濟南建邦黃河大橋主橋設計

衛俊+王碧波

摘 要：濟南建邦黃河大橋主橋采用主跨2×300m三塔預應力混凝土梁斜拉橋。中塔處為塔梁墩固結，邊塔塔柱通過箱梁時，箱梁形成開口截面，從而主塔與塔墩固結，形成中塔固結，邊塔半漂浮的體系；主梁采用單箱四室斜腹板截面，橋寬30.5m，標準索距梁段均設有橫梁及橫向加勁肋板；中塔柱為縱向人字型結構，邊塔柱采用獨柱式結構；斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲拉索；基礎采用鉆孔灌注樁基礎。大橋在橋式布置、主梁、主塔構造設計等方面具有一定的技術突破與創新。

關鍵詞：三塔斜拉橋 橋梁設計 支承體系 箱梁構造 主塔造型

1.工程概況

濟南建邦黃河大橋位于濟南市西北部老徐莊附近，南北分別與濟南市二環西路、國道309連接，路線全長5.271公里，其中橋梁長2.145公里。雙向六車道一級公路，行車速度80km/h。主橋采用三塔預應力混凝土梁斜拉橋，跨度布置為（53.5+56.5+2×300+56.5+53.5）m。項目所在區域屬黃河沖積平原地貌單元。橋址區第四系覆蓋層為河流沖洪積層，巖性以粘性土為主；基巖為中生代燕山期侵入巖，巖性為輝長巖，工程性能好，力學性質均勻穩定。

2.結構設計

2.1跨度布置

三塔斜拉橋跨度布置為（53.5+ 56.5+2×300+56.5+53.5）m共6跨連續結構，整幅布置（圖1）。三塔采用不等高形式布置，中塔高于兩邊塔，主跨300m的跨度滿足其河槽基本跨度180m的要求，邊跨110m，邊中跨比0.37。邊跨設1個輔助墩，加強邊塔邊跨錨固剛度，提高斜拉橋結構整體剛度，明顯改善結構受力狀況。特別是有效降低了中塔及邊塔彎矩，減輕了塔墩基礎反力，從而減小基礎規模，降低造價。施工期間僅中塔基礎一個水中墩，邊跨位于河槽灘地，斜拉橋邊跨主梁可采用滿布膺架法施工，避免該區段采用懸澆施工，可有效的縮短施工工期。

2.2支承體系

本橋橋面橫向寬度為30.5m且設有中央分車帶，適宜采用箱梁結構、中央索面，主塔橫橋向從景觀及經濟角度考慮采用獨柱型橋塔，一般為塔梁固結或者剛構體系。本橋在邊塔塔柱通過箱梁時，箱梁形成開口截面，從而主塔與塔墩固結，形成中塔固結，邊塔半漂浮的體系。

斜拉橋中塔塔梁墩固結，兩邊塔設有橫向擋塊及豎向支座，分別約束主梁橫橋向線位移和豎向線位移及繞橋軸線轉動的角位移；邊塔和主梁間縱向采用阻尼約束，有效約束主梁豎向線位移和橫向角位移的作用，起到加強主梁抗扭能力的作用。兩輔助墩及邊墩每墩設置兩個豎向支座。

2.3主梁設計

主梁標準節段長度按索距劃分為6m。由于索面布置在中央分隔帶上，主梁橫斷面采用單箱四室斜腹板截面，梁高3.5m，頂板寬30.5m，底板寬9m，兩側懸臂長4m，頂面設2%雙向橫坡。中跨及邊跨未壓重段箱梁頂板厚0.22m，底板厚0.3m，懸臂端部厚0.18m，根部厚0.5m，斜腹板厚0.22m，邊腹板厚0.25m，中腹板厚0.4m；邊跨箱梁設有壓重混凝土段，其斜腹板加厚至0.32m，底板加厚至0.4m（圖2）。標準索距梁段均設有橫梁及橫向加勁肋板，橫梁中箱厚0.40m、邊箱厚0.35m；有壓重區段橫梁中、邊箱厚均為0.6m；所有橫向加勁肋板厚0.25m。主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。縱、橫向預應力束采用ΦS15.2鋼絞線，豎向預應力鋼束及主梁懸澆施工臨時束采用JL32預應力粗鋼筋。

2.4斜拉索設計

對于中央索面的斜拉橋，橫橋向斜拉索索面布置主要分為單根索及雙根索兩種型式，雙根索的設計能增強主梁的抗扭剛度，減小單根索的索力，從而改善主梁及塔上錨固區局部受力困難等條件，減少錨固區材料用量，同時采用雙根索對于拉索的施工和日后的更換也方便得多，鑒于上述考慮，本橋選用雙根索的型式。中塔每索面共26對斜拉索，邊塔共19對斜拉索，全橋共256根斜拉索。

斜拉索采用Ф7mm鍍鋅平行鋼絲，外擠雙層PE，內層為黑色，外層為藍色，鋼絲標準強度fpk=1670Mpa。斜拉索規格共11種，分別為109φ7、127φ7、139φ7、151φ7、163φ7、187φ7、199φ7、211φ7、223φ7、241φ7、253φ7。斜拉索錨具采用張拉端冷鑄墩頭錨。

2.5主塔設計

本橋采用三塔布置，中塔高，邊塔低，形成了漢字“山”字的造型組合，與橋位所處的山東省相照應。中塔下部支點向兩側拓展，橋面以上立面為人字型，蘊涵著人與人之間的溝通合作、齊頭并進的深刻含義，也反映了新時代以人為本的新理念。邊塔約為中塔的2/3高，高度比接近黃金分割數，比例協調。邊塔的支撐內收，整體造型更為剛勁。三座塔的造型手法相同，構成系列。

中塔塔梁墩固結，塔高112.25m。橋面以下塔墩高22.45m，為實體結構，分為兩部分，一是高6.2m、直徑16m的圓柱體，二是分開兩邊高16.25m、半徑8m、斜率為1：8.125的半圓斜柱體，橫向寬度為9m。上塔柱高86.64m，采用空心矩形斷面，橫向寬4m，縱向塔頂寬為8m，豎向經圓弧過渡至主梁頂外側至外側寬20m，并在距梁頂22.54m高度處分離為兩個斜腿，形成“人”字型結構（圖3），上塔柱索錨區基本壁厚為橫橋向0.7m，順橋向1.4m。

邊塔塔墩固結、塔梁分離，塔高85.5m。下塔柱高18.1m，橫橋向等寬9m、順橋向等寬7m，采用單箱四室截面，基本壁厚橫橋向1.0m，中間隔板2.0m，順橋向1.0m，中間隔板0.8m，在底部及頂部范圍內壁厚逐漸加厚。上塔柱高67.4m，采用空心矩形斷面，橫向寬度均為4m，縱向塔頂寬為7m。上塔柱索錨區基本壁厚為橫橋向0.7m，順橋向1.4m。

2.6主塔墩基礎設計endprint

本橋位覆蓋層基本上是以粘土和亞粘土為主，可供選擇的基礎形式主要有沉井和鉆孔灌注樁：沉井基礎剛度大，結構安全可靠，施工需要的機械設備少，是較常用的橋梁基礎，但在本橋址沉井存在以下問題：根據地質鉆孔揭示存在膠結層，沉井下沉困難；沉井下沉施工控制難度較大；沉井下沉接高，施工中要大量吸泥，施工周期長，施工期內對環境影響較大。鉆孔灌注樁基礎穿透能力強，施工進度快，能承受較大的垂直和水平荷載，是目前較多采用的大型基礎型式，因此本橋主塔墩選用樁基礎。

塔墩基礎均采用φ2.0m鉆孔灌注樁，梅花形布置，樁間距為5.2m；承臺采用整體式圓形承臺，中塔墩承臺直徑38m，厚5m，邊塔墩承臺直徑27.4m，厚4.5m。

3.施工方法

全橋工期36個月，施工進度主要受中塔墩基礎及斜拉橋混凝土主梁施工進度控制。

中塔墩基礎位于主河槽中，按水中施工方案，采用“棧橋+鉆孔平臺”施工樁基礎，承臺采用吊箱圍堰施工；邊塔、輔助墩及邊墩基礎在枯水期位于灘地，鉆孔樁按陸地常規法施工，承臺施工采用鋼板樁圍堰作為防護，在洪水期前完成基礎及塔墩施工。

斜拉橋主梁0#塊采用墩旁支架法現澆，施工時對0#塊采取固結措施，其它節段采用掛籃懸臂澆筑，斜拉索的掛設、張拉與主梁懸澆同步進行；邊跨現澆段采取膺架現澆，合攏段施工采用吊架法，合攏順序為先邊跨后中跨依次對稱進行。

4.主要特點

本橋主跨2×300m位于三塔單索面預應力混凝土斜拉橋國內第二、同類橋梁中亦屬世界前列。在設計過程中有其鮮明的技術特點及創新點。

4.1混凝土箱梁斜拉橋主塔處箱梁開口構造

目前在預應力混凝土箱梁斜拉橋中，當橋面較寬采用箱梁結構，且設有中央分車帶時，主塔橫橋向較多采用獨柱型橋塔，一般為塔梁固結或者剛構體系。

本橋在邊塔塔柱通過箱梁時，箱梁形成開口截面，從而主塔與塔墩固結，形成中塔固結，邊塔半漂浮的體系，該體系主梁溫度、收縮和徐變內力均較小，主梁各截面的變形和內力的變化較平緩，受力較均勻。但箱梁開口后節點受力情況復雜，應力傳遞機理無法通過平面程序模擬，在研究過程中采用了空間有限元程序對其應力分布及傳力機理進行分析。由分析可知，在箱梁開口區域沿縱向長邊兩側的箱室與開口處豎向板之間的實體混凝土區域縱橋向抗彎剛度較大，而主梁內力根據所加載的結構的剛度進行分配，所以主梁塔根節段的內力主要在開口區域長邊兩側的實體混凝土結構上傳遞，而在其所夾的區域中受力較小，從而在保證混凝土箱梁受力情況的前提下，可以優化斜拉橋總體和結構體系設置。

4.2大跨度混凝土斜拉橋箱梁橫向加勁構造

目前在斜拉橋混凝土箱梁中普遍采用的構造有兩種做法，一種是在箱梁內順橋向斜拉索錨固處設置一道與橋面板平面垂直的橫隔板；二是在兩道拉索橫隔板中間再加一道橫隔板（無拉索橫隔板）。但存在斜拉索索距布置受制約，全橋節段劃分自由度較小，箱梁節段施工工期較長，材料用料較費等缺點。

本橋在現有的公路斜拉橋混凝土箱梁構造基礎上，通過改變常規斜拉橋混凝土箱梁橫隔板布置方式，即在兩道拉索橫隔板中間增加橫向加勁肋，減小頂底板的縱向計算跨度，從而可以減小頂底板厚度，節省材料用量；在保證頂底板受力及變形不變的前提下，可以適當增加拉索橫隔板的間距（即加大斜拉橋梁段的節段長度），滿足斜拉橋總體布置及加快工期的要求；改善頂底板參與橫向受力時的剪力滯后效應，增強其抗裂性能；結構簡單，加大了內部空間從而有利于施工內模的拆除，便于施工。

5.結語

濟南建邦黃河大橋主橋為主跨2×300m三塔預應力混凝土斜拉橋。大橋在橋式布置、主梁、主塔構造設計等方面具有一定的技術突破與創新，取得了較好的社會效益與經濟效益，推動了橋梁技術的進一步發展。大橋已建成為一項“交通順暢、景觀優美、結構安全、技術創新、經濟合理”的優質工程，對于實現城市跨黃河發展、有效解決城市交通聯系，促進濟南經濟發展具有重要意義。

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