基辅波多利斯基拱桥设计与施工

1  前言  

波多利斯基 拱桥横跨基辅市中心的第聂伯河，是连接基辅市中心与第聂伯河左岸 " 卧城 " 区全长 7.4 公里交通枢纽的重要组成部分。该桥主跨长 344 m ，上层设四车道公路，下层布置两条地铁轨道及大直径输水管道。除拱脚部分采用钢筋混凝土结构外，全桥主体均为钢结构。  

设计方案于 1991 年启动， 2005 年起实行设计与施工并行推进。受乌克兰金融危机影响，工程曾中断数年，直至 2018 年复工， 并 于 2023 年公路层部分通车 。  

本文详细阐述了桥梁设计方案、结构特点、审批流程以及完成建设所需的各阶段工作。  

2  概况  

第聂伯河将拥有三百万人口的基辅市一分为二。右岸居住着三分之二的人口，左岸则为三分之一。每天约有三十万辆汽车通过五座桥梁横跨第聂伯河。这些桥梁已无法应对交通流量，早晚高峰 时段桥区周边常形成拥堵。  

新建桥梁采用公路与地铁复合设计，每日可承载约五万辆汽车通行，地铁线路每小时可运送多达四万名乘客（见图 1 与图 2 ）。   

波多利斯基 桥隧工程全长 7.4 公里，其中桥梁与高架路段超过 6 公里。  

图 1   高架桥和跨河桥梁纵断面

图 2  高架桥和跨河桥梁平面布置  

为节省空间 ， 主桥和引桥都 采用双层结构设计。上层为 公路交通 ，下层为轨道交通。这一方案决定了双层高架桥的桥梁设计思路。 陆上 高架 桥部分 采用了钢 - 混凝土组合结构。 跨河桥梁 结合道路与地铁 功能的部分使用了双层钢桁架结构（图 3 ）。  

图 3  组合高架桥和跨河桁架桥横断面  

3  跨越第聂伯河的拱桥 —— 关键参数  

3.1  总体特征 

根据通航要求，该桥需覆盖全部水域 宽度 。铁路运输需要刚性结构，如斜拉桥或拱桥。然而，由于基辅已有两座跨越第聂伯河的斜拉桥，最终选择了拱桥体系（图 4 ）。  

图 4  拱桥主要特征参数    

该桥梁设计方案于 1991 年启动起草工作， 2005 年进入并行设计与施工阶段。由于乌克兰遭遇金融危机，工程曾中断数年。 2018 年恢复建设，首期 桥梁 工程于 20 23 年竣工。  

这座拱桥主跨达 344 m ，设计为六车道公路的上层结构与两条地铁线路的下层结构，并敷设大直径输 水管道（图 5 ）。除拱体下部采用钢筋混凝土基座外，全桥主体为钢结构。 主梁 采用双层桁架结构，通过钢索悬吊于拱体之间。  

桥梁钢结构的重量为 34 t / m ，包括三根直径 1.2 m 管道在内的总有效设计载荷重量为 22 t ，占总载荷的 40% 。  

图 5  拱桥横断面  

3.2  桁架板 

该桥梁横截面由 上层 和 下层 正交各向异性板以及封闭式斜向构件组成。横截面内未设置斜向连接件，这导致桁架节点处产生较大的桁架弯矩（图 6 ）。  

图 6  主梁桁架变形情况  

上层 正交各向异性板采用标准设计，带有封闭式纵向 加劲肋 和间距 4 m 的横梁。横梁高度为 1.0-1.2 m ， 挑臂 部分壁厚达 20 mm 。如此大的厚度是为了承受梁截面处较大的剪切力。  

下层钢梁 的设计 案例 在基辅南桥首次应用后证实了其可靠性。经过 30 年运营，未出现疲劳裂纹。箱型纵向 加劲梁高于横梁顶板 ，这些 加劲梁 构成 了 铁路轨枕的基础（图 7 ）。  

针对疲劳裂纹 的 可能性 做了 建设调查 ， 采用了多种计算方法，证实了该结构的耐久性。  

图 7  铁路在底部正交各向异性板  

3.3  桁架连接件    

对角连接件采用从箱形截面过渡至工字钢截面的设计，以便与桁架翼缘连接（图 8 、 9 、 10 ）。翼缘接头采用高强度螺栓连接。  

图 8   对角桁架构件  

图 9  箱型截面转换至工字型截面的过度构件  

图 10  对角桁架构件 底部视角  

3.4  拱铰节点 

主拱 通过铰接装置仅在组装阶段与混凝土基础相连。该铰接方案用于传递 主拱 自重及系杆荷载。铰接节点设计承载力为 3600 t 。待混凝土浇筑封闭铰接点后，桁架恒载、桥面设备与轨道重量以及交通荷载将转为无铰接体系承载（见图 12 ）。  

3.5  主拱 结构  

箱 型 截面的 主拱 结构保持 3.2 m 的恒定宽度，高度从 拱脚的 4.8 m 向中部递减至 4.0 m （图 11 ）。翼缘板厚度 为 50 m m ，腹板厚度在 32 至 50 mm 之间。 拱肋 纵向加劲肋的节点采用高强度螺栓连接，外轮廓板的 连接 则采用焊接工艺。为提升美观度，拱角部位经过切角处理，并在 侧板 中部设置 凹槽 。 主拱 由最大尺寸为 3.2×2.5×15 m 的节段吊装组成， 主拱钢箱 上半部与下半部对接 组装 。外轮廓板通过盖板辅助焊接成型，横向加劲肋则采用 高强度螺栓连接。  

大部分节点采用高强度螺栓连接。然而，拱形结构轮廓板件的连接则采用焊接工艺，主要原因是焊缝外观更为美观。此外，单个采用高强度螺栓的拱形节点重量超过五吨。  

拱体之间安装了直径达 620 mm 的圆管制成的横向连接件。  

图 11  常规位置和吊索区域的拱肋截面  

图 12  拱的临时铰接点  

3.6  吊杆 系统  

封闭式螺旋索 构件 作为 张拉 构件已在索支撑桥梁中使用了 90 余年，是最常见的悬吊部件。凭借其高断裂荷载特性及多样化的端部锚固方案，这种构件为建筑师和结构设计师提供了额外的设计自由度。   

封闭式螺旋索 构件 属于预制结构用 张拉 构件，其构造核心为圆钢丝，外围缠绕多层 Z 形钢丝（通常采用反向螺旋缠绕工艺以减小残余扭矩，见图 13 ）。  

图 13   封闭式螺旋索 技术资料  

3.7  防腐保护 

桥梁缆索劣化的主要原因是钢材腐蚀。封闭式螺旋 索 具有多重防腐屏障： (a) 所有钢丝均经过镀锌处理， (b) 在 缆索 制造过程中用阻隔化合物（一种腐蚀抑制剂）填充钢丝间隙，可防止使用过程中腐蚀介质侵入， (c) 对于极端腐蚀环境，可采用经特殊认证的涂料系统对缆索进行额外涂装。在封闭式螺旋 索 中， Z 形钢丝因其互锁结构，本身就能形成抵御腐蚀介质渗透的有效表面屏障。   

缆索供应商 Bridon-Bekaert 的母公司贝卡尔特公司改进了钢丝防腐技术。 Bezinal 3000 是一种先进的锌铝镁金属涂层，在盐雾试验中表现出优于纯锌和 GalFan 涂层的防护性能（图 14 ）。  

每根钢索末端都将 通过终端接头永久连接。封闭式螺旋 索 配备顶部带外螺纹的圆柱形套筒和底部用作悬 吊 装置的叉形套筒。顶部套筒锚固于 拱肋 内 套管 的末端，而底部锚具则连接至桁架悬臂上 的吊环（图 15 ）。

图 14  钢丝防腐保护

图 15  吊杆末端固定装置  

4  桥梁施工  

按照第聂伯河的传统施工方法，在架设和 组装过程中采用了 浮船起重系统 。四座临时支撑架由拆卸的天然气管道改建而成。该系统实现了 大节段 桁架和 拱肋 的吊装。为安装主拱结构，专门建造了一艘起重能力 达 650 吨的驳船起重机。   

桁架与 拱肋 的小型预制构件（最长 24 m ）在施工现场的第聂伯河岸临时墩台上 现场 拼 装成重量达 600-650 t 、长度达 80 m 的吊装节段。随后，这些组装完成的节段从墩台移运至水面，或安置于浮动支撑平台，或由浮吊进行吊装。  

桁架 构件被竖立起来水平移动到桁架平面内安装 ， 随后每两榀组合成 80 m 长的 节段 ，通过滑移方式移至水面后由 浮船起重机 吊装。这些 80 m 长的桁架与 拱肋 构件重量达 600 吨（见图 16 、 17 、 18 ）。  

图 16  在滑架上组装桁架节段  

图 17  在滑架上组装主拱节段  

图 18  用起重机安装主拱构件  

拱形构件已采用 分布加劲 措施以降低梁体弯矩。在完成 拱肋 间连接安装后，对 拱肋 最后接缝进行了焊接。最关键工序在于 拱肋 最终接缝的闭合施工。临时桥墩拆除后， 拱肋 通过铰接结构获得支撑。待铰接装置闭合后，桁架梁重量即转移至悬吊系统（图 19 ）。  

图 19 2019 年 5 月拱桥施工现场