銀西高鐵銀川機場黃河特大橋主橋總體設計

康 煒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

銀川機場黃河特大橋處于銀川至西安高鐵銀川至吳忠段，位于銀川市東南方向、銀川河東機場西側，為跨黃河、京藏高速公路等道路及灌溉渠而設，為銀西線重點控制性工程。橋址距離機場不到2 km，處于銀川市的門戶地帶，是銀川對外展示城市新形象的窗口。

橋梁全長13 814 m，其中主橋長度1 200 m，孔跨布置為1孔96 m簡支鋼桁梁+2聯(3×168) m連續鋼桁柔性拱+1孔96 m簡支鋼桁梁，平立面布置分別如圖1、圖2所示。

圖1 主橋橋址平面(單位：cm)

圖2 主橋立面布置 (單位：cm)

橋址區覆蓋第四系地層，厚度大于120 m。黃河河谷區以細顆粒沖積層為主，地層上部主要為第四系全新統沖積的粉質黏土、粉土、粉砂、細砂，下部為上更新統沖積的粉質黏土、粉土、粉砂、細砂，局部夾細圓礫土、粗圓礫土透鏡體。大橋設計基本風速14.3 m/s。橋址處地震烈度8度，設計動峰值加速度0.2g，特征周期0.7 s。橋址屬西北寒冷地區，極端最低氣溫-23.7 ℃，橋址處凌汛水位高，冬季冰凌現象嚴重，持續時間長。

橋梁設計活載為ZK活載，設計時速250 km，雙線有砟軌道，線間距4.6 m。本橋在高鐵中首次采用了3孔一聯等跨連續鋼桁柔性拱結構，主橋最顯著的特點為采用3孔一聯等跨度連續鋼桁柔性拱結構，主河槽多跨等跨布置滿足了防洪要求，很好地適應了黃河主槽位置經常發生左右擺動的情況。主橋中墩處采用了V撐加勁，而目前國內建成的大跨度鋼桁柔性拱結構均為主跨加拱、邊跨為平行弦鋼桁結構[1-5]。

2 孔跨及橋式方案選擇

防洪評價結果顯示：橋位與主河道應保持正交，在主河槽范圍內橋梁跨徑需加大至120 m以上。橋位處主河槽寬度約1 200 m，根據現場具體情況綜合考慮主橋的孔跨布置為1-96 m+6×168 m+1-96 m。

由于橋址處地震烈度高、場地地質條件差，且存在地震液化，橋梁宜采用自重較小的鋼結構。適用于3×168 m的鋼結構形式主要有4種：平行弦連續鋼桁梁，變高弦連續鋼桁梁，平行弦連續鋼桁梁加拱，加勁弦連續鋼桁梁加拱(中支點處設V撐變高)。對4種橋式方案進行了比選分析，分析結果如表1所示。根據比選結果本橋主跨推薦采用加勁弦連續鋼桁梁加拱的結構形式，即采用連續鋼桁柔性拱并在中墩處采用V撐加勁的結構。

表1 主橋橋式方案比選

3 上部結構設計

3.1 整體構造

3×168 m連續鋼桁柔性拱結構，主桁采用華倫桁式，計算跨度3×168 m，全長506 m，桁高12.8 m，節間長度11，12 m。拱肋采用二次拋物線線形，矢高受河東機場凈空所限采用28 m(上弦以上)，矢跨比1/4.714。上弦及拱肋設置縱向聯結系，橫橋向每隔22～24 m設置1道橫向聯接系。為加大結構剛度，減小主梁分擔彎矩，在中墩設置加勁V撐，加勁V撐高14 m，結構立面構造如圖3所示。

圖3 連續鋼桁柔性拱結構立面構造(單位：mm)

1-96 m簡支鋼桁梁，為平行弦華倫桁下承式結構，計算跨度96 m，全長97.4 m，桁高12.8 m，節間長12 m，結構立面構造如圖4所示。

圖4 簡支鋼桁梁立面(單位：mm)

3.2 橋面布置

橋面系采用正交異性板鋼橋面，縱向設置U形加勁肋及板式加勁肋，橫向除端橫梁采用箱形橫梁外，余均采用倒T形橫梁及橫肋。結構橫斷面如圖5所示。

圖5 鋼桁梁結構橫斷面(單位：mm)

3.3 主桁構造

主桁桿件主要采用箱形，個別受力較小桿件采用H形。主桁、橋面板及橫梁均采用Q370qE鋼材，橋門架及聯結系采用Q345qE鋼材。桿件具體尺寸如表2所示。

3.4 橋面鋪裝

鋼橋面板與道砟之間采用輕質墊層體系，其組成為甲基丙烯酸甲酯(MMA)高性能防水體系及厚度為60 mm的CAP高粘著輕質保護墊層，立面鋪設如圖6所示。2.4 mm厚的MMA樹脂防水體系由下到上由底涂、防水層、有色陶瓷顆粒硬骨料防滑層組成，見圖7。

3.5 吊桿設計

一聯連續鋼桁柔性拱結構共設62根吊桿，吊桿間距邊跨11 m、中跨12 m，采用剛性吊桿，與上弦及拱肋采用外拼式螺栓連接。為消除可能出現的吊桿風振危害，參考國內的研究成果[6-14]，吊桿截面采用八角形截面，截面內寬1 000 mm、高800 mm，切角為200 mm×200 mm(圖8)。

表2 桿件尺寸 mm

圖6 橋面鋪裝示意

圖7 MMA樹脂防水體系

圖8 吊桿截面(單位：mm)

4 橋墩基礎設計

橋墩均采用直坡的雙柱式橋墩，主墩墩柱縱橋向6.5 m，橫橋向5.0 m，邊墩墩柱縱橋向5.5 m，橫橋向5.0 m。墩柱中心距13.8 m(與鋼桁中心距同寬)，墩頂設置高4 m、長8.8 m的橫梁。由于橋址處黃河段冬季冰凌現象嚴重，每年12月初至來年2月底為凌汛期，凌汛期時間長。為確保結構安全，橋墩迎水側設置三角形的混凝土破冰凌椎體，椎體前端包裹耐候鋼板，椎體頂面高程比冰凌水位高1 m。主墩承臺均采用矩形承臺，主墩承臺長寬高采用18.95 m×25.2 m×5.0 m，邊墩承臺采用13.7 m×25.2 m×5.0 m。主墩采用20φ2 m鉆孔摩擦樁，樁長76～81 m，邊墩采用15φ2 m鉆孔摩擦樁，樁長65～80 m。

5 抗震設計

該橋位于8度區，地震烈度高，聯長大，且墩高較低，根據地震安評報告，橋址區在多遇地震、設計地震、罕遇地震下的特征周期分別為0.45，0.7，0.9 s，結構的地震效應顯著。本橋主橋屬于跨越大江大河，且技術復雜、修復困難的特殊結構橋梁。由于本橋結構的特殊性及重要性，要求采用罕遇地震標準進行抗震設防。

為滿足抗震設防要求，并節省工程投資，本橋采用目前最常用的液體黏滯阻尼器來減小結構的地震反應。綜合考慮減震效果、阻尼器制作工藝要求，以及減震裝置的布置空間，黏滯阻尼器速度的指數α均取常用的0.3，阻尼器噸位均為300 t。3×168 m連續鋼桁柔性拱每個主墩設置4個黏滯阻尼器，阻尼系數C取4 000 kN/(m/s)0.3；3×168 m連續鋼桁柔性拱邊墩每個橋墩處設置2個黏滯阻尼器，阻尼系數C取4 000 kN/(m/s)0.3；1-96 m簡支鋼桁梁對應每個橋墩處設置2個黏滯阻尼器，阻尼系數C取3 500 kN/(m/s)0.3。為能同時控制罕遇地震下結構縱橫向的最大位移，阻尼器與縱橋向成45°角布置。

圖9給出了11號橋墩墩頂設置黏滯阻尼器前后，墩梁相對位移的對比情況。由圖9可知，設置阻尼器后很好地控制了結構罕遇地震下的位移，縱向相對墩梁位移可以控制在15 cm以內，減震效果明顯。

圖9 罕遇地震有無阻尼器11號墩頂墩梁相對位移對比

6 主要計算結果

6.1 靜力計算結果

采用Midas/Civil 2015建立結構的全橋模型，考慮結構施工過程、體系轉化、結構次內力等各種影響因素，計算得到主桁桿件的控制應力如表3所示。

表3 主桁桿件控制應力

由表3可知，桿件各工況的最大應力均在允許范圍之內，并有一定的安全儲備。主橋采用正交異性鋼橋面，橋面系的檢算為結構的重要計算內容。通過建立空間模型檢算橋面系的強度、穩定以及疲勞，橋面系總體檢算結果如表4所示，橋面各項指標均滿足規范要求。

表4 橋面系總體檢算結果

6.2 剛度條件

根據計算，梁體的豎向撓度52 mm，梁端豎向轉角1.92‰，梁體橫向變形1/6 010，均滿足規范要求。

6.3 動力仿真分析結果

對結構進行了車橋耦合動力仿真分析，國產CRH2及CRH2動力分散式車組以速度80～300 km/h運行時，橋梁振動性能良好，脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，保證了高速列車的行車安全。CRH2動車組以速度80～300 km/h通過3×168 m連續鋼桁柔性拱橋時，豎向舒適性均達到“優”，橫向舒適性當車速80～225 km/h時達到“優”，當車速250～300 km/h時達到“良”。 在CRH3動車組以速度80～300 km/h通過時，動車、拖車的豎向和橫向運行舒適性均達到“優”。

6.4 吊桿風振試驗結果

在西南交大風洞試驗室進行了吊桿風振試驗。試驗顯示，吊桿渦激振動最小起振風速35 m/s，增大風速到17 m/s左右，吊桿模型并未出現馳振現象，吊桿采用八角形截面后，抗風穩定性滿足設計要求。

圖10 鋼梁架設示意(一)

7 支座設計

支座為橋梁的重要傳力構件，負責將上部結構荷載順利傳遞到橋墩基礎。本橋支座噸位大，為滿足支座承載、傳力、耐久及抗震等眾多技術要求，對本橋支座采用了特殊設計，支座設計中采用了眾多關鍵技術。采用的主要關鍵技術有：支座的滑板材料采用承載力和磨耗性能優異的超高分子量聚乙烯滑板；單向活動球型鋼支座上增設轉動套；鋼桁拱支座倒置結構設計；鋼桁拱支座抗剪裝置設計。

8 螺栓防落設計

延遲斷裂是高強度螺栓連接常見病害之一， 這種情況在20世紀80年代以前建造的鋼橋較為普遍， 在后來的鋼橋建設中，通過對高強螺栓的深入研究，高強螺栓斷裂率有明顯下降。然而近年來施工的鋼橋中，高強度螺栓延遲斷裂的現象仍偶有發生，螺栓斷裂時會因為強大的崩斷力四處散落，服役期間高強度螺栓的延遲斷裂危及橋梁結構和運營安全，尤其是下承式鋼橋的上平縱聯跨中采用高強螺栓連接時，此處高強螺栓位于線路中心上方，當列車尤其是高速列車通過時，此處螺栓發生斷裂掉落會危及行車安全，造成不可挽救的后果。為減小螺栓斷裂可能對行車的危害，根據國內已有的研究成果[15-17]，本橋對上弦平聯的螺栓采取了防斷裂措施。具體措施為，平聯螺栓在滿足受力前提下，預緊力降低20%使用，M24螺栓的材質由常用的20MnTiB改為35VB。

9 鋼梁架設

對于鋼結構橋梁，架設方案不僅會影響施工工期及施工安全，架設期間的最大桿件力可能會對鋼構件的截面尺寸設計起控制作用，合理的架設方案對結構的設計也很重要。主橋原設計施工工期30個月，受客觀條件所限，需14個月施工完成，施工工期極其有限。2016年9月施工進場，按照先基礎橋墩后鋼梁的常規施工方法，即使橋墩按照冬季施工考慮，仍難以滿足工期要求。根據現場條件，參考同類橋梁的施工經驗[18-21]，與建設各方結合協商，提出了連續鋼桁柔性拱結構每聯采用多臨時墩從中間往兩側懸臂拼裝、96 m簡支鋼桁滿堂支架的施工方案。兩聯以同樣的方法同步進行，以13號～16號墩為例對施工方案進行說明。

便橋施工完成后，先施工14號與15號墩之間的拼裝支架鋼管樁基礎，期間主橋的樁基礎與臨時墩同時開工建設。拼裝支架基礎及上部平臺完成施工后，在平臺上拼裝4個節間的鋼梁平弦。完成后上弦處一側安裝1臺架梁吊機，向左右兩側懸拼鋼梁平弦，如圖10所示。

鋼梁平弦懸拼通過14與15號主墩后，增設1臺架梁吊機進行中跨拱肋拼裝，原有兩臺吊機繼續向前懸拼鋼梁平弦，如圖11所示。鋼梁平弦完成施工后，3臺吊機同時拼裝邊跨拱肋。連續鋼桁柔性拱結構施工期間，進行96 m簡支鋼桁的施工。

圖11 鋼梁架設示意(二)

采用本架設方案，主橋樁基礎與拼裝平臺同時開工，鋼梁懸拼期間進行主墩的承臺及橋墩建設，橋墩避開了冬季施工，確保了施工質量。從中跨向兩側懸拼作業，每聯同時開了3個工作面，施工效率高。懸拼作業一直到邊墩截止，避免了鋼橋合龍問題，降低了現場施工難度。采用本創新性的施工作業方案，主橋可節省工期150 d左右。經檢算，施工中的最大桿件力小于成橋運營階段，本施工方案不控制桿件的設計。竣工后的實橋照片如圖12所示。

圖12 銀川機場黃河特大橋主橋實景

10 結語

銀川機場黃河特大橋主橋為跨越黃河而設，結構形式新穎，橋址建設條件特殊，在設計上采用了一系列關鍵技術，施工上對工法進行了優化，為本橋按期保質完成建設打好了基礎。本橋于2016年9月開工，2016年底按照計劃開始架設鋼梁， 2017年9月底主體工程竣工。本橋的如期建成為鋼結構橋梁的快速建設積累豐富的設計施工經驗，也為銀川市的東大門增添了一道亮麗的風景線。