陽新高速公路黃河特大橋主橋設(shè)計(jì)

李宏亮，徐珂，劉海陽，李衛(wèi)國，金攀，魏勇，王超

(1.河南濮澤高速公路有限公司，河南 濮陽 457000；2.中國河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)；3.河南省第二公路工程有限公司；4.鄭州交通建設(shè)投資有限公司)

陽新高速公路黃河特大橋主橋長(zhǎng)2 240 m，最大聯(lián)長(zhǎng)1 120 m，全橋共分36聯(lián)。大橋跨徑布置形式為(80+8×120+80)m+(80+8×120+80)m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。這在同類橋梁中不多見，且位于高烈度地區(qū)，抗震設(shè)防難度大?？紤]該黃河特大橋橋位、橋跨受控因素較多，黃河特大橋橋位選擇需滿足河南省和山東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃及總體走向要求，符合黃河水利、水文特點(diǎn)，再加上主橋位河段為典型游蕩性河段，主河槽擺動(dòng)大，選擇合適的橋梁形式是該項(xiàng)目的重點(diǎn)，通過多種橋梁形式比較得到最優(yōu)方案，達(dá)到綜合效益最優(yōu)。

1 工程概況

陽新高速公路黃河特大橋全長(zhǎng)8.127 km，時(shí)速120 km/h。其中河南省境內(nèi)4.864 km，山東省境內(nèi)3.263 km。孔跨布置為：20×30 m+(75+130+75)m+55×50 m+2×(80+8×120+80)m+25×50 m+(75+130+75)m +24×30 m。其中：北堤外引橋：孔跨布置為20孔30 m，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力與行車舒適性兩方面考慮，分為5聯(lián)，每聯(lián)為4孔30 m。

2 黃河特大橋主要技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該工程黃河大橋設(shè)計(jì)使用年限為100年，工程結(jié)構(gòu)的耐久性影響結(jié)構(gòu)的正常使用，科學(xué)設(shè)計(jì)是確保耐久性的重要環(huán)節(jié)。黃河特大橋主要技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。

(2)設(shè)計(jì)洪水頻率：特大橋 1/300。

(3)橋梁耐久性設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)物上部采用Ⅰ類環(huán)境，下部采用Ⅱ類環(huán)境。

(4)彈性摸量：1.95×105MPa。

(5)張拉控制應(yīng)力：1 395 MPa。

(6)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：1 260 MPa。

該工程作為高速公路跨黃河大橋，合理設(shè)計(jì)可以保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源。

3 橋位、橋式方案選擇

黃河特大橋的橋位選擇，在綜合考慮各方面因素的基礎(chǔ)上，制定了以下原則：① 應(yīng)符合區(qū)域高速公路網(wǎng)規(guī)劃及總體走向要求，力求獲得最佳的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益；② 與濮陽市城市總體規(guī)劃及該地區(qū)路網(wǎng)構(gòu)架建設(shè)協(xié)調(diào)一致；③ 應(yīng)有利于黃河搶險(xiǎn)交通及黃河防洪工程的運(yùn)用和管理，以及環(huán)保治理規(guī)劃及其他(如國土、風(fēng)景、文物)諸多因素。

3.1 橋位與主橋孔跨選擇

3.1.1 黃河大橋橋位選擇

橋位選擇應(yīng)考慮上下游黃河大橋合理分布，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)K33+794～K41+275路段兩側(cè)，河岸沖刷較嚴(yán)重，坍岸問題比較嚴(yán)峻，擬建新橋位處于典型游蕩性河段，主河槽擺動(dòng)大，決堤泛濫風(fēng)險(xiǎn)幾率較高。因此，自1975年河道整治工程建成后，以連山寺工程聯(lián)壩上延線與橋軸線交點(diǎn)為左岸起點(diǎn)，隨著河槽逐步歸順，橋位河段的河勢(shì)趨于穩(wěn)定。依據(jù)河工動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果及防洪影響評(píng)價(jià)，橋梁結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器半主動(dòng)控制減震研究，強(qiáng)震作用下黃河特大橋減隔震體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等，確定擬建橋橋位河段的主橋設(shè)計(jì)2聯(lián)：2×(80+8×120+80)m=2×1 120 m；引橋設(shè)計(jì)：孔跨布置為25孔50 m，共分7聯(lián)，孔距50 m。大橋工程技術(shù)要求黃河大橋橋位高村到陶城鋪河段容許橋梁間距不小于5 km，K(坐標(biāo)，下同)線橋位距上游G106東明黃河大橋14.8 km，距下游規(guī)劃S304黃河大橋12 km；AK(A坐標(biāo)，AK坐標(biāo)距，下同)線橋位距上游 G106 東明黃河大橋13 km，距下游規(guī)劃S304 黃河大橋13.8 km。因此兩個(gè)橋位都滿足要求。

3.1.2 橋址所處河道的穩(wěn)定性

主橋選址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，K線橋位與治導(dǎo)線夾角為4°，AK線橋位與治導(dǎo)線夾角為2°，滿足要求。

3.1.3 高速路網(wǎng)的良好銜接

黃河特大橋建設(shè)工程起點(diǎn)接濮范高速公路，路線向南，分K線與AK線。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(qū)西李莊集鄉(xiāng)高寨村西南跨越黃河南大堤，滿足向南接荷寶高速公路要求。

3.2 主橋橋式方案比選

3.2.1 連續(xù)梁橋方案對(duì)比

項(xiàng)目主橋全長(zhǎng)2 240 m，橋?qū)挒?×35.06 m，主墩實(shí)際高度為15～30 m，聯(lián)長(zhǎng)又長(zhǎng)又多，連續(xù)剛構(gòu)橋較難適應(yīng)。因此橋型方案選擇主要考慮連續(xù)梁橋和部分斜拉橋，連續(xù)梁橋方案中又對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和波形鋼腹板箱梁進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于內(nèi)陸河大跨度橋梁而言，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋無疑是最佳選擇?；诖?，以下對(duì)3種主要橋式方案進(jìn)行研究比較。

(1)方案1。主橋橋跨布置為 2×(80+8×120+80)m，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)。

(2)方案2。主橋橋跨布置為2×(80+8×120+80)m，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)。

(3)方案3。主橋橋跨布置為 2×(80.5+7×137+80.5)m，預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋設(shè)計(jì)，采用整幅式橋面。

3.2.2 3種主橋橋式方案比選

3個(gè)橋型的主橋長(zhǎng)度和跨徑組合數(shù)量相同，經(jīng)分析比較3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案1優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)成熟、后期維護(hù)量小、造價(jià)較低。缺點(diǎn)為：梁體略顯笨重、上部重量大、不利于結(jié)構(gòu)抗震，跨徑大則跨中存在下?lián)巷L(fēng)險(xiǎn)；方案2和方案3優(yōu)點(diǎn)為梁體優(yōu)雅舒展、輕盈美觀、上部重量輕，有利于結(jié)構(gòu)抗震、解決了腹板開裂問題，耐久性好、工期短。缺點(diǎn)為：新型結(jié)構(gòu)，缺少熟練施工隊(duì)伍、存在后期換索和涂裝問題。3種方案綜合比較見表1。

綜合表1的3種橋式方案跨徑布置研究，最終采用方案1跨徑組合：2×(80+8×120+80)m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋。

表1 3種橋式方案比較

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮陽新高速公路黃河特大橋其橋位處黃河河段，屬于典型的游蕩性河流，橋位、橋跨受控因素較多。故此，陽新高速公路濮陽段黃河大橋河道范圍內(nèi)梁底高程均大于防洪要求的梁底高程66.93 m；跨左、右岸大堤處設(shè)計(jì)最低梁底高程分別為72.92、72.80 m；主橋最低梁底高程為 72.05 m，高于通航要求的最低梁底高程71.93 m，滿足通航要求。

根據(jù)大橋各部分的孔跨布置、分聯(lián)情況、結(jié)構(gòu)形式，并綜合考慮堤內(nèi)外引橋之間的相互匹配及便于施工的原則，結(jié)合黃河特大型橋梁抗震設(shè)防的要求，確定了濮陽至湖北陽新高速公路黃河特大橋8 127 m總體布置，黃河橋由小樁號(hào)向大樁號(hào)方向依次由北堤外引橋、北跨大堤橋、北堤內(nèi)引橋、主橋、南堤內(nèi)引橋、南跨大堤橋、南堤外引橋7部分組成，共計(jì)36聯(lián)，設(shè)37道伸縮縫。依據(jù)黃河特大型橋梁耐久性與安全性要求和河道管理規(guī)定，陽新高速公路濮陽段黃河大橋橋位斷面堤防設(shè)防流量為20 000 m3/s，相應(yīng)現(xiàn)狀斷面洪水位為60.97 m，2067年設(shè)計(jì)洪水位為65.00 m。與此相對(duì)應(yīng)，陽新高速公路濮陽段黃河大橋左岸大堤～右岸大堤孔跨布置為(75+130+75)m+55×50 m+(80+8×120+80)m+(80+8×120+80)m+25×50 m+(75+130+75)m，設(shè)計(jì)主橋長(zhǎng)2 240 m，基本滿足主河槽擺動(dòng)寬度要求。主橋孔跨為120 m(配跨 80 m)，兩岸灘地孔跨為 50 m，橋梁孔跨布置基本滿足河段防洪、防凌要求。

4.1 減隔震試驗(yàn)

目前，現(xiàn)有研究多是分析流速和含砂量對(duì)混凝土的沖蝕規(guī)律，忽略橋墩構(gòu)型對(duì)含砂水流流態(tài)的影響。為滿足黃河特大橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)的要求，在開展隔震橋墩支座減震試驗(yàn)的前提下，同期還進(jìn)行了高烈度地區(qū)大跨長(zhǎng)聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋減隔震技術(shù)研究。該試驗(yàn)橋墩模型采用與原型橋墩相同的材料制作，模型混凝土為C50，鋼筋采用HRB335鋼筋，橋墩支座構(gòu)造按照9度設(shè)計(jì)，經(jīng)比較相似關(guān)系以及原橋墩的荷載試驗(yàn)分析，得到不同隔震方式對(duì)橋墩墩頂加速度、橋面加速度、墩頂位移、橋面位移、橋墩墩頂剪力、橋墩墩底剪力、墩底混凝土應(yīng)變和墩底鋼筋應(yīng)變的影響。表2為強(qiáng)震作用下黃河特大橋減隔震體系振動(dòng)臺(tái)相似比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 強(qiáng)震作用下黃河特大橋減隔震體系振動(dòng)臺(tái)相似比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 模型建立

利用BIM技術(shù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，建立有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 主橋有限元模型

圖1主橋采用“m”法(m值按3倍考慮)計(jì)算得到承臺(tái)底剛度矩陣，并將此剛度矩陣作用于該模型中承臺(tái)底的邊界條件?？绱蟮虡虿捎猛翉椈赡M樁土效應(yīng)。

摩擦擺支座邊界采用一般鏈接模擬?；谀Σ翑[支座荷載-位移滯回曲線(圖2)校核計(jì)算方案，在計(jì)算精度滿足要求的前提下，確定流固耦合計(jì)算方法，分析橋墩和承臺(tái)的沖蝕損失。

圖2 摩擦擺支座荷載-位移滯回曲線

4.3 抗震計(jì)算

跨大堤橋計(jì)算模型采用Midas/Civil(V8.3.5)建模，采用“m”法(m值按3倍考慮)計(jì)算樁基彈簧剛度。

圖3為使用階段正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算，根據(jù)Midas結(jié)果計(jì)算波形鋼腹板最大剪應(yīng)力為143 MPa<155 MPa?；A(chǔ)、蓋梁、梁體以及墩柱的抗剪能力的保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)使用階段正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足工程要求。

圖3 使用階段正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算

4.4 下?lián)蠙C(jī)理

周期荷載作用下大跨連續(xù)梁長(zhǎng)期下?lián)蠙C(jī)理研究，采用1∶100的模型試驗(yàn)，在振動(dòng)周期(50 Hz)荷載作用下，定期連續(xù)觀測(cè)混凝土應(yīng)變(徐變)、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力(松弛)、預(yù)應(yīng)力筋滑動(dòng)、撓度、基頻等參數(shù)，理清連續(xù)梁長(zhǎng)期下?lián)系脑蚣皺C(jī)理，分析該類橋型病害(底板、腹板開裂)成因(考慮設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，對(duì)比驗(yàn)證)。因?yàn)榛炷敛牧辖M成直接關(guān)系到橋梁耐久性及安全性，所以，對(duì)截面突變、擬對(duì)角隅、應(yīng)力集中部位及錨固塊等部位進(jìn)行合理的構(gòu)造配筋，以免發(fā)生裂縫。

5 結(jié)語

由于受線路走向和橋位限制，陽新高速公路濮陽段黃河大橋建成后橋位下游附近一定程度上將會(huì)改變水流流態(tài)和水流方向，可能引起主流向左擺動(dòng)。依據(jù)橋位、橋式方案選擇比對(duì)，擬建新橋橋位選在陽新高速公路濮陽段主橋左側(cè)(馬海村、段寨村之間)，位于黃河水文站下游22 km，AK線橋位與治導(dǎo)線夾角為2°，其橋梁走向與河道流路基本正交，橋位滿足選址設(shè)計(jì)要求。按照“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理、美觀和有利環(huán)?！钡囊?，該橋主橋的跨徑與布跨特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋和部分斜拉橋3個(gè)方案。

跨黃河大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋防沖抗震研究試驗(yàn)表明，橋墩減隔震效果是確保黃河特大橋壽命及安全的關(guān)鍵。主橋與跨大堤橋的引橋橋梁上、下部結(jié)構(gòu)之間，通過減隔震支座連接，以達(dá)到隔震與耗能的作用，確保結(jié)構(gòu)在使用年限的壽命安全。同時(shí)，主橋上部結(jié)構(gòu)采用變截面連續(xù)梁，流線形箱梁增加了橋梁的輕盈感。下部結(jié)構(gòu)采用薄壁空心墩，橋墩側(cè)面呈圓弧狀，上下部側(cè)面平曲結(jié)合，局部對(duì)比，既不失新意又和諧統(tǒng)一。