三門峽黃河公鐵兩用大橋總體設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

劉俊鋒，寧伯偉，李華云

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

1 工程概述

三門峽黃河公鐵兩用大橋是蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道(以下簡稱“蒙華鐵路”)、預(yù)留運(yùn)城至三門峽鐵路(以下簡稱“運(yùn)三鐵路”)及運(yùn)三高速公路跨越黃河的共用橋梁，橋位距下游G209線三門峽黃河公路大橋約8.4 km，距下游三門峽壩址約28.9 km。

蒙華鐵路為雙線I級重載鐵路，設(shè)計(jì)速度120 km/h，設(shè)計(jì)活載為ZH活載(z=1.2)。

運(yùn)三鐵路為雙線I級鐵路，設(shè)計(jì)速度160 km/h，設(shè)計(jì)活載為中-活載。運(yùn)三高速公路為雙向6車道，公路橋面寬32 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級的1.3倍。

2 主要建橋條件

2.1 河道及水文

橋址區(qū)黃河較為順直，黃河水流呈由西南向東北方向，主河槽靠南岸邊，寬約1 050 m，南岸有防護(hù)工程，北岸有寬約2 200 m的河灘地帶。

大橋位于三門峽水庫內(nèi)，根據(jù)水庫的運(yùn)用方式，汛期按“318 m”控制運(yùn)用，非汛期最高運(yùn)用水位不超過318 m(大沽高程，1985黃海高程=大沽高程-1.192 m)；汛期洪水敞泄(入庫流量大于1 500 m3/s，敞泄運(yùn)用，反之，控制壩前水位不高于305 m)。因此，在汛期和非汛期水位高差一般在13 m。

在發(fā)生300年一遇的洪水時(shí)，最大流量33 400 m3/s；橋位處最高洪水位為328.31 m(大沽高程)。

根據(jù)防洪影響評價(jià)研究結(jié)論，橋址區(qū)主河槽有向北岸發(fā)展的趨勢，為了防止河勢演變所產(chǎn)生的沖刷危及橋梁安全，主河槽以北至沿黃旅游公路之間約900 m范圍的灘地沖刷按主河槽考慮。

2.2 環(huán)境敏感區(qū)

本橋穿越3處敏感區(qū)，分別為2處自然保護(hù)區(qū)(河南黃河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)、運(yùn)城濕地省級自然保護(hù)區(qū))、1處水產(chǎn)種植自然保護(hù)區(qū)(黃河中游國家級水產(chǎn)種植資源保護(hù)區(qū))。

2.3 工程地質(zhì)

橋址區(qū)為新生界第四系地層，土層主要由黃土、粉土、砂類土及粉質(zhì)黏土組成。

2.4 氣象

項(xiàng)目地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候。氣候總的特征是：四季分明，春秋短而冬夏長，春季干燥多大風(fēng)，夏季炎熱多雨水，秋季溫和濕潤，冬季雨雪少且冷。極端最高氣溫43.2 ℃，極端最低氣溫-19.1 ℃。7月份最熱，平均氣溫是26.5 ℃；1月份最冷，平均氣溫為-0.5 ℃。

2.5 地震

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.18g，場地類別為Ⅲ類。

2.6 航運(yùn)

橋址區(qū)黃河段為國家Ⅳ級通行航道，要求通航凈空為8 m，最高通航水位為326 m(大沽高程)。

3 橋梁總體布置

3.1 橋梁平面布置

蒙華鐵路位于下游側(cè)，預(yù)留運(yùn)三鐵路位于上游側(cè)。主橋位于直線段，運(yùn)三鐵路與蒙華鐵路在主橋段線間距9.5 m，出主橋后，北岸布置半徑1200 m曲線，南岸布置半徑800 m曲線，使運(yùn)三鐵路逐漸與蒙華鐵路分離。

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，為了節(jié)省投資，公鐵應(yīng)盡快分離，因此，運(yùn)三高速公路出主橋后即在北岸和南岸分別設(shè)置半徑1 005.946 m和1 000 m平曲線逐漸彎出與鐵路分離。公鐵分離后，北岸公路位于鐵路下游側(cè)，南岸公路位于鐵路上游側(cè)。

平面布置示意見圖1。

圖1 線路平面總布置示意

3.2 橋梁縱斷面布置

橋梁縱斷面主要受兩岸地形及蒙華鐵路限制縱坡等因素控制，橋面較高，主河槽處鐵路橋面距河床面約79 m。橋梁縱斷面(蒙華鐵路)布置見圖2。

圖2 橋梁縱斷面布置(單位：m)

3.3 橋梁橫斷面布置

本橋?yàn)樗木€鐵路與6車道高速公路合建的橋梁，公鐵合建的橫斷面布置可分為：上下層布置和平層布置兩大類形式。主橋跨越黃河主河槽，如采用平層布置的方式，則橋梁寬度太寬(60 m左右)，對黃河行洪影響較大。因此采用常規(guī)的公路在上，鐵路在下的上下層布置形式。

3.4 跨度和墩位布置

3.4.1 橋梁跨度確定

橋位位于潼關(guān)-孟津河段，根據(jù)黃河水利委員會黃建管[2007]48號文的要求，主橋凈跨要求≥80 m，灘地引橋跨度≮40 m。

(1)主橋跨度選擇

橋軸線法線與水流夾角約7°，則主跨長度L=80 m(凈孔跨)/cos7°+36.6 m(墩寬)×tan(7°)+10.6 m(墩厚)≈95.7 m；參考橋位附近的既有及在建黃河橋，96 m主跨對河道防洪影響較大，防洪影響評價(jià)分析表明不宜采用。因此，設(shè)計(jì)過程中僅對108 m及大于108 m的主跨方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。

(2)引橋跨度選擇

根據(jù)黃建管[2007]48號文要求，灘地引橋跨度應(yīng)大于40 m，并經(jīng)過多方案綜合比選，確定為40 m跨。陸地引橋采用經(jīng)濟(jì)性好的32 m跨。

3.4.2 主橋長度確定

根據(jù)防洪影響評價(jià)專題研究成果，主槽擺動(dòng)范圍為1 050 m。

主橋長度應(yīng)覆蓋主槽擺動(dòng)范圍，同時(shí)避免在其護(hù)岸工程上、河邊搶險(xiǎn)公路上設(shè)置橋墩，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)角度考慮盡量減少主橋長度。因此主橋長度按照1 100 m左右考慮。

3.4.3 主橋孔跨布置、墩位布設(shè)

根據(jù)橋位處河槽現(xiàn)狀及防洪影響評價(jià)結(jié)論，從對南岸七里防沖護(hù)岸工程的安全影響、主槽擺動(dòng)范圍影響以及工程搶險(xiǎn)及橋梁施工等方面綜合考慮，將南岸邊墩設(shè)置在沿河搶險(xiǎn)公路南側(cè)，邊跨跨越沿河搶險(xiǎn)公路，南側(cè)第一個(gè)主跨跨越七里防浪防沖工程，然后向主河槽內(nèi)布置其他主墩。

4 橋式方案設(shè)計(jì)

4.1 全橋橋式布置

如圖3所示，全橋由北至南橋式布置為：54-40 m簡支箱梁+(40.7+60+40.7) m連續(xù)箱梁(跨沿黃公路)+22-40 m簡支箱梁(含8孔公鐵合建段)+(84+9×108+84) m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁(跨黃河主河槽)+11-32 m簡支T梁(含9孔公鐵合建段)+(55+82+55) m連續(xù)箱梁(跨G310線、地下管線)+5-32 m簡支T梁+1-24 m簡支T梁+16-32 m簡支T梁[1-5]。橋梁全長5 663.754 m，其中公鐵合建段長1 762.733 m，蒙西與運(yùn)三合建總長2 266.083 m。

圖3 橋跨布置示意(單位：m)

4.2 主橋

4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋采用(84+9×108+84) m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁，橋長1 142.5 m，為一聯(lián)布置。橋式立面布置見圖4。

圖4 主橋橋式布置(單位：m)

鋼桁梁為3片主桁結(jié)構(gòu)，中邊桁中心距13.6 m，每片主桁均采用無豎桿的三角形桁架，桁高15 m，節(jié)間長12 m。鐵路橋面上游側(cè)布置運(yùn)三鐵路雙線，線間距4.2 m，下游側(cè)布置蒙華鐵路雙線，線間距4 m。蒙華鐵路與運(yùn)三鐵路在主橋段線間距9.5 m[6-9]。主梁橫斷面布置見圖5。

圖5 主橋橫斷面布置(單位：cm)

主桁上下弦桿均采用箱形截面，腹桿截面采用箱形及H形兩種類型。主桁節(jié)點(diǎn)采用焊接的整體節(jié)點(diǎn)，各主桁桿件于工地采用高強(qiáng)螺栓及拼接板連接[10-11]。鐵路橋面采用正交異性整體鋼橋面板[12]。公路橋面采用混凝土橋面板與上弦桿及橫梁相結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)[13-15]。橋面板全寬32 m，標(biāo)準(zhǔn)板厚300 mm。每個(gè)節(jié)間12 m范圍設(shè)置4道公路橫梁，橫梁間距3 m。主桁、鐵路橋面及公路橋面鋼構(gòu)件的材質(zhì)采用Q370qE。

主橋橋墩均采用圓端形門式空心墩。基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為2.0 m。

4.2.2 抗震設(shè)計(jì)

為滿足抗震要求，主墩墩頂設(shè)置雙曲面減隔震支座[16-17]，支座球心距7 m，摩擦系數(shù)0.03。

多遇地震和設(shè)計(jì)地震作用下，橋墩與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)保持在彈性工作范圍；罕遇地震作用下，雙曲面球形減隔震支座發(fā)揮作用，墩身縱向、橫向均可能進(jìn)入塑性屈服階段。橋梁基礎(chǔ)、蓋梁、梁體作為能力保護(hù)構(gòu)件[18]，即保證在橋墩出現(xiàn)塑性鉸時(shí)能力保護(hù)構(gòu)件不發(fā)生破壞；墩柱按延性構(gòu)件設(shè)計(jì)。

4.2.3 施工方案

(1)連續(xù)鋼桁梁采用頂推法施工[19-20]，由南岸向北岸單向頂推。鋼桁梁頂推安裝平臺設(shè)在與主橋相接的南引橋4孔32 m梁范圍內(nèi)，頂推導(dǎo)梁長72 m。主橋頂推施工見圖6。

圖6 主橋鋼桁梁頂推施工

(2)公路混凝土橋面板提前預(yù)制，并放置300 d以上。鋼桁梁頂推到位后，再進(jìn)行公路混凝土橋面板結(jié)合施工。為增加墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力，提高混凝土板的安全度和耐久性，采用跨中部分混凝土與鋼主桁先結(jié)合，再起頂單墩支點(diǎn)，將當(dāng)前支點(diǎn)區(qū)域混凝土與鋼主桁結(jié)合，最后將支點(diǎn)回落，逐墩進(jìn)行頂落梁作業(yè)，直至結(jié)合完成。

4.3 公鐵合建段引橋

公路出主橋后即設(shè)置平曲線逐漸彎出與鐵路分離，因此公鐵合建段引橋均為公鐵分岔的異型區(qū)段，主梁及橋墩的布置均較復(fù)雜。

北岸、南岸公鐵合建段引橋下層鐵路分別采用40 m和32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁[21]；上層公路分別采用40.7 m和32.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，為曲線梁。橋墩整體上采用框架結(jié)構(gòu)，下層鐵路墩身采用門式空心墩，上層公路墩采用兩柱或三柱式框架墩，帽梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)均采用鉆孔樁基礎(chǔ)。公鐵合建段引橋典型橫斷面見圖7。

圖7 公鐵合建段引橋典型橫斷面(單位：cm)

梁和橋墩的布置原則為：下層鐵路墩順橋向中心線位置由蒙華鐵路簡支梁的布置確定；運(yùn)三鐵路簡支梁正常布置；上層公路框架墩順橋向中心線與下層墩一致；公路連續(xù)梁根據(jù)線路平面布置，與墩身斜交；為方便施工，公路箱梁的橫梁仍沿線路徑向設(shè)置。

4.4 鐵路引橋

北岸鐵路引橋除跨沿黃旅游公路采用(40+60+40) m連續(xù)梁外，其余均采用40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。南岸引橋除跨G310采用(55+82+55) m連續(xù)梁外，其余均采用32 m或24 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁。橋墩均采用圓端形空心墩或圓端形實(shí)體墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為2.0、1.8、1.5 m及1.25 m。

4.5 環(huán)保措施

本橋穿越3處自然保護(hù)區(qū)，為了深入貫徹綠色環(huán)保的理念，本橋在設(shè)計(jì)上采取了一系列環(huán)保措施，主要措施有：①在橋面兩側(cè)設(shè)置遮光聲屏障，減少列車通過時(shí)噪聲和光照對濕地鳥類的不利影響；②在鐵路橋面和擋砟墻內(nèi)側(cè)設(shè)置道砟墊，以降低列車通過時(shí)的鋼梁振動(dòng)；③橋面排水采用兩級排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清污分流，避免橋面車輛有毒有害液體泄露時(shí)直接排入河內(nèi)。

5 結(jié)語

三門峽黃河公鐵兩用大橋設(shè)計(jì)和施工采用大量先進(jìn)技術(shù)和工藝，具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

(1)本橋?yàn)樗木€鐵路與6車道高速公路合建的橋梁，設(shè)計(jì)活載合計(jì)473.2 kN/m。

(2)高烈度區(qū)的高墩大跨長聯(lián)重載鋼桁結(jié)合梁，設(shè)計(jì)采用雙曲面減隔震支座及合理的構(gòu)造處理，有效提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。

(3)主橋采用無橫聯(lián)三主桁結(jié)構(gòu)，整體通透美觀，節(jié)省鋼料，同時(shí)施工、養(yǎng)護(hù)便捷。

(4)主橋鋼桁梁采用多點(diǎn)同步整體頂推施工技術(shù)，墩高最高72 m，施工技術(shù)含量高，難度大，單聯(lián)連續(xù)頂推11孔，頂推距離1 142.5 m、頂推質(zhì)量4.3萬t(鋼桁梁質(zhì)量+導(dǎo)梁質(zhì)量)。大橋已于2015年開工建設(shè)，計(jì)劃2019年建成通車。