新桥型是如何实现的——济新高速黄河三峡大桥

济源至新安高速公路是河南省高速公路网规划（2021-2035）批准的洛阳都市圈联动线，项目的建设将打造河南省经济发展增长极，带动沿线旅游资源的开发，助推乡村振兴，推动沿黄生态保护和高质量发展。项目走廊带分布有王屋山、黛眉山2个地质公园，黄河及小浪底水库区，黄河湿地、黄河崖壁2个保护区，黄河三峡、万山湖、荆紫山、黛眉山、龙潭大峡谷、漏明谷、青要山等7个景区，地形地质复杂，环保要求高。其控制性工程黄河三峡大桥建设条件的复杂性尤为突出：桥位处的黄河小浪底水库库区水下地面年冲淤深度达50m、防洪要求一跨跨越库区水域，横跨的黄河三峡桥址区属黄河“U”形河谷区，桥轴纵断面为薄峰山脊与沟壑交错的小间距、大高差锯齿状，崖壁近乎直立，基岩出露；岩体以寒武系白云岩为主，中厚层-厚层状构造，局部夹薄层状泥晶白云岩，竖向节理裂隙发育；两岸崖壁为国家地质遗迹保护区，济源岸紧邻八角山隧道，工程建设面临前所未有的挑战。环境要保护，交通要发展，面对挑战，经深入分析、多方案研究，对黄河三峡大桥提出了独塔回转缆悬索桥新桥型结构，实现了高环保要求复杂建设条件下黄河峡谷区交通建设的保护性开发，为类似工程建设提供了可供借鉴的解决方案，大桥的建设将成为落实新发展理念的典型示范。本文重点介绍黄河三峡大桥新桥型的结构特点。

工程采用的主要技术标准如下——

(1）公路等级：双向六车道高速公路；

(2）设计速度：100km/h；

(3）荷载等级：公路—Ⅰ级；

(4）设计使用年限：100年；

(5）路基宽度：34.7m，断面组成：0.75m（护栏）+3.0m（硬路肩）+3×3.75m（行车道）+0.75m（路缘带）+3.2m（中央分隔带）+0.75m（路缘带）+3×3.75m（行车道）+3.0m（硬路肩）+0.75m（护栏）；

(6）设计洪水频率：300年一遇；

(7）设计水位：275.0m；

(8）通航等级：规划内河Ⅳ级，通航净空90m×8m；

(9）地震动峰值加速度：0.1g。

根据黄河三峡大桥的独特建设条件，分别提出了拱桥、斜拉桥、悬索斜拉协作桥，悬索桥等多种桥型方案（图1），其中，不同跨径的下承式（图1a，主跨480m）、 拱脚不等高（图1b ，主跨450m）、中承式（图1c ，主跨435m）、上承式（图1d，主跨335m）等型式的钢管混凝土拱桥，与济源岸八角山隧道衔接欠顺畅、岩体开挖量大不利于崖壁保护；高低塔斜拉桥（图1e，主跨510m）、悬索斜拉协作桥（图1f，主跨510m）景观协调性欠佳，配跨实施困难，协作桥构造复杂；双塔地锚悬索桥（图1g，主跨510m）、济源岸隧道处锚碇实施困难、缆跨布置欠合理，景观协调性欠佳；创新提出的独塔回转缆地锚悬索桥（主跨510m，图1h，图1i）因回转缆锚碇与缆回转锚固有效配合，结构紧凑，锚碇对崖壁破坏最小，又可作为路基行车、可充分利用复杂地形地质条件、较好地协调了社会发展与环境保护的保护性开发，符合新发展理念，景观标志性强，是较为合适的方案。缆在隧道侧回转的悬索桥方案（图1i）因与隧道衔接顺畅、利于施工控制，相对更优，选为最终实施方案。

图1 桥型方案汇总

桥梁理论跨径510m，缆跨布置（540+185）m，垂跨比 1/16，中跨主缆为半跨悬链线，主缆中心距为 37.4m，全桥主缆为1根，绕济源岸锚碇回转锚固（图2）。加劲梁位于单向2.2%的纵坡上，钢桁与正交异性钢桥面板板桁结合体系，主弦杆中心距34.2m。吊索纵桥向水平间距15m。济源岸采用适应回转缆锚固的复合式重力锚碇，无须散索，结构紧凑，岩体开挖最小化。新安岸采用扩大基础重力锚碇。

图2 桥型立面总体布置图（单位：cm）

锚碇平面呈矩形，尺寸为45m×61.5m，最大高度36m，包括锚碇基础、锚体、环形锚室以及检修通道。基础为台阶形。环形锚室宽4.5m，高5.5m，顶板厚50cm，施工时顶板敞开，待索股全部安装完成，紧缆后加装环形通道顶盖，作为永久锚室使用 。锚碇基础底面结合实际地形条件、纵横向地面高度差设置为齿状台阶形，基础开挖方量小，最大程度地保护了崖壁地质遗迹。主缆在回转主鞍锚固处为悬链线的中垂点，内力最小且水平倾角为零，锚碇仅承受水平分力、无竖向分力使锚碇规模最小，经济性也具优势（图3）。

锚碇临近陡崖，基于概化的岩体模型：1）强卸荷中风化含硅质白云岩，变形模量3.7～1.3GPa，内摩擦角33～27度，黏聚力0.45-0.2MPa；2）中风化含硅质白云岩(局部)夹溶蚀含硅质白云岩，变形模量6-3.7GPa，内摩擦角39-33度，黏聚力0.7～0.45MPa；3）中风化含硅质白云岩变形模量11-6GPa，内摩擦角45-39度，黏聚力1.1～0.7MPa；4）节理层面，内摩擦角37～29度，黏聚力0.22-0.12MPa，按二维极限平衡和三维数值模拟对锚碇和岩体组成的复合承载稳定性分析表明，计算结果具有较好的一致性，正常工况（天然状态+锚碇荷载）和非正常工况（锚碇荷载+暴雨，锚碇荷载+地震）稳定性均可满足承载要求（图4）。

图3 济源岸回转缆复合式锚碇

图4 复合式锚碇稳定性分析示意图

回转缆是指悬索桥左右侧主缆为1根，主缆从一岸锚碇始发，绕过对岸锚碇后返回并锚固于始发岸锚碇的主缆形式。值得注意的是，跨径相同时，回转缆的长度约是常规双缆的单缆长度的2倍，单缆索股制造长度规模大。回转缆的长度可根据主缆的制造能力及回转锚固构造确定（目前最大跨径悬索桥为3300m的墨西拿海峡桥，设计已完成多年，因资金短缺尚未实施）。本桥主缆由121股预制平行钢丝索股，每根索股由127 根直径为 5.3 mm 的高强度镀锌-铝合金钢丝组成，钢丝标准强度≥1960MPa。主缆索夹外直径734.6mm，索夹内直径725.5mm。普通吊索规格采用121丝直径5mm高强度镀锌铝合金钢丝，锚固在下弦杆的短吊索采用钢拉杆，钢拉杆采用40Cr合金钢，直径100mm。主缆索股在回转锚碇处连续通过，利用回转索鞍系统实现索股回转锚固，取代传统主缆索股在锚碇处的断开分散锚固，可充分利用主缆的恒载自平衡特性、优化锚固构造及锚碇结构。首次研发了转索鞍回转缆约束装置，该装置主要创新为水平和竖直分置的双面滑动。首次构建了由塔顶主鞍、散鞍，回转主鞍、转索鞍、地锚杆组成的适应回转缆的约束体系。图 5为回转缆及约束体系示意图。

图5 回转缆及约束体系示意图

回转缆及约束体系的主要特点为：1）回转侧索股连续紧凑，与传统主缆散开锚固相比，可大幅减小对锚碇构造尺寸的要求；2）回转缆具有竖向和水平两个平面内转向，与传统主缆相比，索股排布满足双转向均需压紧的需求；3）回转主鞍为固定式，施工过程中无须顶推；4）适应回转缆的多种装置约束体系，研发了平曲分置的双面滑动转索鞍，设置地锚杆约束装置。

加劲梁采用带竖杆华伦式钢桁梁，正交异性钢桥面板板桁组合体系，主横桁采用带竖杆华伦式，下平联采用 K形撑。因主缆回转锚固的要求，中跨垂点低于桥面，部分主缆在上弦杆上方、部分主缆在上下弦杆之间。为避免主缆和桁梁干扰，加宽主缆横向间距，单侧加宽1.6m，满足主缆紧缆、缠丝空间需求。在节点设置箱形断面钢牛腿用于悬吊钢桁梁。位于上弦杆上方的主缆对应吊索全部锚固于上弦杆牛腿，上下弦杆之间的主缆对应吊索全部锚固于下弦杆牛腿以减少吊索长度。加劲梁的约束体系由限位剪断装置、环向钢丝绳组合阻尼钢拉压支座、横向抗风支座组成。图 6 为加劲梁及约束体系示意图。

图6 加劲梁及约束体系示意图

钢丝绳阻尼支座为军民融合技术新产品，属位移型摩擦阻尼耗能装置，本构模型为三折线形。环向钢丝绳组合阻尼钢拉压支座在地震作用下不损坏，地震过后仅需适当复位即可使用，超出最大减震位移后钢丝绳拉紧防止发生过大位移应对地震作用的不确定性。限位剪断装置在剪断后，仅需更换剪断销即可恢复功能。两者均是维护方便、环保低碳的约束装置。加劲梁约束体系的主要特点为：1）正常工况，加劲梁纵向低侧固定、高侧滑动的非漂浮简支 约束状态，减小制动位移；2）横向对称约束，实现加劲梁横向均衡受力；3）地震工况，限位剪断装置剪断，加劲梁处于半漂浮减震状态。约束装置执行标准为《公路桥梁限位剪断装置》（TCHT20002-2018），《公路桥梁环向钢丝绳组合阻尼支座》(TCHTS 20017-2021），《公路桥梁钢丝绳阻尼装置减震技术规程》(T/CECS G J61-01-2021）。

锚碇采用明挖施工。主塔采用爬模法施工。结合回转缆特点，对传统的预制索股 PPWS 法进行了优化调整，增设锚碇处主缆索股回转用传送支架系统、主缆水平入鞍相关设备。大桥跨越黄河小浪底库区，即使在高水位期，河面宽约280m，也比加劲桁梁理论跨径 510m小较多，缆载吊机的吊装范围受限严重，采用缆索吊进行加劲梁的安装施工，缆索吊塔架北岸位于回转缆锚碇上，南岸位于桥塔上。

大桥已于2021年10月开工建设，工期四年。

回顾济新高速黄河三峡大桥独塔回转缆悬索桥新桥型结构的提出，可归纳为“源于环保，始于锚碇，枢于主缆，终于桥型”。该桥提供了一个在高环保要求、地形地质复杂条件下，实现建设领域“保护性开发”的解决方案范例，提升了悬索桥的山区适应能力，丰富了我国山区桥梁类型，对落实新时代的“新发展”理念具有典型示范作用。工程主要创新结构特点总结如下——

(1）首次采用适合回转缆锚固的复合式重力锚，开挖量小，最大限度地保护了地质遗迹，经济环保；

(2）首次研发了平曲双滑动面分置的滑动式转索鞍，构建了回转缆多装置约束体系，保证了回转主缆的受力安全和变形协调；

(3）首次研发了适应回转缆索股双向压紧的编排方式，避免了施工安装过程中索股的扭曲；

(4）首次在悬索桥中应用钢丝绳阻尼支座新技术减震产品，安全耐久易维护，兼具限制梁体过大变位；

(5）首次在悬索桥加劲梁中采用一端固定的纵向非漂浮约束、采用限位剪断装置配合钢丝绳阻尼支座的加劲梁横向全对称约束体系，兼顾制振和减震，改善结构受力，提高行车舒适性；

(6）首次采用钢桁加劲梁分区段设置上弦和下弦牛腿锚固刚性及柔性吊索，适应缆梁交叉构造需要及吊索受力、减少吊索用量。

此外，几点关于本桥建设的认识供参考：1）针对独特的地形地质、环保、景观等建设条件，应发展适应的桥型结构以更好地满足工程建设需要；2）回转主缆紧凑锚固对锚碇空间构造的要求低，可较好地满足济源侧地质保护、桥隧相连的需要；3）复合式锚碇配合回转缆，可有效利用地形地质条件，减少岩体开挖，实现保护性开发；4）合理采用“四新”技术，如，回转鞍、地锚杆、限位剪断装置、钢丝绳阻尼拉压支座等构建新型约束体系，以适应桥型结构的新需求。