陽新高速公路黃河特大橋跨大堤橋式設(shè)計(jì)與布置

孟 全,徐 珂,郭建光,王 超

(1.河南省第二公路工程有限公司,河南 鄭州 450000;2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué),河南 鄭州 450046;3.鄭州交通建設(shè)投資有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引 言

陽新高速公路黃河特大型橋梁跨大堤橋(以下簡(jiǎn)稱黃河特大橋)的橋址水文特征獨(dú)特,通航環(huán)境及周圍生態(tài)環(huán)境要求較高。該橋址的確定與橋式的選擇既要滿足通航和河道特征要求,還要與工程地質(zhì)、地形地貌條件、水文(水利)條件等相適合,并與周圍環(huán)境及景觀等相協(xié)調(diào)[1]。在我國加大保護(hù)生態(tài)環(huán)境的大背景下,橋梁建設(shè)既要處理好耐久性和造價(jià)費(fèi)用、后期養(yǎng)護(hù)等問題,又要考慮施工技術(shù)的難易程度、結(jié)構(gòu)造型與堤外引橋的搭配,以及同周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性。為此,通過對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋與波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋兩種方案的比選,確認(rèn)以連續(xù)梁橋?yàn)閮?yōu)選設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

黃河特大橋全長8 127 m,橋?qū)?×16.56 m,工程規(guī)模大、造價(jià)高,橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇是該項(xiàng)目的關(guān)鍵。該橋由北堤外引橋、北跨大堤橋、北堤內(nèi)引橋、主橋、南堤內(nèi)引橋、南跨大堤橋、南堤外引橋七部分組成,全橋共分36聯(lián),設(shè)37道伸縮縫,具體布置方案如表1所示。

表1 陽新高速公路黃河特大橋跨徑布置方案

黃河特大橋橋位處水文地質(zhì)條件復(fù)雜,橋梁抗震設(shè)防烈度高、沖刷大。主河槽擺動(dòng)大,屬典型游蕩性河段,需要充分考慮黃河綜合治理、開發(fā)利用及防洪規(guī)劃等因素。橋梁選擇于黃河主河槽順直且窄的部位跨越[2],盡量減小黃河橋軸線與主河槽中泓線、治導(dǎo)線法線與橋軸線的夾角。

2 黃河特大橋橋位設(shè)計(jì)方案

2.1 黃河特大橋橋位比選

黃河特大橋?qū)嶋H長度達(dá)2 240 m,根據(jù)水利部黃河水利委員會(huì)有關(guān)規(guī)定,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)橋位都要滿足要求。

2.2 橋址所處河道的穩(wěn)定性

橋位的確定一般要求河勢(shì)穩(wěn)定,河勢(shì)主流在不同時(shí)期、不同流量下擺幅較小,深泓點(diǎn)位置變化不大,主槽窄深、變化小。根據(jù)黃河水利委員會(huì)相關(guān)要求,黃河大橋橋墩設(shè)置以不影響河道主流變化為原則,橋梁軸線與洪水主流方向垂直,若有交角偏差,不宜超過10°。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,河勢(shì)穩(wěn)定,主槽擺幅較小。另外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°,能夠滿足設(shè)計(jì)穩(wěn)定要求。

2.3 與高速公路網(wǎng)的銜接

黃河特大橋建設(shè)工程起點(diǎn)接濮范高速,路線向南,分K線與AK線。K線于濮陽市小辛莊南上跨黃河北大堤,路線偏東南,于菏澤市牡丹區(qū)李莊集鄉(xiāng)東高寨村東北跨越黃河南大堤,向南接菏東高速。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,向南接菏寶高速。路線布線時(shí),經(jīng)過兩省、兩市的對(duì)接,確定在擬定本項(xiàng)目橋位方案時(shí),主橋與跨大堤橋考慮的主要影響因素有以下幾點(diǎn)。

(1)黃河特大橋與干線公路網(wǎng)的關(guān)系。

黃河特大橋的建設(shè)將進(jìn)一步優(yōu)化豫東北和魯西干線公路網(wǎng)結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮公路網(wǎng)整體效益,同時(shí)能打通黃河天塹,改善濮陽市與菏澤的交通往來。附近跨越黃河的幾座公路大橋距離均較遠(yuǎn),不方便當(dāng)?shù)鼐用癯鲂?。該?xiàng)目建成后將形成“外圍環(huán)路+七縱七橫”干線網(wǎng),對(duì)吸納當(dāng)?shù)亟煌?、改善區(qū)域內(nèi)黃河兩岸交通運(yùn)輸將起到重要作用。

(2)黃河特大橋與鐵路、水運(yùn)的關(guān)系。

晉中南鐵路(又稱晉豫魯鐵路)在濮陽市南部通過,與瓦日鐵路組成橫跨晉、豫、魯三省的國家級(jí)干線運(yùn)煤重載鐵路。晉中南鐵路在濮陽市境內(nèi)設(shè)有火車站,該項(xiàng)目建成后,未來的客貨流可通過該鐵路去往豫北、晉中及魯南地區(qū),并在湯陰縣與京廣鐵路實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換,在臺(tái)前縣與京九鐵路實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換,可通往全國主要大中城市和其他經(jīng)濟(jì)地區(qū)。

(3)與兩岸自然地形及黃河防洪工程的關(guān)系。

橋墩壅水會(huì)不斷地沖刷堤壩和河道,這在一定程度上降低了河道及堤防工程的防洪功能。在設(shè)防流量20 000 m3/s條件下,橋位斷面堤防流量設(shè)置應(yīng)考慮防洪工程,斷面堤防設(shè)防流量設(shè)計(jì)為20 000 m3/s,洪水位設(shè)計(jì)為65.00 m,主橋長要滿足主河槽擺動(dòng)的寬度要求,兩岸灘地孔跨、主橋孔跨都要滿足河段防凌防洪要求。

(4)項(xiàng)目沿線環(huán)境敏感區(qū)重要設(shè)施的分布及影響。

該項(xiàng)目所在區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ～Ⅷ度區(qū),為強(qiáng)震區(qū)。在布設(shè)線路時(shí),應(yīng)盡量避開較大的斷裂帶,或注意與之形成較合適的交角,以有效抗震減災(zāi)。對(duì)于黃河兩側(cè)大堤,橋高應(yīng)滿足通車凈空要求。另外,濮陽市境內(nèi)文物保護(hù)區(qū)資源豐富,設(shè)計(jì)要求避開文物保護(hù)區(qū),使之不在路區(qū)范圍內(nèi)。同時(shí),黃河特大橋根據(jù)通航標(biāo)準(zhǔn)合理布跨,滿足橋位處黃河Ⅳ級(jí)航道的要求,未來河段通航亦可與本項(xiàng)目交通流輕松轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)黃河中下游區(qū)域的內(nèi)河運(yùn)輸。

(5)對(duì)1 000 kV高壓輸電線及高速公路網(wǎng)的整體走向的影響。

根據(jù)以上的控制因素,本項(xiàng)目初擬黃河橋位為:北側(cè)于小辛莊南側(cè)跨越黃河北大堤,向東南跨越黃河,于菏澤市牡丹區(qū)李莊集鄉(xiāng)東高寨東北跨越黃河南大堤。

3 橋型比選

參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)[3],跨大堤橋跨徑為130 m,適合此跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)形式主要有鋼桁架橋、連續(xù)梁橋、斜拉橋、拱橋等,鋼桁架橋造價(jià)較高,且后期養(yǎng)護(hù)工作量大,造型也與堤外引橋不搭配,故不考慮選用。斜拉橋及拱橋需要采用整體式路基,跨大堤橋平面位于直線上,路線平面需要由分離路基過渡到整體路基,路線線形不暢,施工工藝復(fù)雜且養(yǎng)護(hù)工作量大,造價(jià)高[4],也不予選用。連續(xù)梁橋跨中梁高比較小,結(jié)構(gòu)輕盈,較為合適,初步設(shè)計(jì)提出兩個(gè)梁式橋和一個(gè)斜拉橋設(shè)計(jì)方案,從材料等方面對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一:預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力混凝土體系,縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縱向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,豎向預(yù)應(yīng)力采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺紋鋼筋。大堤橋跨布置為(75+130+75)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,全長280 m,寬為2×16.56 m,為上下行分離式橋梁。

上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁,邊跨與中跨的比例為0.67。箱梁采用單箱單室截面,箱梁頂板寬16.56 m,底板寬8.5 m,翼緣懸臂長4.03 m,底板水平,頂板設(shè)2.0%單向橫坡。支點(diǎn)處梁高7.5 m,邊跨直線段及主跨跨中處梁高3.5 m,梁高變化段梁底曲線采用1.8次拋物線方程。箱梁頂板厚0.3 m,底板厚0.32～0.95 m,按1.8次拋物線變化,腹板厚0.6～0.8 m,懸臂板根部厚0.8 m,端部厚0.2 m,截面轉(zhuǎn)角處均設(shè)倒角過渡。箱梁邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)及中跨跨中設(shè)置橫梁,厚度分別為2.5、3.0、0.3 m,中支點(diǎn)橫梁、跨中橫隔板和聯(lián)間邊支點(diǎn)橫梁設(shè)置人孔。箱梁在懸臂板底側(cè)距邊緣10 cm處設(shè)半徑r=2 cm的滴水槽。

下部結(jié)構(gòu)采用箱型墩、承臺(tái)及群樁基礎(chǔ),主墩平面尺寸為8.5 m×4.0 m,橫橋向壁厚1.0 m,順橋向壁厚0.8 m,承臺(tái)平面尺寸為14 m×14 m,厚4.0 m,承臺(tái)下設(shè)9根Φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁間距5.2 m。主橋間連接墩平面尺寸為8.5 m×4.0 m,橫橋向壁厚1.0 m,順橋向壁厚0.8 m,承臺(tái)平面尺寸為14 m×8.8 m,厚4.0 m,承臺(tái)下設(shè)6根Φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁間距5.2 m。主引橋間連接墩平面尺寸為8.5 m×3.0 m,壁厚 0.7 m,承臺(tái)平面尺寸為14 m×8.8 m,厚3.5 m,承臺(tái)下設(shè)6根Φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁間距5.2 m。墩身采用C40混凝土,承臺(tái)采用C35混凝土、基樁采用C30混凝土。墩高>20 m設(shè)一道橫隔板。橋墩四角設(shè)置0.3 m圓弧倒角。

3.2 方案二:波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋

上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋,邊跨與中跨的比例為0.577。橋跨布置為(75+130+75)m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋,全長280 m,橋?qū)?×16.56 m,采用上、下行分離式橋梁。主橋波形鋼腹板與混凝土頂板用翼緣型雙開孔鋼板連接,與底板混凝土采用翼緣型角鋼剪力鍵連接,縱向連接設(shè)計(jì)均采用雙面搭接貼角焊接,與跨間橫隔連接采用雙PBL鍵連接。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋于20世紀(jì)80年代起源于法國,20世紀(jì)90年代在日本得到了廣泛的應(yīng)用。2005年以來在國內(nèi)也得到了廣泛的應(yīng)用,主要應(yīng)用橋型為連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、矮塔斜拉橋,主要應(yīng)用跨徑為60～190 m。

參照《大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋技術(shù)規(guī)范》(DB 37/T 3549—2019)[5]和黃河特大橋?qū)嶋H要求[6],下部結(jié)構(gòu)采用箱型墩,主墩截面尺寸4.0 m×8.5 m,縱向壁厚1.0 m,橫向壁厚1.0 m,連接墩截面尺寸3.5 m×8.5 m,壁厚0.75 m,四周倒50 cm圓角?；A(chǔ)采用承臺(tái)群樁鉆孔灌注樁,主墩承臺(tái)尺寸為14.0 m×14.0 m,厚4.0 m,每個(gè)主墩下設(shè)9根Φ2.0 m 的鉆孔灌注樁,連接墩承臺(tái)尺寸為14.0 m×8.8 m(橫橋向尺寸×縱橋向尺寸),厚4.0 m,每個(gè)連接墩下設(shè)6根Φ2.0 m的鉆孔灌注樁,墩身采用C40混凝土,承臺(tái)采用C35混凝土,基樁采用C30混凝土。

3.3 方案三:預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋

方案三為2×(80.5+7×137+80.5)m預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋。主橋橋跨布置為2×(80.5+7×137+80.5)m,全長2 240 m,橋?qū)?×35.06 m,采用整幅式橋面。

上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋,邊跨與中跨的比例為0.59。主梁:上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上、下行合并整體箱、單箱三室、斜腹板,外形成流線型,較為美觀。支點(diǎn)根部梁高選用5.0 m,跨中梁高采用2.9 m,為便于施工,跨中42 m范圍為等高梁段,箱梁高度以及底板厚度均按1.6次拋物線變化,箱梁頂寬35.06 m,根部底板寬18.475 m,懸臂長6.53 m,頂板厚0.3 m,底板厚 0.32～0.6 m,中腹板厚0.5 m,邊腹板厚0.55 m。箱梁0號(hào)節(jié)段長11 m,每個(gè)懸澆“T”16個(gè)節(jié)段,梁段數(shù)及梁段長從根部至跨中分別為4×3.5 m、12×4.0 m,節(jié)段懸澆總長62 m。邊、中跨合龍段長均為2 m,邊跨現(xiàn)澆段長10.28 m。主塔:塔高27.0 m,塔高與跨徑之比為1/5.074,塔厚1.8 m。為增加索塔景觀效果,塔柱為弧線外形并設(shè)置凹槽,底部截面8.0 m×1.8 m,上部截面5.0 m×1.8 m,塔柱側(cè)面設(shè)置3.0 m×0.2 m凹槽,在塔上設(shè)置索鞍,斜拉索通過外鋼管穿過橋塔,在梁上兩端張拉。

斜拉索:單索面結(jié)構(gòu),橋塔和斜拉索放置在中央分隔帶內(nèi),采用環(huán)氧涂層鋼絞線拉索,每個(gè)錨固點(diǎn)使用2×55Φs15.24鋼絞線,每個(gè)橋塔上共設(shè)2×10對(duì)斜拉索,橫向兩排索間距1.0 m。下部結(jié)構(gòu)采用箱型墩,單箱雙室截面,主墩截面尺寸(5～7)m×(13～15)m,縱向壁厚0.8 m,橫向壁厚0.8 m。主墩間連接墩尺寸(4～5)m×(13～15)m,縱向壁厚0.8 m,橫向壁厚0.8 m。主橋和引橋連接墩截面尺寸3.5 m×(21.0～24.0) m,縱向壁厚0.8 m,橫向壁厚1.2 m或 0.7 m,四周倒50 cm圓角。

基礎(chǔ)采用承臺(tái)群樁鉆孔灌注樁。主墩承臺(tái)尺寸為19.2 m×24.4 m,厚度4 m,每個(gè)主墩下設(shè)20根Φ2.0 m鉆孔灌注樁。主墩間連接墩承臺(tái)尺寸24.4 m×8.8 m,承臺(tái)厚4.0 m,每個(gè)承臺(tái)下面設(shè)置10根Φ2.0 m樁基,主橋與引橋連接墩承臺(tái)尺寸為29.6 m×8.8 m,厚度3.5 m,每個(gè)連接墩下設(shè)12根Φ2.0 m鉆孔灌注樁。墩身采用C40混凝土,承臺(tái)采用C35混凝土,基樁采用C30混凝土。

4 橋型方案對(duì)比分析

4.1 橋梁方案比較

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有施工工藝成熟、工期短、造價(jià)低、后期養(yǎng)護(hù)工程量小等諸多優(yōu)點(diǎn),目前在60～150 m跨徑范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。部分斜拉橋與連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)相比,梁高相對(duì)較低,在跨徑相同時(shí),主梁高度可比連續(xù)梁小一半左右,引橋采用梁高較低的結(jié)構(gòu)整體比較美觀。大跨度梁橋往往有后期跨中下?lián)蠂?yán)重、腹板開裂的病害,而部分斜拉橋由于具有斜拉索(即體外預(yù)應(yīng)力),使得其先天具備抵抗這一病害的能力,耐久性較梁式橋更好。但是部分斜拉橋方案(方案三)采用整幅式斷面,因設(shè)置橋塔的需要,需加寬中分帶和橋面寬度。主橋長達(dá)2 000 m,索塔多達(dá)14個(gè),部分斜拉橋方案景觀效果不占優(yōu)勢(shì)。采用大懸臂整體式斷面施工也較分離式梁式橋復(fù)雜,后期維護(hù)工作量大,并且造價(jià)相對(duì)同跨徑梁式橋(方案一)偏高,故推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋方案。

4.2 施工工藝對(duì)比

方案一采用跨徑組合為2×(80+8×120+100)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,方案二采用同跨徑組合的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。方案二是一種經(jīng)濟(jì)、高效、施工簡(jiǎn)便的新型橋梁結(jié)構(gòu)形式,較好地將鋼、混凝土兩種不同材料結(jié)合起來,減小了大跨徑混凝土梁式橋腹板開裂、跨中下?lián)系娘L(fēng)險(xiǎn),采用體外索可方便后期橋梁的維修,自重減輕15%,降低地震力影響,造價(jià)也有所降低,工期短,并且符合國家節(jié)能減排的總體設(shè)計(jì)理念,已逐漸成為我國橋梁建設(shè)中非常有競(jìng)爭(zhēng)力的常規(guī)橋型。但是,大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工工藝相對(duì)比較復(fù)雜,施工控制要求高,目前國內(nèi)熟練的施工隊(duì)伍比較少,考慮到本項(xiàng)目主橋規(guī)模較大,為確保工期和工程質(zhì)量,故主橋推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

通過表2對(duì)比分析得出:三個(gè)橋型方案的主橋長、跨徑組合、分聯(lián)情況相同,主要差別在結(jié)構(gòu)的合理性、工程造價(jià)、工期、后期維護(hù)及施工難度等方面,經(jīng)分析對(duì)比,方案一、方案二、方案三各有優(yōu)缺點(diǎn);其中,方案一、方案二進(jìn)入遴選后再進(jìn)行綜合比選。

表2 跨大堤橋設(shè)計(jì)方案對(duì)比

4.3 綜合方案比選

綜合方案比選在方案一與方案二之間進(jìn)行,方案一、方案二各有優(yōu)缺點(diǎn),在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了同深度詳細(xì)設(shè)計(jì),方案綜合對(duì)比見表3。

表3 跨大堤橋方案綜合對(duì)比

根據(jù)表3所列11項(xiàng)對(duì)比因素,考慮到施工技術(shù)難易程度,以及造型與堤外引橋的搭配、同周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性等多種因素,最終陽新高速公路黃河特大型橋梁工程跨大堤橋選取方案一,采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)方案。特別需要注意的是陽新高速公路黃河特大型橋梁跨大堤橋的橋體巨大,橋梁上部重量大、跨徑大,跨中存在下?lián)巷L(fēng)險(xiǎn),可能影響橋梁的安全性和耐久性[7],因此,一定要做好特大型橋梁與跨大堤橋的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語

黃河特大型橋梁跨越河南省與湖北省高速公路,在具體擬定本項(xiàng)目橋位方案時(shí),要考慮兩省、兩市的橋位對(duì)接、高速公路網(wǎng)的路線整體走向、橋址處河道的穩(wěn)定性以及黃河防洪等因素。同時(shí),還要處理好航道、交通、生態(tài)環(huán)境間的關(guān)系。確保橋梁耐久性及安全性是橋梁工程的關(guān)鍵,遵循造價(jià)低、施工技術(shù)成熟及結(jié)構(gòu)合理等原則,橋型設(shè)計(jì)采用跨徑組合為2×(80+8×120+80)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,以盡可能地降低通航風(fēng)險(xiǎn)及施工風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省造價(jià)。