南村黃河特大橋主橋總體設計

郭紅雨

(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210017)

隨著中國橋梁建造技術的不斷提高,大跨度橋梁取得長足發展。多跨長聯的連續結構具有行車舒適度高、線條簡潔優美、結構形式多樣、經濟性能優越等優點,在重要橋梁方案選擇中備受青睞。該文以一座頗具代表性的高墩、多跨、長聯剛構－連續梁橋為背景,從橋梁總體跨徑布置、上下部結構設計、深水施工、抗震設計等方面闡述其關鍵技術,為同類型橋梁設計提供借鑒。

1 工程背景

南村黃河特大橋是垣曲至澠池高速公路(河南段)上一座控制性節點工程,呈南北走向,位于三門峽大壩與小浪底大壩之間,跨越黃河河道(屬于小浪底庫區)。橋位處屬暖溫帶半濕潤區,夏季暖熱多雨,冬季寒冷干燥,四季分明。多年平均氣溫12.6～13.9℃,最低氣溫－8.7℃,年極端最低氣溫－19.7℃,年極端最高氣溫為41.7℃。年均降水量567～716 mm,多集中在6—9月(占全年降雨量的60%～80%)。無霜期167～218 d,地面最大凍結深度20～30 cm,年平均風速3.5～4.0 m/s。

橋址區具有典型的河流地貌特征,地層組成主要為：1)分布于黃河的河床。由漂石、卵石、礫石、中粗砂及粉細砂組成,灰黃色,中密。下伏灰白色砂質泥巖,微風化,泥質膠結。2)分布于黃河南岸的一級階地。上部為灰黃色～褐黃色粉土,下部為卵石,中密～密實。黃河北岸一級階地缺失。3)分布在黃河兩岸的二級階地。上部為馬蘭黃土,淺黃色,稍密～中密。針孔狀孔隙發育,下部為卵石層、粉質黏土層。其中粉土地基容許承載力50～100 k Pa,卵石地基容許承載力220～280 k Pa。砂質泥巖巖芯呈柱狀,柱長30～50 cm,錘擊易碎,浸水后稍有破碎,巖石飽和單軸抗壓強度5～28.6 MPa,地基容許承載力900 k Pa。

根據文獻[1],橋位所在河段在水庫攔沙初期無明顯灘地和主槽,攔沙后期將形成高灘高槽,主槽位置不固定；水庫進入正常運用期,庫區河底形成高灘深槽(沖淤平衡狀態)。實測資料表明,利用主槽調水調沙,主槽河底高程可能發生巨大的淤積或沖深,可能沖至基巖。沖刷計算結果見表1。

表1 橋位橋墩萬年一遇洪水總沖刷深度計算結果 m

2 主要技術標準

(1)公路等級為高速公路；設計速度80 km/h；設計荷載為公路－Ⅰ級。

(2)橋梁凈寬2×16.25 m(雙向六車道,雙幅橋凈距0.5 m)；橋梁橫坡為雙向2%。

(3)橋梁設計洪水頻率1/300；設計洪水位,非汛期為275.1 m,汛期為270.9 m。

(4)通航標準為Ⅳ級航道,通航孔4 m 5×8 m,設計最高通航水位275.1 m。

(5)地震基本烈度為Ⅶ度。根據場地地震安全性評價,場地類別為Ⅱ類,100年超越概率63%條件下地表水平向加速度峰值為64.6g,50年超越概率10%條件下地表水平向加速度峰值為126.8g,100年超越概率5%條件下地表水平加速度峰值為223.5g。

3 橋跨和橋型方案選擇

3.1 影響跨徑選擇的因素

該橋主橋跨徑選擇主要受航道、水利、已建橋梁等方面因素的制約。

(1)依據交通部黃河水系航運規劃辦公室1988年編制的《黃河水系航運規劃報告》及黃河水利委員會1990年完成的《黃河治理開發規劃報告》,橋位處河段為Ⅳ級航道,通航寬度最小為45 m。

(2)依據GB 50139－2014《內河通航標準》,當兩橋靠近布置時通航孔必須相互對應。擬建橋位上游已建小浪底庫區黃河大橋(兩座橋凈距約16 m),于2002年8月建成通車,大橋全長1 456.36 m,橋面凈寬7.0 m,橋跨布置為29孔50 m預應力砼T梁。擬建橋梁橋孔需為50 m的整倍數,使橋孔與原庫區黃河大橋橋孔對應。

(3)依據黃建管[2007]48號《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準(試行)》,橋梁主跨跨徑不小于80 m,灘地過水孔跨不小于40 m。

(4)依據黃河水利科學研究院等單位發布的《垣曲至澠池高速公路黃河特大橋防洪評價報告》,為滿足小浪底庫區攔沙運用期內主槽不固定的實際情況,原則上橋梁主跨跨徑不小于100 m,橋跨連續長度不小于1 300 m。

綜合上述布跨原則,擬建黃河特大橋主孔跨徑采用100、150、200、250 m均能滿足要求。該橋施工在小浪底水庫調水調沙運用期間進行,低水位施工時間非常短(7—9月),且這時間段為黃河汛期,為適應調洪要求,汛期水庫的水位有較大不確定性,而黃河非汛期水庫蓄水可能達270 m以上高水位。針對以上水位高、水位變化幅度大的特點,宜選擇較大跨度以降低施工難度和投資規模,同時兼顧上、下部材料用量的均衡和建設周期成本。

3.2 橋跨、橋型方案分析

主跨跨徑在200 m以上的橋梁可供選擇的結構形式有多跨拱橋、多跨斜拉橋(或部分)、懸索橋等。依據橋址處地形地貌、地質等因素,選取主跨較合理的250 m跨徑進行布跨組合。以單塔雙索面部分斜拉橋方案為例,跨徑布置為(160＋4×250＋160)m,主梁采用單箱三室截面,整幅設計,塔高38 m(見圖1)。進一步分析比較,采用較大主孔跨徑雖然可減少橋墩數量,但基礎規模龐大,下部施工設備投入和成本均有所增加,同時這些橋型上部構造復雜、施工投入及難度大,施工工期長。因此,不建議采用。

圖1 多塔部分斜拉橋方案橋型總體布置(單位：m)

依次選擇100、150和200 m跨徑進行比選,上部結構采用預應力砼箱梁,分別從結構主要材料用量、上部掛籃懸澆施工工期和下部水中圍堰、高棧橋施工工期三方面進行比選。3種橋跨布置方案中,由于隨著跨徑增加上部結構材料用量也增加,100 m跨方案材料用量低于其他2種方案；考慮下部結構用量后,150和100 m跨2種方案造價基本相當。在掛籃投入數量相同的情況下,150 m跨方案上部施工工期最短,比200、100 m跨方案分別節省120、40 d。在下部施工方案、施工投入相同的條件下,200、150 m跨方案比100 m跨分別縮短工期90、60 d。綜合以上分析,初步得出150 m跨方案具有一定優勢。但鑒于庫區水文變化復雜(施工水深可達40余m),深水雙壁鋼圍堰施工投入大、風險高,結合橋梁鉆孔灌注樁技術發展現狀,提出無承臺的大直徑樁柱一體橋墩設計方案,從河床面計最高墩高約63 m。該方案成立的條件主要由高墩穩定及抗震需求控制,因而不宜采用較大跨徑的上部構造。

綜上,采用主跨跨徑100 m的PC連續箱梁是最理想的橋型方案,推薦跨徑組成為(60＋13×100＋60)m,主橋一聯連續總長1 420 m(見圖2)。該方案的主要優點是可避免深水施工,施工投入少、風險低,同時上部構造簡單,施工工藝成熟,養護工作 量小,造價低,行車舒適性好。

圖2 剛構-連續梁方案橋型總體布置(單位：m)

4 主橋設計關鍵技術

4.1 結構體系

根據橋跨布置,主橋設計為15跨一聯共計14個主墩、2個邊墩,小浪底水庫利用主槽調水調沙,故主槽內墩高變化較大(30～85 m),計算汽車制動力、風力、溫度力及地震力等對橋梁下部產生的內力時需考慮淤積和沖刷2種情況。經結構動、靜力分析,確定采用連續－剛構結構體系。約束形式為：中間2個主墩為固結墩；為提高橋梁整體抗震性能,固結墩前后各3個主墩設計為鎖定墩,設置速度鎖定支座；其余主墩均為活動墩,設置單向或雙向滑動球型鋼支座。主橋兩側采用D720型多向變位梳形板橋梁伸縮裝置,以適應體系在溫度和地震下的變形。

4.2 主梁

上部構造采用變截面PC箱梁,雙幅共14對懸澆T構、30個合龍段。主梁采用單箱單室截面,C55砼,根部梁高6.3 m,高跨比1/15.873；跨中及邊墩處梁高2.8 m,高跨比1/35.714；箱梁頂板寬16.25 m,底板寬8.25 m,懸臂長4.0 m；箱梁頂板厚0.3 m,底板厚度由跨中的0.32 m按二次拋物線變化至根部的0.8 m,腹板厚度由0.5 m漸變至0.8 m。活動墩箱梁根部設置1道2.8 m寬橫隔梁,墩底設置橫向抗震擋塊,固結墩根部設置2道各1.5 m寬橫隔梁。主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系,縱、橫向鋼束采用高強度低松弛預應力鋼絞線,豎向采用JL32高強精軋螺紋粗鋼筋；縱向腹板束采用19φs15.2型鋼絞線,頂板束及合龍束采用15、17φs15.2型鋼絞線,橋面板采用3φs15.2型鋼絞線。

4.3 橋墩及基礎

為適應庫區水文特點,橋梁下部結構采用無承臺大直徑樁柱一體化主墩設計、雙排雙墩布置,橫橋向間距6.25 m,順橋向間距5.0 m(見圖3)。活動墩為布置支座需要,墩頂統一設置高4.0 m蓋梁,平面尺寸為10.45 m×9.8 m。考慮景觀效果,固結墩墩頂亦設置蓋梁。水庫運用期最高水位(＋276 m處)以上部分墩身采用模板施工,直徑2.8 m,采用C40砼澆筑；最高水位以下至樁頂部分墩身采用鋼護筒施工,鋼護筒為永久性結構,參與結構受力,鋼護筒進入沖止標高以下,采用C40水下砼按灌注樁施工工藝連續澆筑。基樁為鉆孔灌注樁,樁基礎直徑2.5 m,按嵌巖樁設計,采用C40水下砼。為保證墩身整體受力和體系穩定,墩間設置多道系梁,最高水位以上為砼系梁,高度2.4 m(縱橋向)、2.6 m(橫橋向),寬度2.0 m,采用C40砼；最高水位以下為護筒段鋼－砼系梁,高度2.4 m,寬度2.0 m,采用Q345C鋼板與鋼護筒焊接,外包C40砼防腐(見圖4)。

圖3 鋼系梁處主墩平面構造(單位：mm)

圖4 鋼系梁現場焊接

主墩鋼護筒采用Q345C鋼材制作,內徑3 000 mm,壁厚25 mm。與鋼系梁連接部位四周焊接D16×180 mm剪力釘,間距250 mm。

主引橋過渡墩采用矩形空心墩,橫橋向寬9 m,順橋向3.5 m,壁厚0.8 m。蓋梁采用L形截面,主梁側厚2 m,寬3.8 m。過渡墩承臺厚3.0 m,承臺下設6根直徑1.8 m鉆孔樁。

4.4 橋梁抗震設計

根據相關抗震設計規范和細則,采用兩水準兩階段的抗震設防標準,抗震設防類別為B類。E1水準：100年超越概率63%(重現期100年)下檢算強度,結構無損傷；E2水準：100年超越概率5%(重現期1 950年)下檢算位移或變形,橋墩可進入塑性但不致倒塌。

采用MIDAS/Civil建立主橋動力有限元模型,采用子空間迭代法分析該橋的動力特性,采用反應譜及時程分析法分析兩設防水準地震作用下結構主要構件(墩、樁)的抗震需求和抗震能力,并考慮豎向地震作用。動力特性分析結果表明：主橋在最大淤積和最大沖刷情況下,結構第1階振型表現為主梁縱飄,最大沖刷下自振周期達11.572 9 s,是最大淤泥下自振周期的近3倍。可見,最大淤積工況控制下部結構強度,最大沖刷工況控制結構位移。地震響應分析結果表明：全橋設置P9、P10兩處固結墩可滿足E1地震作用下抗震需求；為提高E2地震作用下抗震性能(降低固結墩地震力、改善結構地震位移),應考慮設置多個固定墩共同分擔縱向地震力。

引入速度鎖定裝置可實現上述抗震理念,設計鎖定速度為1 mm/s,在溫度荷載等產生慢速位移時,速度鎖定器產生很小的反力,等同于活動支座；在地震荷載作用下速度超過鎖定速度后,速度鎖定器提供的反力隨速度上升而迅速增大并鎖定,限制墩梁間相對運動,等同于固定支座,從而起到限位保護和分擔固結墩水平地震力的作用。

5 主橋施工關鍵技術

5.1 上部合龍方案

主橋上部結構采用掛籃對稱懸澆逐段施工方案,施工中合龍次數較多,超長多跨連續結構屬于多次超靜定體系,受力狀態復雜,其合龍方案對成橋后結構應力和位移有顯著影響。在分析懸臂施工及成橋運營中體系穩定、應力水平及合龍束不同張拉順序的基礎上,得到較優的合龍方案為：先由各墩0＃塊對稱向兩側懸臂施工形成單“T”,然后每相鄰2個單“T”之間合龍,經體系轉換形成穩定的“∏”；再依次合龍相鄰“∏”,經過多次體系轉換形成“4T”和“8T”；最后進行全橋合龍,完成最終體系轉換。邊跨合龍時張拉全部底板合龍束,每次中跨合龍時均只張拉部分底板合龍束,待成橋后再一次性全部張拉剩余底板鋼束,以減少各次體系轉換過程中二次力的影響,有利于結構受力。

5.2 下部深水施工方案

按照小浪底水庫運營水位狀況考慮,該橋下部施工方案需按高水位進行設計,其施工水深可達40余m,下部橋墩、承臺、基樁的深水施工方案成為關鍵。根據國內超大直徑鉆孔灌注樁的技術現狀,設計采用超大直徑基樁,同時取消承臺設計,單幅橋下部結構采用樁柱式一體橋墩,以避免深水圍堰的風險和巨大投入。超大直徑鉆孔灌注樁一般指直徑＞2.5 m的鉆孔灌注樁,是近年來鉆孔灌注樁工程技術的一個發展趨勢,且已有過成功案例：1)2013年建成的浙江嘉紹跨杭州灣大橋,為避免水中區樁基施工困難,引橋大量應用直徑達3.8 m、樁長達105～111 m的超大直徑鉆孔灌注樁；2)2017年建成的湖南G319國道瀘溪繞城公路白沙大橋,應用大直徑深水樁基施工技術完成了上部直徑3.6 m、下部直徑3.2 m的變截面樁基連續灌注45.6 m。

針對設計提出的樁柱一體式主墩方案,下部選擇高棧橋、超長大直徑鉆孔灌注樁的深水施工方案。其優點如下：1)施工中僅用樁基護筒作基樁和水下墩身施工設施,無需深水雙壁鋼圍堰,可節省大量材料與費用,且可回避深水圍堰施工風險；2)水中墩施工工序簡化為下沉鋼護筒→鉆孔→安裝鋼筋籠→不間斷灌注水下樁基、墩柱砼→水面上破樁頭澆筑水上墩柱砼→墩柱砼段上橫系梁掛模施工→低水位下墩柱鋼護筒段橫系梁掛模施工,相對于樁基、承臺雙墻(或薄壁)墩的深水圍堰施工不僅工序簡化,且更適用于水位劇變及水深過大等情況,施工風險少、速度快、投入少；3)樁柱式一體橋墩造型輕巧,枯水期亦能保持簡潔美觀；4)墩身、樁自身剛度大,有利于較大跨徑、長聯連續－剛構橋承受巨大豎向、水平荷載。

施工期間需重點關注：1)鋼護筒材料、規格、制造工藝及鋼結構防腐等應符合設計和相關規范要求,鋼護筒下沉后允許平面誤差為±50 mm,傾斜度≤1/400；2)由于結構受力需求,要求樁、墩身(鋼護筒施工段)砼不間斷地連續灌注,單墩砼達600 m3,砼的供應需滿足用量要求；3)由于墩柱較高,墩柱系梁施工中應考慮墩柱的穩定性,設置必要的臨時連接,同時在水位變化大時注意護筒內外水位的調節,防止護筒局部失穩變形。

6 結構受力分析

6.1 靜力分析

采用平面桿系進行結構模擬,按照實際施工流程進行結構離散,全橋劃分為804個單元、805個節點。邊界條件處理：1)固結墩墩底考慮最大淤積及最大沖刷2種工況,按土側壓力的m法計算固結點處的彎剪系數、水平剛性約束及轉動剛性約束的彈性系數,模擬群樁基礎實際剛度；2)主梁在過渡墩及連續墩設豎向約束,縱向活動。上部箱梁按全預應力砼構件進行驗算,正常使用極限狀態下主梁處于全受壓狀態,最不利荷載組合下截面上、下緣最大應力為16.3和14.1 MPa,上、下緣最小應力為0.1和1.22 MPa(見圖5、圖6)。

圖5 正常使用極限狀態下主梁抗裂計算

圖6 持久狀況下主梁受壓計算

6.2 動力分析

采用空間梁單元模擬墩、梁和基礎,并考慮支座的空間作用和樁土相互作用,采用反應譜法和非線性時程分析法對主橋進行地震響應分析。對于墩梁固結,采用剛性連接模擬；對于速度鎖定器,反應譜計算采用彈性連接模擬,時程計算采用Maxwell模型,鎖定器剛度取600 kN/mm,計算時不考慮活動支座的摩擦效應。分析表明：在E1、E2地震作用下,橋墩及樁基均處于彈性工作狀態；速度鎖定器在整個地震過程中最大軸力為2 750 kN,小于設計鎖定力3 000 kN,鎖定位移為±10 mm；各支座橫橋向地震剪力均小于其水平承載力；梁端順橋向位移小于伸縮縫裝置位移。橋梁的抗震性能滿足要求。

6.3 局部分析

為分析鋼系梁與護筒結合部位在運營期間的受力狀態,采用ANSYS進行局部應力分析。兩者共同受力時,計算最大拉應力為65.4 MPa；考慮鋼系梁局部脫空時,最大拉應力上升至125 MPa,出現在系梁與鋼護筒連接鋼板的加腋附近。均遠小于Q345鋼的容許應力,滿足設計要求。

6.4 穩定分析

采用MIDAS/Civil進行穩定屈曲分析,結果表明：最大沖刷工況下穩定驗算最為不利,裸墩狀態下穩定系數為22.3,最大懸臂施工時穩定系數為7.02,運營階段全橋一階失穩模態表現為縱向失穩、穩定系數為10.0。橋梁穩定安全系數均大于規范要求。

7 結語

南村黃河特大橋對加強豫晉兩省交通聯系、促進豫西北和晉東南地區經濟社會發展影響深遠。該橋為國內多跨長聯預應力砼連續箱梁橋中的典型案例,已于2016年8月正式開工建設,目前正處在施工關鍵期。該橋的建設為中國跨河(湖)特大型橋梁建設提供了新思路和解決方案,建成的大橋也將成為黃河上一道新的亮麗風景線。