黄河之上的绿色跨越——安罗高速黄河特大桥总体设计及技术创新

河南安罗高速黄河特大桥位于河南省郑州市东北部，连接河南省新乡市原阳县和郑州市中牟县，是安阳至罗山高速公路原阳至郑州（兰原高速至连霍高速）段项目的控制性工程。黄河特大桥起点位于河南省新乡市原阳县陡门乡东侧，由北至南依次跨越黄河北大堤、徐庄控导工程、黄河、韦滩控导工程和黄河南大堤，终点接雁鸣湖互通。桥位距上游G107改线官渡黄河桥13公里，距下游G230封丘至开封黄河桥8km。大桥全长15.2235公里，是目前国内最长的黄河公路桥梁。本桥采用高速公路双向八车道，标准桥面宽度41.5m，设计时速120km。

河道游荡、主河槽宽度宽。 桥位处于黄河下游花园口夹河滩河段，该河段河床宽浅，水流散乱，冲淤变化迅速，属于游荡性河道，是黄河下游游荡特性最为突出的河段。河道整治工程修建后主流虽被有效的束缚在河道内，但桥位河段河势仍处于不断变化之中。2000年后桥位处主流最大摆动范围达2850m，桥位处黄河排洪河槽宽度为4645m。

地质条件差。 桥址区地质以砂土、粉土、粉质黏土为主，钻探135m深未见基岩，地基承载力差。

地震烈度高。 桥址区设防烈度Ⅶ度，基本地震动峰值加速度0.15g，场地土类型为中软土，场地类别Ⅲ类。

环保要求高。 黄河特大桥南段6km穿越河南郑州黄河湿地省级自然保护区试验区，工程距保护区核心区最近距离217.5m。保护区范围内不得设置沉淀池，桥面径流收集长度长，难度大。

现场施工受限多。 项目位于黄河滩地，黄河不通航，无大型构件运输条 件，无法使用常规跨江跨海大桥的施工设备。

景观要求高。 项目地处郑州大都市区交通体系的重要节点，郑新一体化的交通要道,在满足项目功能定位的同时，应突出桥梁的首位度,展示郑州国际化大都市的城市形象。

本项目桥位处南北黄河大堤之间距离14.2公里，其中北侧的徐庄控导工程与南侧的韦滩控导工程之间的主河槽宽度为4645m。工程可行性研究阶段综合考虑项目定位、社会效应、桥梁功能、施工难度、工期、造价、景观、耐久性、维护工程量等因素，并结合地方政府、交通运输以及防洪等部门的建议和审批意见，确定黄河大桥主河槽桥跨布置为：（3×100）m连续梁桥+（110+135+520+135+110）m双塔斜拉桥+34×100m连续梁桥；南北控导至黄河大堤之间的堤内引桥采用50m跨径连续梁桥，跨大堤桥采用主跨125m连续梁桥，堤外引桥采用30m跨径连续梁桥。

初步设计阶段在前期桥跨布置研究结论基础上，对各部分的桥型做进一步的多方案研究论证，推荐全桥桥跨布置及主要结构方案如表1所示：

总体布置及约束体系

主桥为双塔双索面组合梁斜拉桥，桥跨布置为110m+135m+520m+135m+110m，共1010m，边中跨比0.471采用半漂浮结构体系，在索塔下横梁处设置竖向球钢支座、纵向E型动力耗能装置和横向限位耗能装置，过渡墩及辅助墩均设减隔震支座。

图1 双塔组合梁斜拉桥桥型布置图（单位：cm）

索塔及基础

索塔采用无纵筋钢壳混凝土组合索塔，外观以商代青铜“中国樽”入型，取其形、抒其义，礼敬黄河、礼献中原。塔总高182m，在桥面以上高度约为142m，高跨比为0.273。索塔采用C55补偿收缩自密实混凝土，除钢横梁端部采用Q420D外，钢壳和钢锚梁均采用Q355D，钢壳内型钢采用Q235B。

图2 索塔一般构造（mm）

塔柱采用空心圆端形单箱单室断面，塔柱横、纵桥向外轮廓尺寸均为10m，上塔柱壁厚均为0.8m，中间设钢锚梁；中塔柱壁厚0.8m-1.1m，下塔柱壁厚1.1m-1.4m。

索塔节段的钢结构由内外钢壁板、竖向加劲肋、水平加劲肋、水平角钢、竖向角钢、焊钉组成。标准节段高度划分为4m～6m，最大节段吊装重量控制在100t之内。

索塔内外钢壁板与混凝土之间通过加劲肋开孔形成 PBL 剪力键及剪力钉实现钢壳与混凝土的结合，使钢板与混凝土协同受力。部分PBL孔内设置拉筋，以提高钢混间抗剪能力。

通过埋设在承台内高强螺纹钢棒与首节段钢壳内外壁板底部的锚固构造形成钢壳与承台之间的连接。通过首节段钢壳壁板上的剪力钉形成钢壳与塔座混凝土的结合。外壁板采用直径 40mm 的高强螺纹钢棒与承台连接。

索塔基础为分离式承台+混凝土群桩基础。单个承台下设置36根D2.7m～D2.2m钻孔灌注桩，梅花形布置，桩长95m，按摩擦桩设计，采用分布式桩底及桩侧注浆工艺提高单桩承载力。

主梁及斜拉索设计

主梁采用整幅双边箱钢混组合梁，全宽45.5m（不含风嘴），组合梁中心处梁高4.168m，其中中跨段钢梁高3.5m，桥面板厚0.26m；边跨段钢梁高3.28m，桥面板厚0.48m。边主梁、横梁、小纵梁、拼接板及支座加劲等采用Q355D，钢锚箱板件采用Q420D。

钢梁由边箱梁、小纵梁和横梁组成的纵横向格构体系。考虑运输条件，钢梁结构尺寸均控制在可陆域运输的宽度以内。箱间横梁采用“工”字形断面，纵向间距3.5m，密索区间距3m。梁段连接除边箱梁顶板间、索墩区箱形横梁与边箱梁采用熔透焊接外，其余纵横梁均采用高强螺栓连接。

桥面板采用C60混凝土，采用工厂预制和现场浇筑相结合的方式施工，桥面板湿接缝均位于钢横梁上缘。桥面板在中跨跨中纵向132m范围和辅助墩墩顶桥面板横向设置预应力钢绞线，其余区段桥面板均按钢筋混凝土板设计。

斜拉索采用1960MPa环氧涂层预应力钢绞线拉索，根据索力的不同采用15-43～15-109。梁端锚固采用钢锚箱，塔端锚固采用钢锚梁。

副桥单幅采用双边箱钢混组合连续梁，组合梁梁高4.8m，高跨比1/20.8。单幅桥设置2片钢箱梁，单片钢箱梁高度4.5m，箱宽2.2m，可采用公路运输。桥面板采用C55混凝土。钢主梁采用工厂分节段预制，考虑顶推施工便利性，钢梁节段间纵向连接采用焊接，横梁连接采用栓接；桥面板为预制钢筋混凝土结构，后浇混凝土湿接缝。

为改善抗震性能，过渡墩及中间墩均采用带有限位功能的减隔震支座。下部结构采用混凝土柱式墩+钢管复合桩的排架墩结构。单幅桥下设2根D2.752m～D2.2m钢管复合钻孔灌注桩，上接2根直径2.7m的混凝土圆柱式墩。桩长95m，按摩擦桩设计；其中钢管复合桩钢管长度35m，直径2.7m，壁厚26mm。为了提高单桩承载力，采用分布式桩底及桩侧注浆工艺。

南副桥组合梁采用步履式千斤顶顶推施工，从中部分别向大、小桩号方向顶推，不设临时墩，顶推跨径100m，最大连续顶推长度1700m。北副桥组合梁亦采用顶推施工，跨间设临时墩，顶推跨径50m，顶推长度300m。

图3 副桥标准横断面（cm）

堤内引桥为工字形钢混组合连续梁。等宽段单幅桥设置5片工字梁，梁高2.5m，桥梁高跨比为1/20。工字钢主梁高2.2m，钢主梁中心间距4.45m，其中在墩顶处以及跨中采用实腹式构造横向联结，跨间其他位置采用“K”形桁架式构造，沿纵向每5m设置一道。在相邻两片主梁中间设置一道小纵梁，小纵梁固定在横向联结系顶端。混凝土桥面板宽20.31m，预制桥面板厚0.25m，垫条厚0.05m。纵梁采用Q420D钢材，横梁采用Q355D钢材，桥面板采用C55混凝土。

钢梁节段工厂制作，散件运输；在现场拼装焊接成整孔钢梁后，采用架桥机逐跨架设并栓接，再铺设施工桥面板。下部结构单幅采用双柱式墩+钢筋混凝土盖梁，钻孔灌注桩基础。

图4 堤内引桥标准横断面（cm）

南北跨堤桥为双边箱变高钢混组合连续梁，跨径布置均为75+125+75=275m。上部结构形式与副桥相同。单幅桥设双箱室，组合梁中支点梁高6.2m，边支点及跨中梁高4.2m，其中钢梁高5.9m和3.9m。为提高中墩顶结构受力性能，墩顶负弯矩区桥面板设置了纵向预应力钢束；钢梁底板浇筑40cm自密实补偿收缩混凝土。南北跨堤桥组合梁均采用支架施工。

图5 跨堤桥桥型布置及标准横断面（cm）

针对本项目建设条件特点及工程难点，桥梁设计遵循“轻型化、标准化、工厂化、装配化”的设计理念，充分贯彻绿色建造理念，最大化保护黄河湿地环境，以工程建设面临的难点为导向，因地制宜地选择桥型方案及结构型式，取得的主要创新设计成果如下。

在黄河上首次大规模采用轻型化的钢混组合结构，减少下部基础规模。桥址区地质以砂土、粉土、粉质黏土为主，地基承载力差，且地震响应大。大桥设计以上部结构轻型化为基本原则，全桥15.23公里长均采用钢混组合结构，总用钢量约22万吨，既降低了上部结构自重，减轻基础的负担，又能减小地震响应。

安罗高速黄河特大桥全长15.23km，为黄河上最长公路桥梁。黄河现无通航条件，大型、重型构件运输施工难度大，所有桥梁构件均需通过陆路运输。项目提出内陆桥梁轻型化、标准化、工厂化、装配化的设计理念，从构造上降低对大型起重设备要求与投入，减少运输、吊装难度，降低施工风险，提升工程品质。副桥采用长距离顶推施工，堤内引桥采用架桥机整孔架设工法，实现全桥工业化建造。

国内首次采用无纵筋钢壳混凝土组合索塔结构型式，仅在钢壳内加劲肋间设置拉筋，无竖向纵筋，大幅减少现场钢筋接头，大大方便现场施工，实现桥塔快速化建造。

图6 索塔节段构造图

黄河特大桥结构设计大力推行“无模化浇筑”的设计理念，如主桥钢壳组合塔的钢壳结构既参与永久结构受力，又作为施工期混凝土浇筑模板；50m跨预制桥面板采用“混凝土自底模”接头构造，实现现场混凝土湿接缝浇筑无模化施工。“无模化设计”通过永临结合，将工厂化预制的永久构造取代施工临时模板，可大幅提高施工精度，提升施工质量，最大限度地减少劳动力使用以及建设和拆除过程中对环境的影响，实现施工快速装配、工业化建造的目的。

图7 无模化预制桥面板构造

为减小地震响应对结构的影响，首次研发使用了新型横、纵向E型耗能装置并采用减隔震支座，副桥及引桥均采用双曲面减隔震支座，同时改善桥梁纵横向静动力受力性能及耐久性能，桥梁抗震能力提高20%以上。

图8 纵向E型耗能装置

图9 横向减振耗能装置

基于黄河游荡性河流，桥梁下部结构对河道行洪阻水影响大，采用无承台桩柱钢管复合结构，可显著提高桩身抗弯承载力；提高桩身延性，抗震性能优；抗冲刷性能强；无承台基础减少开挖，大大减少施工弃渣；同时减小桥梁建设对阻水率和河床演变的影响，对保持黄河水土、保护生态有重要意义。

由于地质条件差，采用传统的桩基工艺，桩长将达120m左右。为降低施工风险和工程造价，全线采用桩基桩端及桩侧后压浆工艺，桩基承载力提高25%，平均缩短桩长10-15m，将单根桩长控制在100m以内，全线共缩短桩长20000多米，节省造价约7500万元。

项目穿越黄河湿地省级自然保护区，环保要求高，桥面径流集中收集长度达6km以上，污水处理难度高。设计提出适用于特大型桥梁的长距离、大水量特点的桥面径流收集系统方案，保护区范围内桥梁采用PE管+玻璃钢槽双排水收集系统，玻璃钢槽内设置阀板作为事故液储存空间，处理池内采用高性能低成本维护的径流处理技术搭配生态处理材料，有效吸附初期径流中的污染物，实现特大桥梁桥面径流高效处理的同时，实现低成本免维护管理。