【摘要】臨猗黃河大橋主橋為（112＋14×128）m＋（14×128＋120）m等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋，最大聯(lián)長1912m。主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁，全寬26m，中心梁高6.0m，標(biāo)準(zhǔn)梁段鋼梁頂板寬11.6m、底板寬11.2m，通過外挑橫梁和斜撐實現(xiàn)7.5m大懸臂；橋面板采用28cm厚C50混凝土板，設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力；中支點兩側(cè)20m范圍內(nèi)在鋼梁底板上澆筑混凝土，形成“雙結(jié)合”構(gòu)造，與底板結(jié)合后共同承壓；橋墩采用矩形變截面薄壁空心墩，最大墩高99m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，最大樁長92m。
采用有限元軟件建立該橋整體及局部模型進行結(jié)構(gòu)靜力分析；基于CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法對主橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進行研究；運用非線性時程分析法對大橋進行了地震響應(yīng)分析，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。主橋上部結(jié)構(gòu)采用無臨時墩頂推法施工，鋼梁頂推到位后安裝橋面板。
【關(guān)鍵詞】連續(xù)梁橋；鋼箱組合梁；外挑橫梁；斜撐；“雙結(jié)合”構(gòu)造；受力性能；頂推施工；橋梁設(shè)計
1 工程概況
臨猗黃河大橋位于山西省運城市，是國家高速公路網(wǎng)G3511濟廣高速公路菏澤至寶雞聯(lián)絡(luò)線上跨越黃河小北干流禹門口至潼關(guān)河段的特大型橋梁。大橋穿越多個生態(tài)敏感區(qū)，橋位建設(shè)條件較復(fù)雜，以百米橋高跨越近6km的黃河河道，處于強風(fēng)、強沖刷、不良地質(zhì)、強震環(huán)境。
1.1 橋位風(fēng)環(huán)境
為獲取橋址實際的風(fēng)場參數(shù)，開展了橋位風(fēng)觀測專題研究，橋址現(xiàn)場設(shè)立風(fēng)觀測塔，采集到2012年6月～2016年6月共4年的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)。研究表明，橋位基本風(fēng)速（10m高度、10min平均時距、100年重現(xiàn)期）為29.6m/s，橋面高度處的設(shè)計風(fēng)速為44.8m/s。主梁施工期設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為39.4m/s。風(fēng)剖面指數(shù)取0.17。
1.2 河道水文
臨猗黃河大橋橋址河段河道寬淺，水流散亂，屬于強烈堆積的游蕩性河道。橋位河道全寬約3.6km，河道縱向河勢平緩，縱向比降3.5；灘槽分界不明顯，水面寬約1200m，水深小于3m。主河槽最大沖刷水深32m，河灘最大沖刷水深26.8m。河道中橋墩承臺頂面要求在現(xiàn)狀河床高程4m以下。
1.3工程地質(zhì)
橋址處地質(zhì)主要表現(xiàn)為黃河沉降帶，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，未見斷層。地質(zhì)鉆孔深度150m，除陜西岸側(cè)在100m深度以下存在少量泥巖、砂巖，大部分地層未見基巖。河道表層覆蓋可液化細砂層，液化深度為9.5～20m，其下為粉質(zhì)黏土層。階地表層為濕陷性粉土，具有負摩阻效應(yīng)。
1.4地震
橋址區(qū)屬于Ⅲ類場地，設(shè)計基本地震加速度0.15g，地震基本烈度Ⅶ度。由于場地覆蓋土層較厚，地震反應(yīng)放大效應(yīng)十分顯著，E2地震工況下場地特征周期最大達1.3s，遠大于按規(guī)范查取周期0.55s，導(dǎo)致反應(yīng)譜峰值平臺段延長，譜值下降段不僅出現(xiàn)較晚而且下降緩慢。
專題研究表明：河道場地E2安評譜1s以后的長周期譜值大致相當(dāng)于基本地震動峰值加速度0.15g標(biāo)準(zhǔn)譜譜值的2倍，基本地震動峰值加速度0.2g標(biāo)準(zhǔn)譜譜值的1.5倍，與基本地震動峰值加速度0.4g標(biāo)準(zhǔn)譜譜值基本相當(dāng)。
1.5生態(tài)敏感區(qū)
大橋穿越2個省級濕地保護區(qū)和2個國家級水產(chǎn)資源保護區(qū)。4個保護區(qū)相互疊加，總長為河道范圍。環(huán)保要求黃河大橋防撞護欄上方加裝不透光材質(zhì)的雙側(cè)聲屏障，設(shè)置范圍為河道內(nèi)橋梁。
2 方案比選
結(jié)合主橋跨徑、施工方法及斷面形式設(shè)計構(gòu)思，綜合考慮施工可行性、運營管養(yǎng)、經(jīng)濟性等因素，對橋梁方案進行比選。
在約3.6km寬的黃河河道段該橋平均高度97.5m，最大高度110m。河道主橋跨徑主要考慮以下內(nèi)容：
①規(guī)劃通航Ⅳ（3）級通航凈寬最小90m；
②防洪要求主河槽孔跨不應(yīng)小于100m；
?、鄣刭|(zhì)條件差、沖刷深度大，較大跨徑有利于減少基礎(chǔ)規(guī)模；
④地震強度高、抗風(fēng)難度大，較小跨徑有利于抗震、抗風(fēng)。該橋初步擬定重點研究跨徑100～300m的橋梁方案。
施工方法的選擇對該橋方案擬定影響較大，尤其上部結(jié)構(gòu)施工方法關(guān)系到跨徑、橋型、材質(zhì)等設(shè)計。該橋橋位高、兩岸相距遠、橋下不通航是限制施工方法選擇的主要因素。經(jīng)初步分析，懸臂現(xiàn)澆、懸臂拼裝和頂推法的可行性相對較高。
大橋高墩數(shù)量多，下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模占比大，整幅式斷面對減少下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模十分有效，橋梁斷面布置以整幅墩、整幅梁為優(yōu)先原則。
綜上研究，該橋可行的橋梁方案有等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋（方案1）、整幅式連續(xù)剛構(gòu)橋（方案2）、連續(xù)鋼桁梁橋（方案3）、工字鋼組合梁獨塔斜拉橋（方案4）。橋梁方案效果圖如圖1所示，橋梁方案綜合對比如表1所示。
圖1 橋梁方案效果圖
表1 橋梁方案綜合對比
由表1可知：4種方案的橋型均為技術(shù)成熟的橋型，橋梁長度基本相當(dāng)，各施工方法相對成熟。
方案2邊跨不滿足100m跨徑要求。
方案1～3對環(huán)境較友好，方案4對敏感區(qū)鳥類棲息、遷徙有一定影響，但景觀效果好。各方案工期均在可控范圍內(nèi)，方案2～4采用懸臂施工，工期較短；方案1頂推施工里程長，工期相對較長。
對比鋼結(jié)構(gòu)橋型的方案1、3、4，方案1的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于其它方案，且采用耐候鋼后期維護成本低，降低了橋梁運營對環(huán)境的影響；
方案2較方案1突出的優(yōu)點是造價低、養(yǎng)護量少，主要缺點是邊中跨比小，跨徑布設(shè)協(xié)調(diào)性差、高空懸澆施工安全風(fēng)險較大，質(zhì)量控制困難，下部基礎(chǔ)建安費造價高，樁基承載效率低。
經(jīng)綜合比較，方案1具有材質(zhì)均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、易于工廠化制造、裝配化施工、便于回收利用等優(yōu)點，且連續(xù)鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)材料利用率高，造價適中，同時滿足河道防洪、通航及環(huán)保要求，該橋最終采用方案1。
3 總體設(shè)計
該橋采用雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度100km/h，橋面全寬26m。
主橋為（112＋14×128）m＋（14×128＋120）m等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋（見圖2），共分2聯(lián)，最大聯(lián)長1912m；山西側(cè)引橋采用40×40m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，橋梁全長5427m。
主橋平面為直線，縱向為1.3％的單坡。橋面橫坡為雙向2％，設(shè)計洪水頻率1/300。
圖2 臨猗黃河大橋總體布置
3.1 主梁
主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁，橋面全寬26m，鋼梁底板寬11.2m（含定位點外伸10cm）、中心高6m，通過設(shè)置外挑橫梁和方鋼斜撐，輔助橋面板實現(xiàn)7.5m大懸臂。
鋼梁采用Q420qDNH免涂裝耐候鋼，標(biāo)準(zhǔn)梁段頂板寬11.6m，中支點梁段頂板寬12.6m，頂板厚16～60mm，腹板厚24～48mm，底板寬11.2m、板厚20～60mm。
頂板加勁肋形式按照受力大小分區(qū)段設(shè)置U肋、U肋間插板肋、密布板肋3種形式；底板肋形式按照受力大小分區(qū)段設(shè)置U肋、板肋2種形式；腹板布置4道T形縱向肋。
除支點斷面采用實腹式隔板外，其余均采用桁式隔板。
中支點兩側(cè)20m范圍內(nèi)，在鋼梁底板上澆筑40～60cm厚C50微膨脹混凝土，通過底板縱向加勁肋開孔連接形成“雙結(jié)合”構(gòu)造，充分發(fā)揮混凝土的抗壓優(yōu)勢。
底板混凝土作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接參與受力，有效降低鋼箱梁底板壓應(yīng)力，減小鋼板厚度；對底板進行局部約束，提高鋼箱梁局部抗屈曲能力。
梁底板縱向加勁肋開孔穿入橫向鋼筋，形成剪力鍵，同時在底板和腹板相應(yīng)位置焊剪力釘，保證混凝土與鋼梁底板間的連接性能。
混凝土橋面板厚28cm，采用C50混凝土，設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力以改善橫向受力。橫向兩側(cè)外懸臂部分為預(yù)制板，中間范圍內(nèi)為現(xiàn)澆板。混凝土橋面板與鋼梁之間通過布置于鋼梁頂面的圓柱頭焊釘連接。
主梁典型橫斷面如圖3所示。
圖3 主梁典型橫斷面
3.2 下部結(jié)構(gòu)及支撐體系
橋墩采用矩形變截面空心薄壁墩，墩高53～99m，墩頂設(shè)置2.5m的實心段。為便于檢查車通過，墩頂設(shè)置2m深槽口，槽口頂寬3.6m、底寬2m。
結(jié)合景觀效果及合理受力需求，橋墩下段采用變截面形式，距墩頂9m處開始縱、橫向坡率均為50:1；中段6.5m高度范圍內(nèi)截面尺寸采用直線漸變。墩身迎水面設(shè)置破冰體。
承臺為矩形整體式結(jié)構(gòu)，厚5m，下設(shè)24根φ2m鉆孔灌注樁，最大樁長92m。為防止黃河泥沙沖刷樁基，在樁頂20m長度范圍設(shè)永久性鋼護筒。
主橋采用摩擦擺式減隔震支座，墩頂布置2個支座，每聯(lián)中間4個橋墩設(shè)置固定支座，其余均為縱向滑動支座，位移量同時滿足運營狀態(tài)和地震2種工況的需求。利用摩擦擺減隔震支座大幅降低下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的地震效應(yīng)，減小了下部結(jié)構(gòu)尤其是基礎(chǔ)工程量。
4 主橋結(jié)構(gòu)性能分析4.1靜力性能
為全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的靜力性能，檢算結(jié)構(gòu)在施工、運營過程中的整體安全性，采用MIDASCivil和FEA軟件建立全橋空間有限元模型。全橋結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，組合梁截面采用雙梁模型分別模擬混凝土板和鋼箱梁。樁底采用固結(jié)約束，墩梁支座位置采用自由度耦合并釋放轉(zhuǎn)動自由度模擬，橋臺位置僅約束豎向以及面外轉(zhuǎn)動方向的自由度。為簡化計算，整體計算建立兩聯(lián)模型。
由計算結(jié)果可知：
（1）考慮支點剪力滯效應(yīng)，鋼梁上翼緣最大拉應(yīng)力259.7MPa（支點位置）、最大壓應(yīng)力233.8MPa（邊跨跨中）；下翼緣最大拉應(yīng)力212.3MPa（邊跨跨中）、最大壓應(yīng)力274.7MPa（支點位置），應(yīng)力指標(biāo)均小于Q420qDNH抗拉強度設(shè)計值305MPa，鋼梁承載力滿足規(guī)范要求。
?。?）車道荷載引起最大撓度在128m邊跨跨中位置，最大撓度值為0.049m，小于規(guī)范規(guī)定限值128m/500＝0.256m。
?。?）鋼梁翼緣采用疲勞荷載模型Ⅰ進行疲勞驗算，最大疲勞應(yīng)力幅12MPa，小于規(guī)范考慮抗力分項系數(shù)折減應(yīng)力幅38.2MPa；桁架式橫隔板撐桿采用疲勞荷載模型Ⅲ對撐桿位置進行疲勞驗算，最大疲勞應(yīng)力幅15.63MPa，小于規(guī)范折減應(yīng)力幅44.4MPa（疲勞細節(jié)類別選擇70MPa作為鋼箱梁疲勞等級）。
（4）頂推施工過程中，考慮剪力滯效應(yīng)折減系數(shù)和局部穩(wěn)定折減，鋼梁上緣最大應(yīng)力104MPa、下緣最大應(yīng)力98.3MPa，均小于規(guī)范限值0.8fd＝244MPa（fd為鋼材抗拉強度設(shè)計值）；頂推施工過程中，鋼箱梁腹板穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1，腹板穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。
?。?）基本組合下，橋面板順橋向最大組合應(yīng)力10.71MPa，小于C50混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值22.4MPa；橫橋向最大彎矩值52.41kN·m，小于橫向配筋截面承載力313.55kN·m，橋面板承載力滿足規(guī)范要求。
橋面板最大裂縫寬度0.152mm，小于規(guī)范限值0.2mm。混凝土橋面板橫向按A類構(gòu)件驗算，頻遇組合下橋面板橫向最大應(yīng)力－0.617MPa［見圖4（a）］，小于規(guī)范限值0.7ftk＝1.855MPa（ftk為混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），橋面板主拉應(yīng)力－1.267MPa［見圖4（b）］，小于規(guī)范限值0.5ftk＝1.325MPa；準(zhǔn)永久組合下橋面板橫向最大應(yīng)力－1.068MPa，小于規(guī)范限值0。
圖4 橋面板內(nèi)力計算結(jié)果
4.2抗風(fēng)性能
利用風(fēng)觀測實測數(shù)據(jù)，采用CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，對主橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進行研究。主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗如圖5所示。
圖5 主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗
主梁斷面節(jié)段模型測振試驗結(jié)果如表2所示。
表2 主梁斷面節(jié)段模型測振試驗結(jié)果
由表2可知：主梁在風(fēng)攻角分別為0°、±3°時，成橋狀態(tài)組合梁斷面顫振臨界風(fēng)速大于顫振檢驗風(fēng)速69.6m/s，施工狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速大于顫振檢驗風(fēng)速61.2m/s，顫振穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。成橋狀態(tài)主梁振動位移響應(yīng)如圖6所示。
圖6 成橋狀態(tài)主梁振動位移響應(yīng)
由圖6可知：當(dāng)風(fēng)攻角分別為0°、±3°時，在試驗風(fēng)速范圍內(nèi)，主梁斷面成橋狀態(tài)未觀測到明顯的馳振現(xiàn)象，主梁斷面馳振穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。在試驗風(fēng)速范圍內(nèi)，主梁斷面施工狀態(tài)未觀測到明顯的馳振現(xiàn)象。
4.3 抗震性能
按照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG/T2231－01—2020）關(guān)于規(guī)則橋梁的定義，該橋不在限定范圍內(nèi)，屬于非規(guī)則橋梁，設(shè)置了減隔震支座。
考慮地基土液化和沖刷影響，地震動輸入基準(zhǔn)面為河床面下20m處。采用非線性時程分析法對大橋進行了地震響應(yīng)分析。
結(jié)果表明：在設(shè)計地震作用下，結(jié)構(gòu)振動基頻合理，振動模態(tài)符合橋梁基本振動形態(tài)；順橋向地震＋豎向地震與橫橋向地震＋豎向地震兩種工況下，墩柱、樁基處于完全彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力滿足抗震性能目標(biāo)要求。
5 頂推施工方案
鋼梁采用步履式頂推工藝，無臨時墩輔助。
在山西、陜西側(cè)各設(shè)置1座鋼梁拼裝場，單元件運輸至現(xiàn)場后，使用龍門吊機吊至頂推平臺進行拼裝定位、梁段接長施工。
在山西、陜西側(cè)各設(shè)置1處頂推平臺，山西側(cè)頂推平臺位于引橋段37～40號墩位置，平臺長109m；陜西側(cè)頂推平臺位于主橋69號墩與合銅高速路基之間，平臺長137m。
鋼梁拼裝至一定長度，加裝導(dǎo)梁和吊索塔架對向頂推，第1聯(lián)頂推長度為1904m，第2聯(lián)頂推長度為1912m。
在55號墩處設(shè)置導(dǎo)梁拆除支架，鋼梁頂推到位后利用塔吊進行導(dǎo)梁拆除。鋼梁頂推到位后，落梁至設(shè)計標(biāo)高，澆筑中支點底板混凝土，架設(shè)預(yù)制橋面板。現(xiàn)澆橋面板先澆筑正彎矩區(qū)域，待混凝土強度達到設(shè)計要求后，再澆筑負彎矩區(qū)域。主梁頂推施工布置如圖7所示。
圖7 主梁頂推施工布置
6 結(jié)語
針對強風(fēng)、強沖刷、不良地質(zhì)、強震等多種不利建設(shè)條件，臨猗黃河大橋采用大跨長挑臂閉口鋼箱組合梁，利用受壓斜撐支撐橋面板以減少鋼箱梁腹板數(shù)量，提高了鋼材利用率；中支點兩側(cè)底板澆筑混凝土形成“雙結(jié)合”構(gòu)造，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與受力，有效降低了底板壓應(yīng)力。主橋結(jié)構(gòu)靜力性能、抗震性能、抗風(fēng)性能均滿足要求。
本文轉(zhuǎn)自《世界橋梁》——臨猗黃河大橋總體設(shè)計，作者韓鋒，楊華
