)挖方量，避免對自然環(huán)境的過多破壞，降低施工難度和安全風(fēng)險，因此山西側(cè)引橋采用50 m T梁；而內(nèi)蒙側(cè)引橋所處地勢平坦，橋高基本在30 m以下，采用30 m T梁。

3 橋梁主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)特點(diǎn)

3.1 主橋

主橋平面位于直線段，縱斷面位于凸形豎曲線上，最大橋高51.5 m。橋面全寬32 m，采用分幅設(shè)置，單幅主梁截面形式為單箱單室，頂板寬15.75 m（含兩側(cè)各10 cm后澆帶），底板寬8 m，翼緣板懸臂長為3.875 m。墩頂0號塊梁高9.5 m，跨中合攏段梁高3.4 m，主梁根部至跨中合攏段梁高按1.7次拋物線變化。懸澆梁段頂板厚度32 cm，底板厚度32～90 cm，腹板厚度 50～70 cm，0號塊頂板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。箱梁頂設(shè)2%橫坡，梁底保持水平，兩側(cè)腹板不等高。主梁采用懸澆法施工，最大懸臂長75 m，合攏段長2 m，邊跨現(xiàn)澆段長5.3 m，主梁邊中跨比為0.541 4。主橋典型橫斷面如圖2所示。

圖2 主橋典型橫斷面（單位：mm）

主梁采用C55混凝土，三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束型號：頂板束、腹板束、邊跨合攏束為23φs15.2，其中 2號梁段頂板束 T2及 T2’為19φs15.2；邊跨底板束為21φs15.2；中跨合攏束為19φs15.2。

主橋橋墩均采用矩形空心墩形式。連續(xù)墩縱橋向?qū)挾? m，橫橋向?qū)挾?0 m；剛構(gòu)墩縱橋向?qū)挾? m，橫橋向?qū)挾? m；最大墩高43.5 m，為分聯(lián)墩。

橋址處地基土以薄層互層狀砂巖與泥巖組成，以交錯層發(fā)育為特征，強(qiáng)度較低，屬極軟巖，且變異性較大。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)：跨徑大、高度大，對地基強(qiáng)度及變形要求高的特點(diǎn)，基礎(chǔ)采用有效樁徑為2 m的鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計，樁長56～60 m。為防止黃河泥沙沖刷樁基，河道中主墩在樁頂15 m長度范圍設(shè)永久性鋼護(hù)筒。交界墩、分聯(lián)墩采用分離式承臺，承臺厚度3 m，接6根直徑2 m的鉆孔灌注樁。連續(xù)墩、剛構(gòu)墩采用整體式承臺，承臺厚度5 m，接24根直徑2 m的鉆孔灌注樁。主橋橋墩斷面如圖3所示。

本橋?yàn)檫B續(xù)梁和剛構(gòu)混合體系，墩高及約束形式的不對稱使得各跨受力差異較大。由于剛構(gòu)墩截面尺寸較小，承載力不足以抵抗地震力；同時，連續(xù)墩的承載力沒有得到利用。為克服上述缺點(diǎn)，在連續(xù)墩墩頂設(shè)速度鎖定裝置，地震來臨時，連續(xù)墩被鎖定，參與地震力分配。由于連續(xù)墩剛度大，分擔(dān)了較多的地震力，連續(xù)墩的承載力得以發(fā)揮；剛構(gòu)墩彎矩減小，安全儲備提高。為了使地震作用分布更為合理，除18號墩外（最矮墩），其余連續(xù)墩（9號、12號、13號、15號墩）均設(shè)置速度鎖定器。

圖3 主橋橋墩斷面（單位：cm）

圖4 速度鎖定器布置及構(gòu)造圖

3.2 引橋

引橋上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，單幅橋?qū)?5.75 m，橫向7片梁通過濕接縫連接為整體。50 m T梁高2.8 m，下部采用圓柱式墩、矩形墩、矩形空心墩，最大墩高42 m；30 m T梁高2.0 m，下部采用圓柱式墩，最大墩高26.2 m。

3.3 主要設(shè)計特點(diǎn)

與同類橋梁相比，本橋在設(shè)計中處于較為領(lǐng)先地位，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面[1-2]：

a）基于黃河特定環(huán)境的防護(hù)需要，主橋橋墩均考慮破冰體防護(hù)，結(jié)構(gòu)采用高標(biāo)號混凝土。

b）基于本橋較大承載能力要求與地質(zhì)條件較差的現(xiàn)狀，主墩設(shè)計采用大直徑、長樁基、大承臺設(shè)計。

c）河道中主墩樁頂以下15 m設(shè)置2 200×16 mm鋼管兼做鋼護(hù)筒以防止泥沙沖刷。

d）主橋連續(xù)墩設(shè)速度鎖定器，縱向地震荷載作用下所有主墩均參與地震力分配，使縱向地震力不控制下部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

e）主墩承臺采用整體式，在橫橋向風(fēng)載荷和橫橋向地震荷載作用下較分離式承臺方案基礎(chǔ)工程規(guī)模明顯減少。

4 主橋結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 靜力分析

主橋上部按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，三向預(yù)應(yīng)力體系，采用MIDAS 2010有限元程序考慮多種工況組合進(jìn)行計算與校核，進(jìn)行了成橋狀態(tài)下恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、支座強(qiáng)迫位移、風(fēng)荷載、溫度變化等作用的計算[3]，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，結(jié)果詳見表1、表2所示。

表1 主橋第一聯(lián)主梁主要驗(yàn)算指標(biāo)表 MPa

表2 主橋第二聯(lián)主梁主要驗(yàn)算指標(biāo)表 MPa

4.2 動力分析

對于主跨大于150 m的特大橋，抗震設(shè)防類別采用A類，抗震設(shè)防目標(biāo)是E1地震作用下不受損傷，E2地震作用下可發(fā)生局部輕微損傷經(jīng)簡單修復(fù)可繼續(xù)使用。地震作用下主橋主要受力構(gòu)件不可采用延性設(shè)計，不允許出現(xiàn)塑性鉸[4-5]。

結(jié)構(gòu)動力分析按《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）分別按反應(yīng)譜理論和時程分析進(jìn)行抗震計算，將橋梁上、下部及基礎(chǔ)作為空間整體結(jié)構(gòu)，用MIDAS系列軟件進(jìn)行反應(yīng)譜及時程分析，分析結(jié)果取其中最大值。速度鎖定器采用縱向剛性連桿模擬，樁土作用采用六自由度彈簧模擬，地基比例系數(shù)m取300 000 kN/m4。主橋?yàn)橹本€橋，地震荷載順橋向和橫橋向地震作用分別考慮。

表3 恒載+順向地震作用下第一聯(lián)墩底截面內(nèi)力對比

從表3可直觀看出，不設(shè)置鎖定器時，地震力主要由兩個剛構(gòu)墩承擔(dān)。由于剛構(gòu)墩截面尺寸較小，承載力不足以抵抗地震力；同時，連續(xù)墩的承載力沒有得到利用。若在連續(xù)墩墩頂設(shè)速度鎖定裝置，地震來臨時，連續(xù)墩被鎖定，參與地震力分配。由于連續(xù)墩剛度大，分擔(dān)了較多的地震力，連續(xù)墩的承載力得以發(fā)揮；剛構(gòu)墩彎矩減小，安全儲備提高。

表4 順向地震作用下第二聯(lián)墩底截面彎矩對比 kN·m

從表4可以看出，在地震作用下，第二聯(lián)與第一聯(lián)有著相似的彎矩分布。不同之處在于第二聯(lián)18號墩較矮，抗推剛度大，因而承擔(dān)了更多的地震力。若取消18號墩速度鎖定器，該墩彎矩明顯減小，而其余各主墩彎矩略有增加。

5 結(jié)語

晉蒙黃河特大橋建設(shè)條件復(fù)雜、技術(shù)難度大、設(shè)計工作涉及方面多、協(xié)調(diào)任務(wù)重、周期短、任務(wù)艱巨。主橋采用大跨長聯(lián)連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋具有行車條件好、養(yǎng)護(hù)工作量小等明顯優(yōu)點(diǎn)[6]。目前，我國已建成若干座大跨連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋，在設(shè)計及施工方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但在北方寒冷、Ⅵ度地震區(qū)修建6跨一聯(lián)的長聯(lián)大跨高墩連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋經(jīng)驗(yàn)太少[7]。本文對晉蒙黃河特大橋的主要設(shè)計特點(diǎn)做了詳細(xì)介紹，旨在對大跨長聯(lián)連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋的設(shè)計、施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。對于跨越河流、深溝等結(jié)合地形、地質(zhì)布置成連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值，可供今后同類橋梁的設(shè)計、施工參考、借鑒[8]。