品質工程在運寶黃河大橋設計中的探索與實踐

趙衛東

（太原市交通運輸局，山西 太原 030001）

1 概述

品質工程，是“品位+質量”的融合，涵蓋了項目規劃、設計、建設運營管理。過去的工程建設存在重視建設期實體質量的硬指標而輕視前期規劃設計質量的軟指標；重視建設期評價檢查驗收而輕視規劃設計理念品味的提升。運寶黃河大橋作為山西省高速公路網“西縱”高速和國家高速公路網呼北高速的重要組成部分，同時也是山西省在建項目的第一批品質工程，運寶黃河大橋結構新穎、工藝復雜、技術難點多、施工要求高，設計中充分研究，仔細論證，按照“品質工程”的標準進行了積極的探索與實踐。

大橋主橋采用（110+2×200+110）m 波形鋼腹板部分斜拉橋，副橋為（48+9×90+48）m 波形鋼腹板連續- 剛構橋，主橋為塔梁墩固結矮塔斜拉剛構體系，副橋為連續- 剛構體系，是波形鋼腹板同類橋梁中跨徑世界第一，也是國內應用耐候鋼規模最大的公路橋梁，同時還是國內首次采用波形鋼腹板與混凝土腹板混用矮塔斜拉橋。

圖1 橋型布置圖

2 工程設計探索與實踐

2.1 系統設計

2.1.1 全壽命周期成本

大橋以全壽命周期設計為核心，在工可研究階段，對橋位進行了多方案比選，從建設成本、運營養護成本角度，進行了結構方案比選，以全壽命理念進行了項目財務分析評價；設計階段，為提高工程耐久性，采取了多項措施來貫徹全壽命周期的理念：

a）主副橋采用波形鋼腹板設計，避免橋梁腹板開裂，提高橋梁使用壽命，降低全壽命使用成本；降低了上部結構自重，減輕了橋梁地震反應，節約了建設成本；同時波形鋼腹板采用耐候鋼，避免普通鋼材養護防腐涂裝問題，降低后期運營成本。

b）合理預埋應變片，不但能監測建設期大橋各種施工狀態，同時也為大橋運營管理期間健康狀態提供精確數據。

c）設計埋置拉索傳感器，合理監控拉索應力，為檢測大橋使用狀態提供依據，從而針對性地對拉索進行檢修，延長使用壽命。

圖2 耐候鋼波形剛腹板矮塔斜拉橋

2.1.2 建養一體化

建養一體化為品質工程中的重要一環，充分考慮結構特點、建設工期、運營養護條件等因素，形成合理可行的設計方案。

a）大橋采用波形鋼腹板，避免了混凝土腹板開裂的通病，解決了因腹板開裂造成的后期運營缺陷和養護問題。

b）橋波形鋼腹板采用耐候鋼，避免了普通鋼結構后期大量的養護工作和費用。

c）通過合理設置檢修人洞，在施工期施工設備可以快速布置，加快施工進度，在運營期可以方便檢修人員進入箱體進行養護和檢測。

d）預應力備用束的設置可以避免施工質量把握不足造成的管道堵塞等問題，同時也為在后期養護維修增加使用條件。

e）斜拉索采用分絲管錨固的方式，實現了后期運營期間單根更換鋼絞線，避免整束更換，為養護帶來便利性和可操作性。

f）設計中考慮設置監控系統，能夠在后期運營期間實施監控大橋運營狀態，為運營養護提供精準數據，為突發緊急事故提供直觀視頻信息。

g）合理預埋應變片和埋置拉索傳感器，能監測建設期大橋各種施工狀態，同時也為大橋運營使用提供精確數據。

2.1.3 耐久性設計

大橋在設計階段從橋型、結構體系、施工、運營養護等多個方面進行了耐久性設計。

a）大橋主副橋采用耐候鋼波形鋼腹板是目前用鋼量中最大的公路橋梁，從源頭上減少腐蝕破壞，提高材料使用耐久性。

b）合攏段混凝土通過添加聚酯纖維，有效地防止合攏段混凝土開裂的問題，提高合攏段結構耐久性；大橋橋面調平層鋪設聚丙烯纖維防水層，解決普通防水層滲水漏水的通病，有效防止橋面雨水進入結構主體。

c）大橋采用矮塔斜拉橋體系，解決了連續梁或連續剛構跨中下撓問題，通過后期調整斜拉索內力，解決跨中下撓，提高行車舒適度；結構預留運營期備用束和體外索，為結構在運營期實施養護和管理提供可能性。

d）大橋主梁豎向預應力采用無黏結預應力鋼棒，它通過外包PE 保護套與混凝土不直接連接，張拉完成后無需進行壓漿，避免傳統鋼絞線、精軋螺紋鋼壓漿不飽滿導致預應力筋銹蝕的風險。

e）橋面下面層和黏層采用環氧瀝青，具有良好的耐腐蝕性、高溫穩定性和防水性，不但減少了雨水對主梁的影響，同時提高了鋪裝層的使用壽命。

2.1.4 精細化設計

大橋通過精細化設計，做到總體設計明確，專業銜接合理，減少“錯、漏、碰”，防止結構通病。

a）大橋勘察設計采用以工程地質調繪、挖探等勘探手段為主，結合原位測試、室內試驗的綜合勘察方法對橋梁建設場地工程地質條件進行勘察，搭設水上鉆孔平臺，確保鉆孔深度，并采取水樣進行水質分析。

b）橋址位于黃淤26 斷面附近，勘察分析橋址斷面的河槽演變狀況，根據主槽深泓點擺動范圍在2 110.0～3 373.0 m，幅度為1 266.0 m，主河槽變化范圍為1 400 m，從而為合理確定橋梁長度和基礎設計提供了保證。

c）大橋采用外包式連接構造設計，解決了普通波形鋼腹板與底板連接造成的局部開裂問題，通過模型試驗與數值分析研究了不同幾何參數下連接件極限承載力、抗剪剛度。

d）主橋斷面采用波形鋼腹板與混凝土腹板組合的截面形式，使得斷面合理結合，發揮各自優點。

e）合攏段和鋪裝層混凝土通過添加聚酯纖維，有效地防止合攏段混凝土開裂的問題和普通防水層滲水漏水的通病。

f）大橋主梁豎向預應力采用無黏結預應力鋼棒，避免傳統鋼絞線、精軋螺紋鋼壓漿不飽滿導致預應力筋銹蝕的風險。

2.1.5 設計標準化

a）結合項目設計編制并發布地方標準《公路波形鋼腹板組合箱梁橋設計規范》DB14/T 1552—2017，推行設計標準化，為類似橋梁設計提供指導依據。

b）合理劃分鋼腹板節段，實現了工廠的標準加工、運輸的方便可行和施工的裝配便捷。

2.1.6 設計創新

大橋設計通過計算分析論證試驗等，使得相關設計對類似橋梁設計具有重要的工程實用意義，也對相關設計規程的發展作出重要貢獻。具體設計創新包括以下幾方面：

a）世界唯一的波形鋼腹板與混凝土腹板組合，解決了單純混凝土腹板自重過大，單純波形鋼腹板拉索錨固區受力性能受限的缺點, 提高了橋梁的抗震性能。

b）世界最大跨徑的波形鋼腹板矮塔斜拉橋,結構體系新穎。

c）全橋采用耐候鋼，有效減少后期養護運營費用，增加了橋梁整體結構的耐久性。

d）外包式連接鍵有效解決了混凝土腹板與底邊連接的問題。

e）為減小對濕地自然保護區的影響，橋面徑流采用縱向集中收集，橋下定點儲存排污的方式進行危化品和雨水收集排放。

f）大橋設計采用了無黏結預應力鋼棒，合理化解了傳統豎向預應力的通病。

圖3 波形鋼腹板與混凝土腹板組合

圖4 外包式連接構造

2.2 安全設計

2.2.1 安全設施設計

橋梁安全設施設計包括完善的標志、標線、護欄、輪廓標、防眩設施、里程牌和百米牌等，并結合項目情況的特點進行針對性設計：

a）為提高夜間行駛的安全性，行車道外側邊緣線采用白色熱熔型高亮度振動標線。

b）結合路段大型車輛比例大的特點，橋梁設置了雙排輪廓標，除在距橋面高度60 cm 處設置了輪廓標外，在距橋面1.4 m 處增設了一排輪廓標。

c）防眩設施設計選用玻璃鋼材質，重量更輕，兼顧了美觀和安全性。

2.2.2 災害防御設計

針對橋梁結構特點、地質災害、自然災害、環境災害等進行防御工程設計，預防方案本著科學合理，應對措施得力有效的原則進行了針對設計：

a）大橋位于國家自然濕地保護區內，對大橋的雨污及危險品收集進行了專門設計，做到保護環境、抵御人為災害的能力。

b）為確保大橋的橋墩安全，減少流冰期冰凌對橋墩的影響，在主河槽的幾個橋墩采用分水尖設計防冰凌設計，避免自然災害對橋梁主墩安全的影響。

c）大橋采用塔梁墩固結體系，利用上部結構輕、雙薄壁墩縱向剛度小的優點，減小地震災害的影響。

d）為解決運營、養護和應對突然事件的需求，設計采用橋梁監控攝像系統，對大橋全方位進行監控、檢測，提高應對突發事件的能力。

e）對大橋進行了防雷設計，抵御雷電自然災害的影響。

2.2.3 安全評價與風險評估

大橋在設計時進行了安全風險評估，通過安全風險評估，針對各不同方案確定了風險源的安全等級，為設計提供了安全保障，同時也為設計有針對性地提出了要求和建議，確保了結構的設計安全合理。

2.3 生態環保設計

2.3.1 生態防護

大橋位于國家濕地自然保護區內，堅持最大限度地保護自然環境，最小程度減少對保護區濕地和黃河水資源區等的影響：

a）大橋橋址處位于國家濕地自然保護區內，通過初步設計合理選線和橋梁孔跨布置，避開國家一級保護動物白天鵝棲息地，減少對濕地、種子資源保護區的破壞。

b）橋面徑流系統將有害液體或初期雨水排出自然濕地保護區，保護區外設置排污池等措施，保護生態環境。

c）橋臺處為多級邊坡防護，采用綠色植被和護坡結合的方式，保護生態水土流失，種植土用于臨時棄土場的復耕及綠化，保護地表植被的同時綠化了環境。

d）橋址區有國家重點一級保護動物白天鵝和種子資源保護動物，為減少對保護區內動物生態的影響，采用遮光聲屏障，降低了夜間行車和照明對生態系統的影響。

2.3.2 節能環保

在設計中充分考慮了強化永臨結合設計、環保設計、節約占地、推行節能設計。

a）利用已建服務區作為大橋管理公司和施工單位項目部，施工臨時用電、用水和服務區的水電永臨結合方案進行了設計。

b）橋頭施工便道，完工后可作為場區道路永久使用。

c）大橋利用波形鋼腹板代替傳統的混凝土腹板，減少水泥等材料消耗，節約混凝土2 500 m3，減少環境污染；同時大橋還是首座裸用耐候鋼的波腹板橋梁，節約涂裝費用3 000 m3，避免了涂裝，保護了環境。

d）大橋豎向預應力采用先進適用、環保的無黏結預應力，符合節能環保，適合推廣應用的節能產品。

e）主橋橋塔航空警示燈采用節能、環保的太陽能供電系統，有效利用了太陽能這一清潔能源，大大提高了節能效果。

2.4 工程美學

2.4.1 建筑藝術

運寶黃河大橋采用打散重組的藝術設想進行創意設計，是一座與國家濕地自然保護區完美結合、建筑和藝術充分結合的體現，3 座主塔宛如3 對天鵝在碧波上翩翩起舞，展開的斜拉索好似凌空飛翔的羽翼，臨近的矮塔猶如濃情蜜意的情侶，輕盈的薄壁墩恰似天鵝的雙腿。

圖5 主橋景觀設計

2.4.2 環境融合

圖6 環境融合

橋孔方案和橋型與環境自然融合，既使得橋梁結構不雍腫、堆砌，又使得橋梁造型與天鵝形象完美結合，加入美學元素與環境更是相得益彰。樹立大橋為地標新形象，實現大橋景觀設計與自然環境有機融合，正如唐代劉禹錫之作——水底遠山云似雪，橋邊平岸草如煙的橋、山、水、云、草、岸相融相襯的和諧美境。

2.5 人性化設計

運寶黃河大橋的建設打通了山西與河南高速公路網的斷頭路，完善G59 路網，為當地出行提供了極大便利；全橋段落內設置了完善的標志標牌以及路況情報板，為出行司乘人員提供貼心服務；大橋管理處與解州—陌南項目主線站的服務區、房建工程合建，充分體現資源節約和綜合利用，人性化設計理念。

2.6 設計服務水平

大橋組建獨立后期服務組，由總工程師任組長、專業副總工程師、項目負責人、技術工程師15 人組成服務組，常駐設計技術人員入駐現場，及時解決重大復雜問題；多次組織開展了設計回訪，對工程中的重點問題，認真對待，分析論證；對圖紙中表達不清、存有疑問或設計不完善的及時協調溝通優化設計，確保工程順利進行。

3 結語

本文對運寶黃河大橋建設品質工程在設計階段的探索與實踐進行了詳細闡述，目前大橋已經合攏，結合實踐得到以下認識：

a）項目各方應深刻認識打造品質工程的意義和內涵，科學論證工程建設項目的立項、方案比選、工期確定，加強全壽命周期設計、安全、生態環保、工程美學、人性化等在設計階段的執行和體現，全面提升工程設計理念、設計水平和設計品味。

b）實施公路品質工程的深化創建工作，應根據項目特點因地制宜，特別重視項目前期工作，規劃設計是項目的龍頭, 前期工作的質量決定了項目90%的品位、功能和服務質量。

c）運寶黃河大橋主橋采用（110+2×200+110）m波形鋼腹板部分斜拉橋，副橋為（48+9×90+48）m波形鋼腹板連續- 剛構橋，通過設計、課題研究、施工和建設管理為同類橋梁積累了寶貴的經驗，采用耐候鋼為橋梁全壽命周期內成本提供依據，極大提升了項目科技含量和品質。

d）設計中對品質工程的細節精細化之處固然值得參考，對新結構、新材料、新工法、新構造存在的不足和需改進之處更需要深度總結和吸收借鑒。