濟南鳳凰黃河大橋總體設(shè)計

常付平，許為民，李盤山，王媛媛

[1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.濟南城市建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250100；3.滕州市交通運輸局，山東 滕州277500]

1 項目背景

濟南鳳凰黃河大橋[1]位于濟南市東北部，是連接濟南新東站與崔寨地區(qū)中心的南北向交通性主干道。項目路線南起鳳凰路與荷花路交叉口，依次跨越邯濟至膠濟鐵路聯(lián)絡(luò)線、南水北調(diào)工程濟東明渠后繼續(xù)往北，在小河套村向西北方向延伸，跨越黃河后與G 220 平交，見圖1。橋位距上游石濟客運專線橋約5.1 km，距下游濟南黃河三橋約3.1 km。工程全長6.683 km，全線包含特大橋兩座，其中跨黃河段大橋總長3 788 m，跨邯濟至膠濟鐵路聯(lián)絡(luò)線及南水北調(diào)濟東明渠橋總長1 323 m。跨黃河段橋梁為公路交通與軌道交通共建段，集約利用寶貴的過河通道資源，節(jié)省工程造價；其他橋段為公路交通與軌道交通分離布置。

圖1 項目地理位置圖

2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：一級公路兼城市主干路。

（2）行車速度：60 km/h。

（3）車道寬度：2×（4×3.5 m）。

（4）設(shè)計荷載：汽車為公路Ⅰ級（城—A 級復(fù)核）；人群按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD 60—2015）取用。

（5）設(shè)計洪水頻率為1/300；300 a 一遇洪水位為36.09 m。

（6）通航：Ⅳ級航道，通航凈寬不小于130 m，通航凈高不小于8 m；設(shè)計通航最高水位為35.3 m。

（7）環(huán)境類別：II類環(huán)境。

（8）風(fēng)：地表類別A 類，基本風(fēng)速（100 a 重現(xiàn)期）28.6 m/s（規(guī)范值）。

（9）地震：本工程抗震設(shè)防烈度按不低于7 度（0.10g）進行抗震設(shè)防。

（10）冰壓力：最高冰凌期水位24.984 m，最大冰厚0.48 m，冰壓力750 kN/m2；

（11）預(yù)留軌道工程

a.車輛

根據(jù)濟南市軌道交通R1 線現(xiàn)階段設(shè)計成果，暫按100 km/h 的6 編組A 型車控制，車輛固定軸距2.5 m，定距15.7 m，重車軸重為170 kN。列車活載計算圖式見圖2。

圖2 列車靜活載計算圖式（單位：m）

b.二期荷載

按有砟軌道考慮，直線段二期恒載124.2 kN/m，曲線段129.2 kN/m。

3 橋梁總體設(shè)計

3.1 縱斷設(shè)計

3.1.1 跨黃河段縱斷控制條件

（1）通航凈空：內(nèi)河Ⅳ級航道，設(shè)計最高通航水位35.3 m（1985 國家高程系統(tǒng)，下同），通航凈空高度8 m。

（2）防洪要求：設(shè)計洪水位36.09 m，梁底高程不得低于38.47 m。

（3）跨大堤凈空要求：跨大堤處梁底高程不得低于42.6 m。

3.1.2 跨線段縱斷控制條件

（1）南水北調(diào)堤頂路凈空：堤頂路凈空不小于4.5 m。

（2）邯膠鐵路聯(lián)絡(luò)線凈空：橋下凈空不小于10.0 m（軌頂標(biāo)高28.6 m）；且需預(yù)留掛籃施工空間。

3.2 橫斷面設(shè)計

（1）橫斷面布置形式

目前，國內(nèi)已（在）建公鐵（軌）共建[2-3]橋梁，多采用分層布置模式，即上層布置機動車道，下層布置軌道交通或者鐵路交通，該種斷面布置方式機動車爬坡高度大，再者濟南段黃河為懸河，堤頂與兩岸接線地面標(biāo)高差10 多米，分層布置會導(dǎo)致兩岸接線長度加長，且與橫向交叉道路溝通困難。因此本橋共建段采用公軌同層布置。

公軌同層布置分為軌道交通對稱布置在結(jié)構(gòu)外側(cè)、軌道交通布置于結(jié)構(gòu)單側(cè)及軌道交通居中布置三種形式。從結(jié)構(gòu)受力的合理性以及軌道交通運行的安全性上來看，軌道交通布置在外側(cè)橋面排水不易處理。在發(fā)生緊急情況時，軌道交通布置在橋梁內(nèi)側(cè)對疏散人群更為有利。因此本橋按照軌道交通居中布置方案。

（2）橫斷面設(shè)計

道路等級為一級公路兼城市主干路，雙向8 車道，每幅橋?qū)?6.5 m，中間設(shè)10.2 m 軌道交通預(yù)留空間，兩側(cè)設(shè)3 m 非機動車道和1.75 m 人行道，考慮主橋結(jié)構(gòu)寬度后，橫斷面全寬61.7 m，見圖3。考慮到水中引橋需頂推施工，橫斷面布置同主橋，不進行結(jié)構(gòu)區(qū)變化。

圖3 主橋、水中引橋橫斷面（單位：m）

考慮道路的順接及工程造價，跨大堤引橋范圍結(jié)構(gòu)區(qū)變化，安全距離由4.5 m 變至0.65 m，公路橋兩內(nèi)側(cè)防撞欄桿間距寬19.2～11.5 m，橋梁全寬54.0～61.7 m，見圖4。

圖4 跨大堤引橋橫斷面（單位：m）

陸上引橋及跨線引橋（跨南水北調(diào)橋梁、跨邯膠鐵路聯(lián)絡(luò)線橋梁除外）為雙向8 車道，分兩幅布置，每幅橋?qū)?6.5 m，兩幅之間預(yù)留軌道交通空間11.5 m。跨邯膠鐵路聯(lián)絡(luò)線橋梁為雙向八車道，兩側(cè)設(shè)2.05 m兩級防撞區(qū)，每幅橋?qū)?8.7 m，兩幅之間預(yù)留軌道交通空間11.4 m；跨南水北調(diào)橋梁為雙向八車道，兩側(cè)設(shè)3.0 m 非機動車道和1.75 m 人行道，分兩幅布置，每幅橋?qū)?1.25 m，兩幅之間預(yù)留軌道交通空間11.5 m，見圖5。

圖5 引橋標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：m）

3.3 孔跨布置

3.3.1 跨黃河段孔跨布置控制條件

橋位處大堤間距約2 300 m，主河槽寬度約830 m，稍偏向右岸。主河槽兩側(cè)為灘涂。左右兩岸堤后均為淤背區(qū)，寬度均約100 m。河槽橫斷面見圖6。

圖6 河槽橫斷面

跨黃河段橋梁孔跨布置主要考慮以下幾個因素：

（1）根據(jù)（黃建管【2007】48 號）規(guī)定，黃河干流陶城鋪以下建橋，主河槽孔跨不小于180 m，灘地孔跨不小于50 m，且采用全橋渡跨越方式。

（2）黃河下游干流橋梁跨越堤防需采取立交方式。為滿足堤防工程管理與搶險交通的需要，采取立交方式跨越堤防的，兩岸跨堤處梁底標(biāo)高應(yīng)考慮河道沖淤影響，滿足大橋設(shè)計水平年（50 a）的設(shè)計堤頂高程加4.5 m 交通凈空。

（3）根據(jù)防洪評價結(jié)論，橋位附近河段現(xiàn)狀寬度約830 m，主河槽內(nèi)最多只能設(shè)一個橋墩（或橋塔）。

（4）橋梁跨越堤防，橋墩應(yīng)離開堤身設(shè)計堤腳線一定距離（原則上黃河不得小于5 m）。山東段黃河淤背區(qū)內(nèi)僅可設(shè)置一個橋墩。

（5）橋位河段規(guī)劃為Ⅳ級航道，通航凈空高度不小于8 m，通航凈寬不小于130 m。

3.3.2 跨線段孔跨布置控制條件

（1）橋梁工程設(shè)計及施工不能侵入南水北調(diào)工程濟東明渠界樁范圍（約73 m），承臺需埋至河床底面以下。

（2）橋墩不侵入邯膠鐵路聯(lián)絡(luò)線路基邊坡范圍內(nèi)。

3.3.3 孔跨布置

綜合考慮上述控制條件及臺后填土高度，跨黃河段橋梁總長3 788 m，跨線段橋梁總長1 323 m。具體布置見表1。

表1 橋梁孔跨布置

3.4 主橋設(shè)計

主跨428 m 的橋梁，可選擇的橋型主要有懸索橋、斜拉橋、拱橋和桁架橋等方案。該跨徑桁架橋造價不占優(yōu)勢，且建筑高度較低，標(biāo)志性弱，景觀效果不突出。上承式、中承式拱橋橋下拱肋結(jié)構(gòu)寬度較大，防撞要求高。根據(jù)防洪評價批復(fù)下承式拱橋結(jié)構(gòu)做成四跨或六跨，景觀效果一般。黃河“有水不能行船，無水不能行車”，斜拉橋的施工方案無法按照一般大跨斜拉橋的懸拼施工，同樣需要大量支架轉(zhuǎn)運或者頂推，經(jīng)比較分析斜拉橋比懸索橋便宜4.1%，經(jīng)濟性不顯著，但效果與懸索橋相比相差較大，因此最終采用懸索橋結(jié)構(gòu)體系。

主橋橋型方案采用三塔自錨式懸索橋[4]，跨徑布置為70 m+168 m+428 m+428 m+168 m+70 m=1 332 m。主纜跨徑布置為171.5 m+428 m+428 m+171.5 m，中跨矢跨比為1/6.15，邊跨垂跨比為1/15.6。主梁采用組合板組合梁[5]，寬度61.7 m，梁高4 m，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距9.0 m。橋塔采用A 型混合塔結(jié)構(gòu)。矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。總體布置見圖7。

圖7 主橋總體布置（單位：m）

3.5 水中引橋設(shè)計

對于跨徑70～80 m 的橋梁結(jié)構(gòu)，可采用鋼箱梁、混凝土梁和鋼－混凝土組合梁等方案。混凝土梁結(jié)構(gòu)自重大，特別是對于超寬斷面，橋面板橫向受力大，需配置橋面板橫向預(yù)應(yīng)力，施工較復(fù)雜。因此不推薦采用混凝土連續(xù)梁。組合梁橋的經(jīng)濟性比采用正交異性鋼橋面板鋼箱梁優(yōu)，而且組合梁橋能避免采用正交異性鋼橋面板帶來的疲勞問題，降低運營期間的養(yǎng)護難度，提高了橋梁的耐久性，因此推薦采用組合鋼箱梁橋。

北側(cè)水中引橋總長320 m，跨徑布置4×80=320 m，見圖8；南側(cè)水中引橋總長210 m，跨徑布置為3×70=210 m，見圖9。主梁均采用等高單箱四室組合鋼箱梁，梁高4.0 m，寬度為61.7 m。墩柱采用多邊形截面空心墩，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖8 北側(cè)水中引橋總體布置圖（單位：m）

圖9 南側(cè)水中引橋總體布置圖（單位：m）

3.6 跨大堤引橋設(shè)計

主跨165 m、245 m 橋梁可采用橋型為梁橋、斜拉橋、懸索橋、拱橋及桁架橋等。本工程主橋采用主跨428 m 三塔四跨自錨式懸索橋，出于全橋景觀考慮，跨黃河大堤引橋橋面以上不宜設(shè)置結(jié)構(gòu)物，因此跨大堤引橋橋型選定為梁橋體系。

橋位地質(zhì)條件較差，且跨大堤橋梁橋墩高度很低，不適宜采用連續(xù)剛構(gòu)。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋要用大噸位支座及合龍后需進行體系轉(zhuǎn)換，給施工、養(yǎng)護（尤其是支座更換）帶來許多不便，也不適合采用。而鋼箱梁結(jié)構(gòu)造價高、剛度較弱，且橋面鋪裝易產(chǎn)生疲勞破壞，耐久性較差，后期養(yǎng)護維修麻煩，因此推薦采用變高連續(xù)組合梁。

南側(cè)跨大堤引橋采用跨徑組合為104 m+165 m+104 m=373 m，見圖9。主梁采用變高度連續(xù)鋼箱組合梁橋，梁高4.5～7.0 m，橋面寬度54.2～61.7 m。墩柱采用多邊形截面空心墩，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋跨布置見圖10。

圖10 南側(cè)跨大堤引橋總體布置圖（單位：m）

北側(cè)跨大堤引橋采用跨徑組合為154 m+245 m+154 m=553 m，見圖10。主梁采用變高度連續(xù)鋼箱組合梁橋，梁高4.8～10.0 m，橋面寬度54～61.7 m。墩柱采用多邊形截面空心墩，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋跨布置見圖11。

圖11 北側(cè)跨大堤引橋總體布置圖（單位：m）

3.7 陸上引橋及跨線引橋設(shè)計

陸上引橋及跨線引橋采用40 m、37 m 連續(xù)梁，主梁連續(xù)箱梁（單箱雙室）均采用等高截面，梁高2.3 m，橋?qū)?6.5 m，雙幅布置。墩柱采用圓端形橋墩，墩下設(shè)承臺、鉆孔樁基礎(chǔ)，見圖12。

圖12 陸上引橋及跨線引橋橫斷面（單位：m）

跨南水北調(diào)引橋跨徑布置57 m+96 m+57 m=210 m，主梁連續(xù)箱梁（單箱雙室）均采用變高截面，梁高2.6～5.8 m，橋?qū)?1.25 m，雙幅布置。墩柱采用圓端形橋墩，墩下設(shè)承臺、鉆孔樁基礎(chǔ)，見圖13。

圖13 跨南水北調(diào)橋橫斷面（單位：m）

跨邯膠鐵路聯(lián)絡(luò)線橋跨徑布置為45 m+72 m+45 m=162 m，主梁連續(xù)箱梁（單箱雙室）均采用變高截面，梁高2.3～4.5 m，橋?qū)?8.8 m，雙幅布置。墩柱采用圓端形橋墩，墩下設(shè)承臺、鉆孔樁基礎(chǔ)，見圖14。

圖14 邯膠鐵路聯(lián)絡(luò)線橋橫斷面（單位：m）

4 結(jié)語

鳳凰黃河大橋于2018年10月開工建設(shè)，預(yù)計于2021年10月建成通車。

（1）鳳凰黃河大橋橋梁全長5 111 m，包含了自錨式懸索橋、連續(xù)組合鋼箱梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁等多種結(jié)構(gòu)形式，技術(shù)難度較高。

（2）在橋位資源越來越少的今天，跨黃河橋梁采用公軌合建，具有較高的前瞻性。

（3）跨黃河大橋主橋三塔自錨式懸索橋及跨大堤引橋大跨組合連續(xù)梁均為同類橋型跨徑世界第一，具有較高的技術(shù)含量，可為同類橋型的建設(shè)提供借鑒。