简约适宜 恰如其分——菏宝高速公路临猗黄河大桥设计关键技术

临猗黄河大桥效果图

菏宝高速公路临猗黄河大桥是跨越黄河、沟通晋陕两省的高等级公路桥梁，其建成对促进区域经济、文化发展具有重要的战略意义。临猗黄河大桥全长5427m，其中主桥长3816m，主桥上部结构采用跨径128m的钢混组合连续梁，主梁为长挑臂核心箱钢混组合梁，采用顶推法施工，核心钢箱梁顶推到位后再安装混凝土桥面板。本桥采用高速公路双向4车道标准，整幅桥布置，桥面宽度26m，设计时速100km/h。

菏宝高速公路临猗黄河大桥是跨越黄河小北干流禹门口至潼关河段的特大型桥梁，桥位河道宽浅，属强烈堆积的游荡性河道，素有“三十年河东，三十年河西”之说。两岸为高出河床100～200m的黄土台塬地貌，沟壑纵横。主桥的建设条件主要有以下几个特点：

(1）滩槽不分明：主河槽历史摆动范围为河道全宽，约为3600m，根据河道管理部门批复意见，河道全宽均按主河槽对待。

(2）纵断线位高：桥面距河面平均高度83m，最大高度106m。

(3）地质条件差：桥位河段河床覆盖20m～30m细砂，其下为粉质黏土层，地质钻探深度150m未见基岩。

(4）冲刷深度大：桥位河段表层泥沙粒径小、起动流速低，导致河槽最大冲刷水深32米。

(5）地震烈度高：桥址基本动峰值加速度为0.15g，但河道表层的细砂层经判别为严重液化土层，对地震反应有明显的放大作用，导致特征周期长达1.3s，地震反应谱峰值平台超长。

(6）桥面风速大：根据四年的桥位风观测，桥位基本风速29.6m/s，桥面高度处的设计风速为44.8m/s，且环评报告要求主桥设置2.5m高不透光材质的双侧声屏障，主梁实际迎风高度达8.5m，桥梁抗风问题较突出。

(7）环保要求严：桥位跨越4个生态敏感区，环保部门要求项目建设及运营应尽可能地消除或降低水体扰动、噪音、振动、灯光对生态敏感区内的鱼类、鸟禽和动物栖息、繁殖产生的负面影响。

建设这样一座重要的桥梁，需要面对非常复杂的建设条件：以超百米的高度穿越长约6公里的黄河河谷，同时克服软弱地基、强风、强震和强冲刷等诸多不利影响。因此，设计工作必须紧扣建设条件，积极创新技术解决工程难题，积极贯彻品质工程、绿色公路的设计理念，确保设计方案的可靠性、可实施性、工程的耐久性和经济性，把临猗黄河大桥建设成为百年大桥、放心大桥。

就本桥的建设条件和地形条件而言，连续钢箱梁桥、PC连续刚构桥、波形钢腹板组合梁桥、组合钢桁梁桥、组合钢箱梁桥、工字钢组合梁斜拉桥在技术上均是可行的。因此,在桥梁方案构思过程中,进行了大量的比选和论证工作。

图1 临猗黄河大桥设计方案比选

相较于PC连续刚构桥的上部结构重、桥墩及基础抗震问题突出、跨中下挠和腹板开裂；波形钢腹板组合梁桥上部结构自重降低有限，桥墩及基础抗震问题依然突出；组合钢桁梁桥杆件数量多，后期养护工作量大，桁梁内飞鸟易筑巢对钢梁的腐蚀风险大；工字钢组合梁斜拉桥的造价高、后期管养难度大、索塔对保护区鸟类栖息和迁徙有干扰等缺点；组合钢箱梁桥兼具钢桥的材质均匀、质量稳定、工厂化制造、装配化施工的优点，同时采用混凝土桥面板具有造价低、行车噪音小、桥面铺装耐久性好的优点。方案构思阶段也对主梁横断面布置（箱室个数、挑臂长度等）进行了比选研究。经反复论证，临猗黄河大桥主桥采用跨径布置为（112+28×128+120）m整幅式连续钢混组合连续梁桥的设计方案。

本桥设计方案为钢混组合连续梁，桥高、两岸相距远、桥下不通航是限制施工方法选择的主要因素，支架类、缆索吊装类、浮运架设类、悬臂拼装类等施工方法难以施展，而悬臂吊装法、顶推法可行性相对较高。相对于悬臂吊装法存在的钢梁高空焊接难度大、施工质量难以控制、安全风险高、河道汛期影响工期等缺点。顶推法施工具有施工工艺成熟、工序简单、对河道干扰小、工期有保证等优点；且组合梁采用顶推法施工，钢梁和桥面板可分开施工，钢梁顶推到位后再安装桥面板，桥面板的安装顺序和浇筑位置可根据不同的受力需要选择与之相适应的组合梁形式，可充分发挥钢材与混凝土两种材料的力学性能，节省材料并降低自重。

桥梁全长5427m，其中主桥长3816m，跨径布置为（112+28×128+120）m整幅式连续钢混组合梁桥，主桥共分两联，最大联长1912m；山西岸引桥为40×40m预应力混凝土连续T梁，引桥共分10联。

图2 临猗黄河大桥桥型布置示意图（单位：m）

主梁采用长挑臂核心箱钢混组合梁，梁高6.28m，顶板全宽26m，底板全宽11m，两侧悬臂长7.5m，典型断面如图所示。主梁由核心钢箱梁+横隔系+混凝土桥面板组成，其中桥面板与钢箱梁之间通过圆柱头焊钉连接。

图3 临猗黄河大桥典型断面图（单位：cm）

核心钢箱梁中心梁高6m，顶底板最大厚度均为60mm，腹板厚24mm～48mm，材质为Q420耐候钢；横隔系标准间距4m，由核心钢箱梁横肋、外横梁、内外钢管斜撑组成，材质为Q355耐候钢；混凝土桥面板厚28cm，横向由3块板组成，核心箱部分采用现浇混凝土板，挑臂部分采用分块预制板，横向配有预应力束，间距50cm，待混凝土桥面板与核心梁完全结合后再张拉。

中支点左右各约20～28m范围内，核心箱底板采浇筑混凝土，厚度0.5～0.6m。

核心钢箱梁以板件形式运输至现场，通过现场布置拼装厂组拼成钢箱梁，采用顶推法施工，钢箱梁先顶推就位后，再安装混凝土桥面板。

分别于山西岸引桥侧36～40墩间与陕西岸路基段布置2处顶推平台，两联主桥钢箱梁对向顶推，每联钢箱梁仅顶推前端布设导梁，钢导梁由横向双工字钢+横向连接系组成，长81.6m，前端设鼻梁高2m，与钢箱梁连接处高5.36m，单个导梁总重量约为300t。

图4 山西侧向陕西侧顶推

图5 陕西侧向山西侧顶推

钢箱梁顶推到位后先安装与浇筑跨中正弯矩区桥面板，待混凝土硬化后再施工支点负弯矩区桥面板，该方法以减小中支点处负弯矩区桥面板拉应力为目标。采用先钢箱梁后桥面板的施工方法，施工阶段钢箱梁承担自重和桥面板的重量，为后期桥面板的更换创造了条件，同时也是实现无临时墩顶推施工的关键所在。

对于超长桥梁，桥梁联长一般控制在1公里以内，由于临猗黄河大桥主桥长3816m，若分成4联，采用顶推法施工，则需6个导梁和3个导梁高支架拆除平台，具有施工设备投入大、施工安全风险高、工期长、干扰黄河泄洪的缺点；若采用2联布置，最大联长达1912m，可大幅减少施工设备投入,可担忧的是主梁纵向变形及下部桥墩和桩基础抗震是否满足设计要求。经计算研究论证：钢混组合梁桥纵向变形的适应性较好；考虑温度、汽车和风荷载作用下55号墩最大伸缩量为2053mm，设置2080型伸缩缝满足设计要求；桥墩墩身承载力满足设计要求；选型的摩擦摆支座纵向容许位移90cm，横向35cm，而地震引起的支座最大纵向位移50cm,横向31cm,均小于容许位移限值，满足设计使用要求。临猗黄河大桥主桥分两联,第一联(112+14×128)m,第二联(14×128+120)m的布置方案是可行的。

本项目具有桥长、桥高、单桥用钢量大等特点,且桥位穿过4个生态敏感区，均属黄河乌鳢产卵区和候鸟栖息和繁衍地。若钢材采用防腐涂装处理,一方面防腐涂装材料对环境造成了污染，影响了当地生态环境质量；另一方面增大了运营阶段钢结构养护工作量。基于上述考虑，主桥组合梁钢结构采用免涂装的耐候钢，主要有以下优点：桥址位于黄河中游，跨越晋陕大峡谷，远离城市大气腐蚀环境，是耐候钢推广应用的理想环境；减少了防腐涂装对环境的干扰，提升了桥梁品质；从全寿命周期成本考虑，降低了钢结构成本。结合本项目特点，耐候钢采取的构造措施有：考虑桥面排水对耐候钢的影响，仅在距伸缩缝端12m范围内采用防腐涂装处理；为保证箱室内干燥环境，钢箱梁双侧腹板每隔8m布置直径10cm的通气孔；桥面板铺装底层布设防水层，避免桥面雨水通过桥面板裂缝渗透到钢梁表面。

对于连续钢混组合梁，中支点负弯矩区钢箱梁底板承受较大的压应力，为满足受力和构造要求，需要增加钢板厚度，造成了钢板焊接困难。同时桥面板承受较大的拉力，为满足裂缝宽度要求，需配置直径较大、根数较多的钢筋，导致钢筋焊接工作量大，桥面板造价高等问题。为改善中支点负弯矩区组合梁受力性能，在中支点两侧20～28m范围内，钢箱梁底板浇筑50～60cm混凝土，通过底板纵向加劲肋开孔连接形成双结合构造，底板混凝土一方面作为结构构件直接参与受力，能有效降低钢箱梁底板压应力，减小钢板厚度。另一方面对钢箱梁底板进行局部约束，提高了钢箱梁局部抗屈曲能力，同时增加了组合梁截面抗弯刚度，减小负弯矩区桥面板裂缝。计算结果表明，采用双结合构造后，钢箱梁底板压应力由304.7MPa减小到212.6MPa，降幅约为30.2%；桥面板裂缝宽度由0.2mm减小到0.17mm，降幅约为15%。

横向长挑臂钢混组合梁在国外桥梁建设中应用较多，但用于支承长挑臂横梁的斜撑大都采用圆钢管。根据学者Claudio Baptista 发表在国际疲劳杂志上文章《Fatigue behaviour of CHS tubular bracings in steel bridges》的研究结果表明：在桥面荷载作用下圆钢管与横梁连接处极易发生疲劳破坏，疲劳寿命较低。为提高斜撑连接处的疲劳寿命，临猗黄河大桥斜撑采用方钢管，与横梁通过管板连接，焊缝采用熔透焊，为避免箱外环境对斜撑耐久性的影响，钢管端部设置密封板。一方面方钢管受压稳定性大于相同截面积的圆钢管，提高了斜撑承载力。另一方面方钢管壁4个面的壁厚可不等布置，与节点板焊接面的厚度可大于另两面，降低了连接处方钢管斜撑的疲劳名义应力幅，提高了斜撑连接处的疲劳寿命。

图6 方钢管斜撑管板连接构造

本项目钢箱梁腹板高度达5.8m，顶推施工过程中，支点最大顶升力2600t，在弯矩、剪力和支点顶升力作用下，钢梁腹板极易发生局部失稳现象，其中设置支撑加劲肋是控制腹板局部稳定的主要措施。根据钢箱梁腹板厚度和施工过程支点反力布置支撑加劲肋，加劲肋分为2类：第1类在横肋间布置长支撑肋，间距1m，长支撑肋高3.5m；第2类横肋间布置长支撑肋+短支撑肋，间距0.5m，短支撑肋高1.8m。对钢箱梁顶推施工进行全过程计算，计算结果表明：钢箱梁腹板区格5受力最不利，第1类支撑加劲肋腹板区格5的最小稳定安全系数为1.24，第2类支撑加劲肋最小稳定安全系数为1.21，均满足规范设计要求。

图7

横向长挑臂钢混组合梁断面为钝体气动外形，具有低阻尼比、低扭转刚度和低结构频率等特征。虽然此类截面与钢箱梁断面相比抗风性能较好，但随着跨径的增大组合梁抗风性能逐渐变差，容易出现涡激振动现象。通过现场安装风观测塔采集到4年风观测数据表明，桥位基本风速29.6m/s，桥面高度处的设计风速为44.8m/s，且根据国家环境保护部要求，桥梁两侧需设置2.5m高的不透光材质声屏障，主梁实际迎风高度达8.5m，进一步加大了全桥抗风设计问题。为验证临猗黄河大桥设计方案的抗风稳定性，对主梁节段模型成桥开展风洞试验研究，结果显示，成桥运营阶段2.5m直线形声屏障组合梁发生了明显的竖向涡激共振现象，振动竖向位移最大为0.072m，已超过规范允许值0.051m。为解决组合梁抗风稳定问题，对声屏障进行设计优化，采用折线形声屏障代替直线形声屏障，折线形声屏障由外侧立柱、内侧防撞护栏和隔音板组成，外侧立柱分上、下2部分，下立柱高1.5m，向外倾斜18°，上立柱高1m，与下立柱成120°向内倾斜，与防撞护栏共同固定隔音板。风洞试验数据表明其风致振动竖向位移最大为0.031m，均小于规范允许值0.051m，很好地解决了临猗黄河大桥抗风稳定问题。

图8

桥址基本动峰值加速度为0.15g，但河道表层覆盖的20m厚细砂层经判别为严重液化土层，对地震反应有明显的放大作用，导致特征周期长达1.3s，地震反应谱峰值平台超长，长周期谱值下降缓慢，周期1s后的谱值是规范基本地震动峰值加速度0.15g标准谱的2倍，是规范基本地震动峰值加速度0.2g标准谱的1.5倍。为降低地震对下部结构的影响，减少桩基础规模，除了上部主梁采用钢混组合梁结构以降低结构自重外，还采用摩擦摆减隔震支座降低地震对桥墩及基础的影响。每联中间4个桥墩设置固定支座，其余均为纵向滑动支座，地震来临时，支座剪力销剪断，摩擦摆发挥作用，固定支座剪力销剪断后，纵横向都可发生摆动，滑动支座剪力销剪断后，支座可发生纵向滑动、横向摆动。结构抗震计算结果表明采用摩擦摆减隔震支座后，桥墩钢筋用量减少约20%，桩基根数由32根优化到24根。