鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋總體設(shè)計(jì)

金 令,徐升橋,徐旭東,任為東,殷曉波,彭嵐平,雷昕弋

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055； 2.河南城際鐵路有限公司,鄭州 450046)

1 概述

鄭濟(jì)高鐵是連接河南、山東兩個(gè)經(jīng)濟(jì)大省的區(qū)域干線鐵路，線路起自鄭州，經(jīng)新鄉(xiāng)、濮陽(yáng)、聊城至濟(jì)南，途中兩跨黃河。其中，在鄭州市東北新建鄭州黃河特大橋，橋位位于京港澳高速公路劉江黃河大橋下游約3.5 km處?？紤]該河段橋位緊張，為充分利用橋位資源，節(jié)省工程總投資[1]，鄭州黃河特大橋采用公鐵共建形式，除鄭濟(jì)高鐵外，大橋還預(yù)留雙線市域鐵路和六車道城市快速路，以滿足河南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)未來(lái)交通的需求。其中公鐵共建長(zhǎng)度12 180 m。

2 基礎(chǔ)資料

2.1 地形地貌

大橋與右岸黃河大堤立交進(jìn)入主河道，以全橋跨形式跨越黃河、馬渡下延控導(dǎo)工程潛壩、防滾河壩，向左岸立交跨越黃河大堤。大橋在右岸位于京港澳高速公路黃河大橋下游約3.5 km處，在左岸則相距其約2 km，黃河主槽靠近右岸，兩岸大堤間距約11 km，橋軸線的法線方向與河道主流方向夾角為14°[2]。鄭濟(jì)高鐵黃河大橋橋址平面示意見(jiàn)圖1。

圖1 橋址平面

2.2 氣象條件

工程地處中緯度區(qū)，屬暖溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候適宜，四季分明，雨量充沛。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫15.1 ℃，累年極端最低氣溫-11 ℃，極端最高氣溫42.5 ℃；年平均降水量614.8 mm；鄭州區(qū)域年最大風(fēng)速15.1 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲?；季?jié)最大凍土深度0.23 m，最大積雪厚度0.32 m。

2.3 工程地質(zhì)

橋址區(qū)位于黃河沖積平原區(qū)，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，且區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層較厚，下伏地質(zhì)構(gòu)造對(duì)橋梁工程影響較小。沿線所經(jīng)過(guò)的地層按其成因和時(shí)代分類主要有：第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)填土。第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)粉土、粉細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土，第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)粉土、粉細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土。

2.4 地震

依據(jù)GB50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009版)，結(jié)合鉆孔自然地表下25 m范圍內(nèi)等效剪切波速192～231 m/s綜合判定：場(chǎng)地土類型屬中軟土，故此類場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)GB18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，鄭州高鐵黃河特大橋位于7度和8度震區(qū)[3]。

2.5 橋址水文及橋墩沖刷

大橋位于黃河下游典型的游蕩性河段。河道兩岸修有大堤，洪水完全靠?jī)砂洞蟮淌丁┑爻心蹫┖投?jí)灘地外，受1855年蘭考銅瓦廂決口改道后溯源沖刷的影響，增加了一級(jí)高灘，即三級(jí)灘地。灘面向大堤和下游傾斜，堤根低凹，灘面橫比降大，洪水漫灘后，大堤根附近常集流成河，形成深槽，稱為順堤河，簡(jiǎn)稱堤河。橋位上下游堤河、串溝明顯，一旦洪水漫灘順堤行洪，流速很大，將造成堤坡沖刷，嚴(yán)重威脅堤身安全。高灘上多已耕種，村莊眾多，并有不少集鎮(zhèn)。該河段由于堤距較寬，水面遼闊，因而溜勢(shì)分散，泥沙易于淤積，河道中沙洲密布，水流散亂，主溜擺動(dòng)頻繁，新淤灘岸多為沙質(zhì)，抗沖能力弱，進(jìn)一步加劇了主溜塌灘坐彎，極易形成橫河、斜河，頂沖大堤，威脅堤防安全，是歷史上決口頻繁河段。新中國(guó)成立后雖沒(méi)有發(fā)生決口，但是危及堤防安全的重大險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，因此本河段是歷年汛期防守的重點(diǎn)。擬建橋位橋式橋墩總沖刷深度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 擬建橋位橋式橋墩總沖刷深度計(jì)算結(jié)果 m

為保證橋梁安全，《防洪評(píng)價(jià)》建議從右岸馬渡下延工程潛壩中心線起，向左至生產(chǎn)堤連線約4 800 m的河寬范圍內(nèi)，在確定基礎(chǔ)埋置深度時(shí)，設(shè)防流量(22 000 m3/s)洪水總沖刷深度27.81 m，沖刷線高程63.03 m，左、右岸灘地沖刷深度13.17 m，沖刷線高程77.67 m，左岸堤河范圍內(nèi)總沖刷水深約為18.66 m考慮，沖刷線高程為72.18 m。

3 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鄭濟(jì)高鐵主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：高速鐵路

正線數(shù)目：雙線

設(shè)計(jì)速度：350 km/h

線間距：5.0 m

設(shè)計(jì)活載：ZK荷載；

(2)市域鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：城際鐵路

正線數(shù)目：雙線

設(shè)計(jì)速度：160 km/h

設(shè)計(jì)活載：ZC荷載；

(3)公路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：城市快速路

車道數(shù)目：雙向六車道

設(shè)計(jì)速度：100 km/h

路面類型：瀝青混凝土

設(shè)計(jì)荷載：城—A級(jí)

公路橋梁總寬：32.5 m。

公路橋面布置見(jiàn)圖2。

圖2 公路橋面布置(單位：cm)

其余部分應(yīng)滿足JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定。

(4)地震: DK374+964.76～DK385+500為8度區(qū)，根據(jù)場(chǎng)地類別調(diào)整后設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.2g，特征周期0.55s；DK385+500～393+484.34段為7度區(qū)，采用《新建鄭州至濟(jì)南鐵路鄭州至濮陽(yáng)段重點(diǎn)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》提供的地震參數(shù)，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.151g，特征周期0.5 s；DK393+484.34～DK409+286.86段為7度區(qū)，根據(jù)場(chǎng)地類別調(diào)整后設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.172 5g，特征周期0.55 s。

(5)通航標(biāo)準(zhǔn)：通航要求為規(guī)劃Ⅳ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)，凈空高度為8 m。

(6)最高通航水位：采用2070年水平10年一遇的洪水位93.80 m。

(7)設(shè)防水位：采用2070年橋位處22 000 m3/s流量洪水位94.52 m。

4 主橋設(shè)計(jì)

根據(jù)防洪影響評(píng)價(jià)成果，橋位處黃河主槽擺動(dòng)幅度為2 000 m，同時(shí)考慮本橋?yàn)楣F合建，橋梁橫向較寬，確定主河槽內(nèi)跨度不小于112 m，主跨不小于168 m。據(jù)此，本橋跨越主河槽主橋分兩部分布置，第一部分采用1聯(lián)(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁橋，聯(lián)長(zhǎng)1 232.0 m，第二部分采用7孔112 m簡(jiǎn)支鋼桁梁橋，共長(zhǎng)784.0 m，合計(jì)主橋總長(zhǎng)2 016 m。

主橋第一部分1-(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁，計(jì)算跨度為(111.0+6×168+111.0) m，梁全長(zhǎng)1 231.1 m。橋式為帶有豎桿的下弦加勁華倫式桁架，平行弦部分桁高15.0 m，中支點(diǎn)桁高加高15.0 m，通過(guò)調(diào)整加勁弦節(jié)點(diǎn)桁高使橋梁立面呈現(xiàn)連拱造型。鋼主梁采用三桁結(jié)構(gòu)，桁寬(13.4+13.4) m，邊跨節(jié)間長(zhǎng)10.5 m、12.0 m，中跨節(jié)間長(zhǎng)度12.0 m[4]。

主橋第二部分7-112 m簡(jiǎn)支鋼桁梁，采用帶豎桿華倫式桁架，平行弦布置，桁高15.05 m，節(jié)間長(zhǎng)11.06 m。橫向布置為三片桁，橫向間距13.4 m+13.4 m。

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋主橋立面布置見(jiàn)圖3， 112 m鋼梁主橋立面布置見(jiàn)圖4， 連續(xù)鋼桁梁支點(diǎn)斷面布置見(jiàn)圖5。

圖3 鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋主橋立面布置(單位：m)

圖4 112 m鋼梁主橋立面布置(單位：cm)

圖5 連續(xù)鋼桁梁支點(diǎn)斷面布置(單位：cm)

主桁弦桿均為箱形截面，腹桿采用箱形截面或工形截面，鐵路橋面為正交異性鋼橋面板，為增加承軌處剛度，軌下設(shè)有小縱梁[5-6]。

主桁鋼材采用Q370qE與Q420qE，頂面焊接，其余三面采用M30高強(qiáng)度螺栓拼接。橋面系與聯(lián)結(jié)系均采用Q370qE鋼，頂板焊接，腹板與底板采用M24高強(qiáng)度螺栓拼接。

由于列車運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到300 km/h后，會(huì)導(dǎo)致道砟飛濺并加速道床粉化，加速車輛老化增加養(yǎng)護(hù)維修工作量，一般采用有砟軌道鋼橋設(shè)計(jì)速度不超過(guò)250 km/h[7-8]。為達(dá)到350 km/h設(shè)計(jì)速度，決定在本橋鋼結(jié)構(gòu)主橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道。經(jīng)過(guò)研究，在正交異性鋼橋面板與軌道底座板之間設(shè)置混凝土板作為過(guò)渡措施，以加強(qiáng)橋面剛度，承受列車輪載作用沖擊，也為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的銜接創(chuàng)造了有利條件[9-10]。混凝土板與整體鋼橋面間利用剪力釘聯(lián)結(jié)成整體，軌道底座板與混凝土板之間的連接也進(jìn)行了加強(qiáng)，軌道板與底座板之間則設(shè)置了特殊的減振墊層以隔離橋梁與軌道結(jié)構(gòu)，起到協(xié)調(diào)變形與減振降噪的作用[11-12]。

公路橋面為肋板體系混凝土結(jié)合橋面。預(yù)制板采用先張法制造，在滿足施工期間受力需要的同時(shí)提高了制板效率，在濕接縫澆筑后張拉第二批預(yù)應(yīng)力，使橋面形成整體[13]。橋面板通過(guò)剪力釘與鋼桁梁上弦連接，形成了鋼桁結(jié)合梁體系，為全橋提供了良好的整體剛度。

橋墩采用三柱式墩身結(jié)構(gòu)，中柱橫橋向尺寸5.0～6.0 m，順橋向6.0～7.0 m；邊柱橫橋向4.0～5.0 m，順橋向6.0～7.0 m，橋墩之間設(shè)置系梁?；A(chǔ)采用鉆孔摩擦樁，樁徑2 m，樁長(zhǎng)89～98 m。見(jiàn)圖6。

圖6 連續(xù)鋼桁梁中墩(382號(hào)墩)結(jié)構(gòu)(單位：cm)

主橋第一部分為長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)恒載質(zhì)量超過(guò)10萬(wàn)t，為減少地震響應(yīng)，控制結(jié)構(gòu)位移，采取了減隔震支座+阻尼器的抗震體系[14-15]。共設(shè)置摩擦擺支座27個(gè)，阻尼器22套。見(jiàn)圖7。

圖7 黏滯阻尼器設(shè)置示意

5 引橋設(shè)計(jì)

黃河與長(zhǎng)江等其他河流不同，其主河槽游蕩不定，歷史上曾多次決堤改道，導(dǎo)致其河槽寬度較大，下游河段常寬達(dá)數(shù)千米，以鄭州開(kāi)封附近為甚。橋位處兩岸大堤間距約11 km，因此僅灘地內(nèi)引橋長(zhǎng)達(dá)9 km，加上分離段則超過(guò)10 km，這也是黃河下游橋梁的一個(gè)重要特點(diǎn)[16]。

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋?yàn)┑匾龢蚩缍龋S河水利委員會(huì)對(duì)該河段行洪要求跨度不小于40 m[17]，因此鐵路主要采用標(biāo)準(zhǔn)跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁，公路采用40 m跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)多片小箱梁。公路、鐵路引橋采用上下層疊放合建的方式，用大跨度鋼桁梁立交跨越南北兩岸黃河大堤后，公路引橋再平面彎出分離。公鐵共建段40 m梁橫斷面布置見(jiàn)圖8。

圖8 公鐵共建40 m梁段橫斷面布置(單位：cm)

結(jié)合中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)《高速鐵路大跨度簡(jiǎn)支梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究》相關(guān)科研成果，開(kāi)展了跨度40 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁工法的優(yōu)化研究，綜合考慮梁場(chǎng)、大臨設(shè)施等費(fèi)用，將鐵路箱梁制梁場(chǎng)與公路小箱梁制梁場(chǎng)合建共用。對(duì)比分析表：采用預(yù)制架設(shè)工法可降低造價(jià)570余萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)質(zhì)量更加可控，施工風(fēng)險(xiǎn)也更低[18]。

最終整孔預(yù)制架設(shè)法架設(shè)黃河北岸灘地引橋344孔40 m鐵路梁的工藝方法獲得采用，成為世界上40 m高速鐵路整孔預(yù)制架設(shè)箱梁的首次工程應(yīng)用[19]。

合建段采用(73+139+73) m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁跨越黃河北大堤，采用跨度120 m簡(jiǎn)支鋼桁梁跨越黃河南大堤，桁式及斷面布置與主橋第二部分基本相同[20]。連續(xù)鋼桁梁計(jì)算模型見(jiàn)圖9。

圖9 (73+139+73) m連續(xù)鋼桁梁計(jì)算模型

跨過(guò)大堤后公路與鐵路逐漸遠(yuǎn)離，直至留有足夠安全距離。分離段在公路臨近鐵路側(cè)設(shè)置異物侵限監(jiān)測(cè)裝置及第二道防撞護(hù)欄，最大限度保護(hù)鐵路運(yùn)營(yíng)安全。公鐵共建分離段橫斷面布置見(jiàn)圖10。

圖10 公鐵共建分離段橫斷面布置(單位：cm)

6 主要科研項(xiàng)目

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中積極探索，對(duì)長(zhǎng)聯(lián)大跨高速鐵路無(wú)砟軌道鋼橋、高速鐵路大跨度整孔預(yù)制架設(shè)簡(jiǎn)支箱梁應(yīng)用等若干鐵路前沿工程技術(shù)進(jìn)行了科研攻關(guān)。

(1)針對(duì)長(zhǎng)聯(lián)大跨高速鐵路無(wú)砟軌道鋼橋主要開(kāi)展了以下研究：大跨度無(wú)砟軌道連續(xù)鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究；大跨鋼橋-無(wú)砟軌道變形參數(shù)和橋梁剛度限值研究；長(zhǎng)聯(lián)大跨無(wú)砟軌道連續(xù)鋼桁梁橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究；連續(xù)鋼桁梁橋軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與措施研究。

(2)針對(duì)高速鐵路大跨度整孔預(yù)制架設(shè)簡(jiǎn)支箱梁應(yīng)用技術(shù)開(kāi)展了以下研究：40 m簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)研究；1 000 t-40 m級(jí)搬提運(yùn)架設(shè)備研究；經(jīng)濟(jì)與適用性研究；高精度BIM模型應(yīng)用等研究。

這些科研工作的及時(shí)開(kāi)展與獲得的研究成果，為鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋工程建設(shè)提供了必要的技術(shù)支持，取得了良好的應(yīng)用效果。

長(zhǎng)聯(lián)大跨無(wú)砟軌道連續(xù)鋼桁梁橋和40 m整孔預(yù)制架設(shè)箱梁這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均屬國(guó)際首創(chuàng)，有力地推動(dòng)了我國(guó)高速鐵路橋梁建造技術(shù)邁向世界頂尖行列。

7 結(jié)語(yǔ)

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋于2017年開(kāi)工建設(shè)，2020年5月大橋主橋順利合龍，預(yù)計(jì)2022年建成通車，屆時(shí)將是我國(guó)首座跨越大江大河的高速鐵路大跨度無(wú)砟軌道鋼結(jié)構(gòu)橋梁。該橋在建設(shè)過(guò)程中取得了多項(xiàng)科研技術(shù)成果，有力地支撐了大橋的順利實(shí)施，為鄭濟(jì)高鐵按時(shí)建成通車打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也將為大跨度鋼桁梁橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道積累寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為類似橋梁工程勘察設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。