適宜黃河游蕩河段的梁橋橋跨布設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

楊 紀(jì)，崔振華，馮仲林

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450003）

1 黃河游蕩河段特性

黃河按照河性可分為游蕩性河段、過渡性河段和彎曲性河段。黃河上游寧夏頭道墩至石嘴山河段、內(nèi)蒙古巴彥高勒至三湖河口河段，中游禹門口至潼關(guān)河段（俗稱小北干流），下游白鶴至高村河段均屬典型的游蕩性河段，其中上游頭道墩至石嘴山河段河寬1 800～6 000 m，平均寬約3 300 m；巴彥高勒至三湖河口河段河寬2 500～5 000 m，平均寬約3 500 m；中游禹門口至潼河段河寬2 000～7 000 m，平均寬約4 000 m；下游白鶴至高村河段平均寬約 8 400 m，最寬處20 000 m。游蕩性河段斷面寬淺，水流散亂，河床河岸抗沖性差，自然條件下，主流在寬闊的河道內(nèi)游蕩擺動劇烈，幾乎可以在整個河道橫向范圍任意擺動。人民治黃以來，經(jīng)過歷次河道整治工程建設(shè)，黃河干流部分游蕩性河段主流擺動范圍有所減小，但從整體來看，大部分游蕩性河段河勢仍未得到有效控制，往往一場大水過后，河勢就會發(fā)生劇烈變化。

2 游蕩河段橋梁孔跨布設(shè)要求

黃河主河槽是行洪的主要通道，單寬流量大，沖淤變化劇烈，要求跨黃橋梁單孔跨度大，橋梁樁基深；灘地單寬流量小，沖淤變化小，要求的單孔跨度和樁基埋深較主河槽橋跨小。因此，如果設(shè)計的主河槽寬度偏小，一旦河勢變化，灘地變?yōu)橹鞑?，有可能增大橋梁壅水高度和沖刷深度，危及防洪和大橋安全。在黃河的游蕩河段，主流搖擺不定，特殊情況下，主流甚至可以在整個河道范圍內(nèi)擺動，游蕩性河段的特點(diǎn)決定了主河槽擺動范圍大，進(jìn)而決定了游蕩性河段跨黃大橋主橋的聯(lián)長較長。

同時為滿足黃河行洪行凌要求，黃河水利委員會關(guān)于廢止和修改部分涉及行政審批文件的決定（黃辦〔2017〕285號）對不同河段黃河大橋的孔跨布置的規(guī)定見表1。

表1 不同河段主槽與灘地孔跨布置 m

3 游蕩河段橋梁設(shè)計分析

3.1 傳統(tǒng)橋梁設(shè)計方法對黃河大橋的制約

由于黃河游蕩性河段黃河大橋主橋的聯(lián)長較長，因此設(shè)置長聯(lián)多跨連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋或者矮塔斜拉橋較為常見。長聯(lián)多跨連續(xù)梁的聯(lián)長在靜力工況下一般不起控制作用，但在動力工況下則不同，一般聯(lián)長達(dá)到千米級的橋梁，就較難抵抗地震荷載的作用了，需要做特殊的減隔震措施對地震荷載進(jìn)行消能方能滿足受力要求。當(dāng)聯(lián)長增長到一定程度時，目前的減隔震技術(shù)已不能滿足結(jié)構(gòu)要求。目前建成橋梁中聯(lián)長最長的為錢塘江二橋（1 340 m，地震烈度6度區(qū)）。

從橋梁抗震設(shè)防的角度來說，主橋的聯(lián)長不宜過長，這與黃河主河槽擺動范圍較大相矛盾。橋梁設(shè)計工作者們通常會考慮將主橋分聯(lián)，以減輕主橋的地震響應(yīng)。對于連續(xù)梁來說，常規(guī)的設(shè)計方法中，邊跨與中跨的比值一般在0.55～0.65的范圍內(nèi)受力較為合理（見圖1，L為中跨長），因此一聯(lián)連續(xù)梁橋通常會設(shè)置一個小跨徑的邊跨。如果主河槽內(nèi)橋梁分聯(lián)，則會導(dǎo)致主河槽中部布置小跨徑橋，影響防洪安全。

圖1 常規(guī)大跨連續(xù)梁跨徑布置

3.2 游蕩河段橋梁設(shè)計解決方案

為解決這一難題，國內(nèi)外的橋梁工作者們做了很多嘗試，典型的方法及優(yōu)缺點(diǎn)如下。

（1）設(shè)置掛孔分聯(lián)。這種方式（見圖2）結(jié)構(gòu)受力較為明確，但主梁懸臂處剛度較小，汽車活載作用下伸縮縫處容易形成跳車現(xiàn)象。牛腿在頻繁的沖擊荷載下容易出現(xiàn)疲勞破壞。在20世紀(jì)初，這種做法已基本淡出歷史舞臺。

圖2 掛孔式梁橋布置示意

（2）設(shè)置T構(gòu)分聯(lián)過渡。這種方式（見圖3）在河槽中央設(shè)置一個體量較大的T構(gòu)，T構(gòu)的兩端設(shè)置牛腿，與兩側(cè)連續(xù)梁連接。這種做法與掛孔分聯(lián)類似，也有牛腿疲勞開裂的病害，而且主河槽中設(shè)置體量巨大的T構(gòu)，對行洪的影響較大，因此較少采用。

圖3 T構(gòu)分聯(lián)示意

（3）將連續(xù)梁邊中比變?yōu)?∶1分聯(lián)布設(shè)，然后以加大截面的方式“硬扛”。這種方式（見圖4）雖然降低了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的難度，但1∶1的邊中比使結(jié)構(gòu)的彎矩分布十分不均衡，邊跨過大導(dǎo)致正彎矩過大。通過增大邊跨截面的方式進(jìn)行“硬扛”勢必導(dǎo)致其自重進(jìn)一步加大，結(jié)構(gòu)受力進(jìn)一步趨于不平衡。即便勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)也永遠(yuǎn)處于不均衡的受力狀態(tài)下，大大縮短了使用壽命。

圖4 加大邊跨截面連續(xù)梁布置示意

連續(xù)梁跨徑的布置一般采用不等跨的形式。如果采用等跨布置，則邊跨內(nèi)力（包括邊支墩處梁的負(fù)彎矩）將控制全橋設(shè)計，這樣是不經(jīng)濟(jì)的。此外邊跨過長，削弱了邊跨的剛度，將增大活載在中跨跨中截面處的變化幅值，增加預(yù)應(yīng)力束筋數(shù)量。因此，一般邊跨長度取中跨的0.55～0.65倍，邊跨長度過短，邊跨橋臺支座將會產(chǎn)生負(fù)反力，支座與橋臺必須采用相應(yīng)抗拔措施或施加邊梁壓重來解決。應(yīng)該注意到，邊跨的長度與連續(xù)梁的施工方法有關(guān)，如采用懸臂法施工，考慮到一部分邊跨是采用懸臂施工外，剩余的一部分邊跨需在腳手架上施工。為減小支架及現(xiàn)澆段長度，邊跨長度不宜超過中跨長度的0.65倍［1］。目前國內(nèi)外等跨連續(xù)梁應(yīng)用較多的兩種方法如下。

（1）邊跨增加支點(diǎn)梁高。該方法通過增加邊跨支點(diǎn)梁高的方式來提高邊跨主梁的承載能力，使之能夠滿足邊跨受力需要。該種方法有如下缺點(diǎn)：①提高邊跨梁高的同時，邊跨恒載內(nèi)力隨之增大，因此經(jīng)濟(jì)性較差，跨徑較大時，往往難以實(shí)現(xiàn)；②該橋型一般采用平衡懸臂掛籃施工，邊、中跨梁高不一致，導(dǎo)致邊墩單“T”施工和中墩單“T”施工模板、掛籃均不一致，施工難度較大；③由于邊、中跨梁高不一致，導(dǎo)致梁底曲線不對稱，進(jìn)一步加大了施工難度。

（2）T構(gòu)橋-連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)。該方法通過設(shè)置一個靜定的T構(gòu)將長聯(lián)連續(xù)梁分開，T構(gòu)作為連續(xù)梁的邊跨支墩，通過牛腿與連續(xù)梁橋相連。該種方法有如下缺點(diǎn)：①掛孔的牛腿疲勞問題比較嚴(yán)重，近年來，大量設(shè)置掛孔的橋梁已經(jīng)出現(xiàn)牛腿疲勞裂縫，威脅橋梁安全，如今這種橋梁已經(jīng)較少采用；②當(dāng)跨徑較大時，T構(gòu)需要的懸臂長度較大，一方面導(dǎo)致T構(gòu)梁高龐大，不經(jīng)濟(jì)，另一方面導(dǎo)致T構(gòu)懸臂剛度較小，在汽車活載下容易發(fā)生跳車現(xiàn)象，進(jìn)一步影響掛孔的壽命；③體積龐大的T構(gòu)往往處于主河槽中心區(qū)域，無論是行洪渡汛、通航方面，還是美觀方面，都是不合適的。

4 改進(jìn)解決方案

眾所周知，梁高與自重成正比，梁高的三次方與剛度成正比，隨著梁高的增加，剛度的增長速度遠(yuǎn)大于自重增長速度，因此增加梁高理論上可以解決這一難題。然而上文所述的單純增加梁高的方法有諸多缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用起來受很大局限，因此希望找出一種既能增加剛度，自重增長又較小的方式應(yīng)用于大跨徑等跨連續(xù)梁的邊跨來解決這一問題。

通過調(diào)整邊跨結(jié)構(gòu)材料的方法，采用鋼混組合梁的方案，減小邊跨自重、正彎矩，將連續(xù)梁邊中比設(shè)置為1∶1，以便設(shè)計長聯(lián)大跨連續(xù)梁時靈活分聯(lián)，縮短主橋聯(lián)長（見圖5）。相對于混凝土截面，鋼結(jié)構(gòu)截面的自重輕、剛度大，符合上述標(biāo)準(zhǔn)，可以引入等跨連續(xù)梁的邊跨進(jìn)一步研究。鋼結(jié)構(gòu)橋分鋼箱梁橋、鋼桁架橋、鋼混組合梁橋、波紋鋼腹板橋等，同等跨徑滿足結(jié)構(gòu)受力的條件下，不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的恒載集度比見表2。

圖5 等跨連續(xù)梁跨徑布置

表2 不同材質(zhì)箱梁恒載集度比

以5×100 m連續(xù)梁為例，中跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，邊跨分別采用表2中4種材質(zhì)箱梁。中跨荷載施加大小為4 kN／m，邊跨荷載按表2恒載集度比施加，對彎矩進(jìn)行計算。

各梁型最大彎矩及各梁型總彎矩與預(yù)應(yīng)力混凝土梁彎矩的比值見表3。邊跨采用鋼箱梁時，全橋彎矩總效應(yīng)降低了29.4%，采用鋼混組合箱梁時降低了19.6%，采用波紋鋼腹板箱梁時降低了11.8%。邊跨采用輕質(zhì)材料對降低全橋的總彎矩效應(yīng)效果明顯。邊跨為鋼箱梁時，邊跨跨中彎矩非常小，而次邊跨跨中彎矩較大，說明邊跨質(zhì)量過小，導(dǎo)致次邊跨下?lián)线^多。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁正好相反，邊跨跨中彎矩較大而次邊跨跨中彎矩較小，說明邊跨質(zhì)量過大，導(dǎo)致邊跨下?lián)线^多。結(jié)合梁和波紋鋼腹板橋型介于鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁之間，都較為均衡。

表3 各梁型最大彎矩kN·m

實(shí)際應(yīng)用中，可以將上述結(jié)構(gòu)組合在一起靈活應(yīng)用，如一段鋼箱梁一段預(yù)應(yīng)力混凝土梁、一段組合梁一段預(yù)應(yīng)力混凝土梁、一段鋼箱梁一段組合梁等。根據(jù)不同的施工工藝、不同的橋?qū)捈昂奢d情況進(jìn)行調(diào)整，總能組合出內(nèi)力相對均勻的結(jié)構(gòu)型式。

5 實(shí)際工程應(yīng)用

現(xiàn)以黃河上游某大橋設(shè)計為例驗(yàn)證上述方案的可行性。此橋主橋?qū)嶋H布跨為7×100 m+6×100 m兩聯(lián)，現(xiàn)取其第一聯(lián)7×100 m進(jìn)行分析。橋型方案見圖6。

圖6 黃河大橋主橋橋型立面（cm）

該橋考慮用平衡懸臂施工方法澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土梁段，綜合結(jié)構(gòu)受力因素，邊跨100 m采用51 m鋼箱梁組合49 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁段。其中49 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁段與中跨的49 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁段進(jìn)行平衡懸臂施工。51 m邊跨鋼箱梁中46.5 m采用頂推法施工，另外4.5 m為鋼混組合段，采用現(xiàn)場拼裝法施工并灌注微膨脹混凝土（見圖7～圖10）。

圖7 黃河大橋主橋邊跨立面構(gòu)造（cm）

圖8 黃河大橋主橋中跨立面構(gòu)造（cm）

圖9 鋼箱梁段斷面（cm）

圖10 預(yù)應(yīng)力混凝土梁段斷面（cm）

采用midas civil建立有限元模型，得到了正截面抗彎承載能力、斜截面抗剪承載能力、結(jié)構(gòu)正截面抗裂、結(jié)構(gòu)斜截面抗裂等驗(yàn)算結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語

常規(guī)連續(xù)梁的邊跨與中跨的比值應(yīng)為0.55～0.65，否則結(jié)構(gòu)受力不合理。通過改變邊跨梁段材質(zhì)的方法，減輕邊跨重量，可降低邊跨正彎矩，使等跨連續(xù)梁受力更為合理。

這種設(shè)計方法應(yīng)用于黃河大橋最顯著的優(yōu)勢在于可使橋梁結(jié)構(gòu)不再受黃河主河槽擺動范圍的制約。由于大跨連續(xù)梁應(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)等跨布設(shè)，聯(lián)長的劃分將變得非常靈活，可以3跨一聯(lián)，也可5跨一聯(lián)等，因此原則上無論主河槽多寬，都可采用主跨布設(shè)，結(jié)構(gòu)受力沒有問題，可嚴(yán)格執(zhí)行黃委關(guān)于涉河建筑的相關(guān)規(guī)定，解決黃河游蕩河段長聯(lián)大跨徑梁橋布設(shè)的難題。