G106京廣線東明黃河公路大橋改擴(kuò)建工程主橋設(shè)計(jì)

李明華

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

G106京廣線東明黃河公路大橋地處山東省菏澤市西北，被譽(yù)為“齊魯?shù)谝粯颉?。大橋主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)-連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)體系，九孔一聯(lián)，分跨為(75+7×120+75)m，雙向四車道，寬18.5 m。大橋于1991年10月開工，1993年10月竣工通車。大橋的建成對(duì)連接G106國(guó)道干線公路，溝通魯、豫、冀三省邊境公路網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展都有重要意義。大橋建成運(yùn)行后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，交通量增長(zhǎng)迅速，橋梁病害發(fā)展較快。既有東明黃河公路大橋已經(jīng)成為G106全線交通瓶頸，影響了兩岸民眾安全便捷出行以及G106國(guó)道干線功能的充分發(fā)揮。為此，相關(guān)部門提出在該橋下游新建一座黃河公路大橋，新橋作為既有橋的改擴(kuò)建工程在投入運(yùn)營(yíng)后與既有橋合理分工，共同承擔(dān)G106兩岸跨黃河交通功能。

G106京廣線東明黃河公路大橋改擴(kuò)建工程線路起點(diǎn)位于山東省東明縣菜園集鎮(zhèn)既有G106京廣線東明黃河公路大橋收費(fèi)站附近東民路交叉口，沿既有G106京廣線向北，在既有東明黃河公路大橋下游側(cè)跨越黃河(新建橋梁與既有橋梁中心距30 m)，跨越黃河后繼續(xù)沿既有G106京廣線進(jìn)行改擴(kuò)建，止于河南省濮陽縣郎中鄉(xiāng)，與G106順接。路線全長(zhǎng)7.620 km。

工程跨越黃河段主橋采用(75+7×120+75)m中央索面部分斜拉橋[1]。主梁采用變高度鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，梁高3.18 m～6.18 m。橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度33.5 m，設(shè)2.0%雙向橫坡。大橋結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)，塔梁與橋墩分離，每處主塔位置設(shè)置5對(duì)斜拉索，每對(duì)斜拉索橫向并排布置兩根。主橋主墩采用板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注摩擦樁。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)道路等級(jí)：一級(jí)公路。2)設(shè)計(jì)速度：100 km/h。3)橋梁寬度：由雙向六車道、緊急停車帶、防撞護(hù)欄、中央分隔帶組成，全寬33.5 m。4)橋梁設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。5)地震基本烈度：地震動(dòng)峰值加速度0.20g，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防烈度為8度，橋梁抗震措施等級(jí)為四級(jí)。

3 橋梁孔跨及橋式方案比選

根據(jù)黃河水利委員會(huì)文件《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)》及本橋防洪影響評(píng)價(jià)要求：改擴(kuò)建工程線路中心線位于既有公路橋下游30.0 m處，其主橋孔跨布置應(yīng)與既有東明黃河公路大橋嚴(yán)格對(duì)孔布置，因此主橋孔跨布置形式為1孔75 m+7孔120 m+1孔75 m。

根據(jù)國(guó)內(nèi)大跨橋梁設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)，滿足主橋孔跨布置的結(jié)構(gòu)形式較多，包括連續(xù)梁橋(包括預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁)、部分斜拉橋、拱橋等。因既有公路橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋，2014年進(jìn)行了加固改造，主橋采用斜拉體系改造多跨連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合體系橋梁，新建橋梁與既有橋梁并橋布置，橋面間距僅4.0 m，從景觀角度考慮，改擴(kuò)建工程宜優(yōu)先考慮連續(xù)梁橋和部分斜拉橋，不宜采用拱橋。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋雖然施工維養(yǎng)方便，但考慮到其自重較大，橋址地震基本烈度高，于抗震不利；波形鋼腹板部分斜拉橋雖然主梁減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高了結(jié)構(gòu)抗震性能，但目前該橋型國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)較少，且后期養(yǎng)護(hù)工作量大。通過綜合對(duì)比結(jié)構(gòu)剛度、施工周期、景觀效果、工程造價(jià)等，推薦主橋采用(75+7×120+75)m預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋[2-3]。

4 抗震設(shè)計(jì)

橋址區(qū)地震基本烈度為8度，對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度0.20g，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震措施等級(jí)為四級(jí)。

主橋抗震設(shè)計(jì)中采用了一種新型的帶鎖止機(jī)構(gòu)的減隔震支座[4]，該類型支座將速度鎖定器(LUD)與傳統(tǒng)摩擦擺支座相結(jié)合，通過在支座上設(shè)置縱向速度鎖定器來實(shí)現(xiàn)溫度位移與地震位移的分離，正常工作狀態(tài)下支座在平面摩擦副滑動(dòng)以實(shí)現(xiàn)溫度條件下梁體正常位移，地震作用時(shí)速度鎖定器將平面摩擦副鎖定，實(shí)現(xiàn)地震位移與正常位移的分離。

針對(duì)主橋長(zhǎng)聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)，在其固定墩采用摩擦擺減隔震支座，其余中墩采用帶鎖止機(jī)構(gòu)的摩擦擺減隔震支座，邊墩采用普通球型鋼支座。通過該種支座約束體系既解決了傳統(tǒng)摩擦擺支座引起的梁體抬升問題，又避免了設(shè)置平面摩擦副帶來的減隔震效果降低問題，對(duì)于項(xiàng)目良好實(shí)施和類似橋梁項(xiàng)目借鑒使用，均具有重要意義。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 總體布置

主橋采用(75+7×120+75)m預(yù)應(yīng)力混凝土中央索面部分斜拉橋(見圖1)。橋面寬33.5 m，設(shè)2.0%雙向橫坡。主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，整幅布置。采用塔梁固結(jié)、塔墩分離結(jié)構(gòu)體系[5-8]，在主梁與墩柱位置設(shè)置支座，其中61號(hào)墩為固定墩，其余墩為活動(dòng)墩。每墩橫向布置3個(gè)支座，中間支座橫向約束，兩邊支座橫向自由。

大橋共有8個(gè)主塔，每處主塔位置設(shè)置5對(duì)斜拉索，每對(duì)斜拉索橫向并排布置兩根，全橋共80根?；A(chǔ)均采用鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。

5.2 主梁

主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁[9]。針對(duì)橋址處地震烈度高的特點(diǎn)，采用常規(guī)的單箱多室截面布置形式，結(jié)構(gòu)自重大，地震效應(yīng)隨之增大。綜合比選后采用帶大挑臂的單箱雙室截面，大大減輕梁部結(jié)構(gòu)自重，顯著降低地震效應(yīng)。主梁采用單箱雙室截面，底寬18.0 m。主梁兩側(cè)設(shè)置7.75 m寬大懸臂(如圖2所示)。

主梁采用C50混凝土，支點(diǎn)位置梁高6.18 m，跨中梁高3.18 m，梁底曲線采用圓曲線過渡。箱梁頂板厚度25 cm，底板厚度28 cm～50 cm，腹板厚度60 cm～80 cm，主梁懸臂板每3.5 m設(shè)置一道加勁肋，厚度為28 cm，箱內(nèi)對(duì)應(yīng)位置設(shè)置一道橫隔板，無索位置板厚28 cm，有索位置板厚40 cm。箱梁懸臂現(xiàn)澆節(jié)段共15個(gè)，每節(jié)段長(zhǎng)3.5 m，墩頂零號(hào)塊長(zhǎng)13.0 m，梁上索距7.0 m，主塔位置無索區(qū)長(zhǎng)度53.0 m，跨中無索區(qū)長(zhǎng)度11.0 m。

主梁預(yù)應(yīng)力束采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件、橫向按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)?？v向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力φs15.2鋼絞線。鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa。錨具采用優(yōu)質(zhì)夾片群錨。頂板束采用15-19型，腹板束采用15-17型，中跨底板合攏束15-19型，邊跨底板與頂板合攏束采用15-15型。在每道橫隔墻位置布置橫向預(yù)應(yīng)力，采用15-9與15-12鋼束。豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32精軋螺紋粗鋼筋，豎向預(yù)應(yīng)力主要布置在有索區(qū)段中腹板及橫隔板位置。

5.3 橋塔

橋塔為鋼筋混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu), C50混凝土，橋塔布置在主梁截面中央，與主梁固結(jié)，橋面以上有效塔高32 m，塔身橫橋向?qū)挾葹?.5 m，縱橋向塔頂寬度2.5 m，向下加寬至8.0 m，中間部分鏤空處理。上塔柱為斜拉索錨固區(qū)，斜拉索在塔上通過分絲管穿過橋塔，橋塔在拉索入塔和出塔處挖槽，便于拉索錨固。橋塔順橋向側(cè)布置檢修通道，方便后期對(duì)斜拉索橋塔錨固端、塔頂避雷裝置、航空障礙燈孔的檢修。

5.4 斜拉索

斜拉索采用φs15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線，每塔每側(cè)設(shè)5對(duì)斜拉索，全橋共80根，型號(hào)均為31-φs15.2鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa。斜拉索通過鞍座穿過橋塔，鞍座采用分絲管結(jié)構(gòu)，鋼絞線分別穿過每孔分絲管，穿過分絲管的鋼絞線未剝落PE，橋塔兩端設(shè)置抗滑錨固裝置，在抗滑錨頭內(nèi)壓注環(huán)氧樹脂砂漿，其對(duì)錨頭內(nèi)的鋼絞線起到防腐作用。斜拉索錨固在主梁的中室錨塊上，錨具采用可換索式群錨體系，兩端張拉。

斜拉索在主梁錨固端、橋塔兩側(cè)抗滑錨固裝置內(nèi)均灌注了環(huán)氧砂漿樹脂，更換斜拉索時(shí)，在錨固端釋放掉索力，在拉索自由端切斷，整批斜拉索拔出，整體更換。斜拉索總裝配圖如圖3所示。

5.5 橋墩、基礎(chǔ)

主墩墩身采用板式橋墩，墩頂橫橋向?qū)?8 m，墩身橫橋向?qū)挾?4 m，順橋向?qū)挾?.9 m；基礎(chǔ)采用20根直徑φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁。邊墩采用框架墩，墩頂橫橋向?qū)?4.45 m，墩身橫橋向?qū)?0.45 m，順橋向?qū)挾?.6 m；基礎(chǔ)采用15根直徑φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁。

5.6 結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算

5.6.1 計(jì)算圖示

主橋動(dòng)力特性分析采用三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算圖，主梁、墩柱、塔柱均采用梁?jiǎn)卧M，拉索用索單元模擬，成橋狀態(tài)計(jì)算圖見圖4。

5.6.2 E1地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果見表1，表1中抗彎能力在E1地震作用取截面的初始屈服彎矩My。

表1 E1地震作用下抗震能力驗(yàn)算結(jié)果

5.6.3 E2地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果見表2，表2中抗彎能力在E2地震作用取截面的等效屈服彎矩Meq。

表2 E2地震作用下抗震能力驗(yàn)算結(jié)果

5.6.4 計(jì)算結(jié)論

抗震計(jì)算分析表明,主橋結(jié)構(gòu)設(shè)置了帶鎖止機(jī)構(gòu)的摩擦擺減隔震支座后,結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足要求。

6 結(jié)語

大橋于2021年9月開工建設(shè)，計(jì)劃2024年9月底建成。主橋采用中央索面部分斜拉橋，主梁采用帶大挑臂的單箱雙室截面，其建筑造型優(yōu)美，與加固后的既有公路橋景觀協(xié)調(diào)；在安全、適用的基礎(chǔ)上獲得了美觀性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。同時(shí)，主橋結(jié)構(gòu)設(shè)置了帶鎖止機(jī)構(gòu)的摩擦擺減隔震支座，較好的解決了長(zhǎng)聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)難題。