【摘要】臨猗黃河大橋主橋?yàn)椋?12＋14×128）m＋（14×128＋120）m等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋，最大聯(lián)長1912m。主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁，全寬26m，中心梁高6.0m，標(biāo)準(zhǔn)梁段鋼梁頂板寬11.6m、底板寬11.2m，通過外挑橫梁和斜撐實(shí)現(xiàn)7.5m大懸臂；橋面板采用28cm厚C50混凝土板，設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力；中支點(diǎn)兩側(cè)20m范圍內(nèi)在鋼梁底板上澆筑混凝土，形成“雙結(jié)合”構(gòu)造，與底板結(jié)合后共同承壓；橋墩采用矩形變截面薄壁空心墩，最大墩高99m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，最大樁長92m。

　　采用有限元軟件建立該橋整體及局部模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析；基于CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法對主橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進(jìn)行研究；運(yùn)用非線性時(shí)程分析法對大橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。主橋上部結(jié)構(gòu)采用無臨時(shí)墩頂推法施工，鋼梁頂推到位后安裝橋面板。

　　【關(guān)鍵詞】連續(xù)梁橋；鋼箱組合梁；外挑橫梁；斜撐；“雙結(jié)合”構(gòu)造；受力性能；頂推施工；橋梁設(shè)計(jì)

　　1 工程概況

　　臨猗黃河大橋位于山西省運(yùn)城市，是國家高速公路網(wǎng)G3511濟(jì)廣高速公路菏澤至寶雞聯(lián)絡(luò)線上跨越黃河小北干流禹門口至潼關(guān)河段的特大型橋梁。大橋穿越多個(gè)生態(tài)敏感區(qū)，橋位建設(shè)條件較復(fù)雜，以百米橋高跨越近6km的黃河河道，處于強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)沖刷、不良地質(zhì)、強(qiáng)震環(huán)境。

　　1.1 橋位風(fēng)環(huán)境

　　為獲取橋址實(shí)際的風(fēng)場參數(shù)，開展了橋位風(fēng)觀測專題研究，橋址現(xiàn)場設(shè)立風(fēng)觀測塔，采集到2012年6月～2016年6月共4年的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)。研究表明，橋位基本風(fēng)速（10m高度、10min平均時(shí)距、100年重現(xiàn)期）為29.6m/s，橋面高度處的設(shè)計(jì)風(fēng)速為44.8m/s。主梁施工期設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為39.4m/s。風(fēng)剖面指數(shù)取0.17。

　　1.2 河道水文

　　臨猗黃河大橋橋址河段河道寬淺，水流散亂，屬于強(qiáng)烈堆積的游蕩性河道。橋位河道全寬約3.6km，河道縱向河勢平緩，縱向比降3.5；灘槽分界不明顯，水面寬約1200m，水深小于3m。主河槽最大沖刷水深32m，河灘最大沖刷水深26.8m。河道中橋墩承臺(tái)頂面要求在現(xiàn)狀河床高程4m以下。

　　1.3工程地質(zhì)

　　橋址處地質(zhì)主要表現(xiàn)為黃河沉降帶，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，未見斷層。地質(zhì)鉆孔深度150m，除陜西岸側(cè)在100m深度以下存在少量泥巖、砂巖，大部分地層未見基巖。河道表層覆蓋可液化細(xì)砂層，液化深度為9.5～20m，其下為粉質(zhì)黏土層。階地表層為濕陷性粉土，具有負(fù)摩阻效應(yīng)。

　　1.4地震

　　橋址區(qū)屬于Ⅲ類場地，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，地震基本烈度Ⅶ度。由于場地覆蓋土層較厚，地震反應(yīng)放大效應(yīng)十分顯著，E2地震工況下場地特征周期最大達(dá)1.3s，遠(yuǎn)大于按規(guī)范查取周期0.55s，導(dǎo)致反應(yīng)譜峰值平臺(tái)段延長，譜值下降段不僅出現(xiàn)較晚而且下降緩慢。

　　專題研究表明：河道場地E2安評譜1s以后的長周期譜值大致相當(dāng)于基本地震動(dòng)峰值加速度0.15g標(biāo)準(zhǔn)譜譜值的2倍，基本地震動(dòng)峰值加速度0.2g標(biāo)準(zhǔn)譜譜值的1.5倍，與基本地震動(dòng)峰值加速度0.4g標(biāo)準(zhǔn)譜譜值基本相當(dāng)。

　　1.5生態(tài)敏感區(qū)

　　大橋穿越2個(gè)省級濕地保護(hù)區(qū)和2個(gè)國家級水產(chǎn)資源保護(hù)區(qū)。4個(gè)保護(hù)區(qū)相互疊加，總長為河道范圍。環(huán)保要求黃河大橋防撞護(hù)欄上方加裝不透光材質(zhì)的雙側(cè)聲屏障，設(shè)置范圍為河道內(nèi)橋梁。

　　2 方案比選

　　結(jié)合主橋跨徑、施工方法及斷面形式設(shè)計(jì)構(gòu)思，綜合考慮施工可行性、運(yùn)營管養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)性等因素，對橋梁方案進(jìn)行比選。

　　在約3.6km寬的黃河河道段該橋平均高度97.5m，最大高度110m。河道主橋跨徑主要考慮以下內(nèi)容：

　?、僖?guī)劃通航Ⅳ（3）級通航凈寬最小90m；

　?、诜篮橐笾骱硬劭卓绮粦?yīng)小于100m；

　?、鄣刭|(zhì)條件差、沖刷深度大，較大跨徑有利于減少基礎(chǔ)規(guī)模；

　?、艿卣饛?qiáng)度高、抗風(fēng)難度大，較小跨徑有利于抗震、抗風(fēng)。該橋初步擬定重點(diǎn)研究跨徑100～300m的橋梁方案。

　　施工方法的選擇對該橋方案擬定影響較大，尤其上部結(jié)構(gòu)施工方法關(guān)系到跨徑、橋型、材質(zhì)等設(shè)計(jì)。該橋橋位高、兩岸相距遠(yuǎn)、橋下不通航是限制施工方法選擇的主要因素。經(jīng)初步分析，懸臂現(xiàn)澆、懸臂拼裝和頂推法的可行性相對較高。

　　大橋高墩數(shù)量多，下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模占比大，整幅式斷面對減少下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模十分有效，橋梁斷面布置以整幅墩、整幅梁為優(yōu)先原則。

　　綜上研究，該橋可行的橋梁方案有等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋（方案1）、整幅式連續(xù)剛構(gòu)橋（方案2）、連續(xù)鋼桁梁橋（方案3）、工字鋼組合梁獨(dú)塔斜拉橋（方案4）。橋梁方案效果圖如圖1所示，橋梁方案綜合對比如表1所示。

　　圖1 橋梁方案效果圖

　　表1 橋梁方案綜合對比

　　由表1可知：4種方案的橋型均為技術(shù)成熟的橋型，橋梁長度基本相當(dāng)，各施工方法相對成熟。

　　方案2邊跨不滿足100m跨徑要求。

　　方案1～3對環(huán)境較友好，方案4對敏感區(qū)鳥類棲息、遷徙有一定影響，但景觀效果好。各方案工期均在可控范圍內(nèi)，方案2～4采用懸臂施工，工期較短；方案1頂推施工里程長，工期相對較長。

　　對比鋼結(jié)構(gòu)橋型的方案1、3、4，方案1的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于其它方案，且采用耐候鋼后期維護(hù)成本低，降低了橋梁運(yùn)營對環(huán)境的影響；

　　方案2較方案1突出的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、養(yǎng)護(hù)量少，主要缺點(diǎn)是邊中跨比小，跨徑布設(shè)協(xié)調(diào)性差、高空懸澆施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，質(zhì)量控制困難，下部基礎(chǔ)建安費(fèi)造價(jià)高，樁基承載效率低。

　　經(jīng)綜合比較，方案1具有材質(zhì)均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、易于工廠化制造、裝配化施工、便于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，且連續(xù)鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)材料利用率高，造價(jià)適中，同時(shí)滿足河道防洪、通航及環(huán)保要求，該橋最終采用方案1。

　　3 總體設(shè)計(jì)

　　該橋采用雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度100km/h，橋面全寬26m。

　　主橋?yàn)椋?12＋14×128）m＋（14×128＋120）m等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋（見圖2），共分2聯(lián)，最大聯(lián)長1912m；山西側(cè)引橋采用40×40m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，橋梁全長5427m。

　　主橋平面為直線，縱向?yàn)?.3％的單坡。橋面橫坡為雙向2％，設(shè)計(jì)洪水頻率1/300。

　　圖2 臨猗黃河大橋總體布置

　　3.1 主梁

　　主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁，橋面全寬26m，鋼梁底板寬11.2m（含定位點(diǎn)外伸10cm）、中心高6m，通過設(shè)置外挑橫梁和方鋼斜撐，輔助橋面板實(shí)現(xiàn)7.5m大懸臂。

　　鋼梁采用Q420qDNH免涂裝耐候鋼，標(biāo)準(zhǔn)梁段頂板寬11.6m，中支點(diǎn)梁段頂板寬12.6m，頂板厚16～60mm，腹板厚24～48mm，底板寬11.2m、板厚20～60mm。

　　頂板加勁肋形式按照受力大小分區(qū)段設(shè)置U肋、U肋間插板肋、密布板肋3種形式；底板肋形式按照受力大小分區(qū)段設(shè)置U肋、板肋2種形式；腹板布置4道T形縱向肋。

　　除支點(diǎn)斷面采用實(shí)腹式隔板外，其余均采用桁式隔板。

　　中支點(diǎn)兩側(cè)20m范圍內(nèi)，在鋼梁底板上澆筑40～60cm厚C50微膨脹混凝土，通過底板縱向加勁肋開孔連接形成“雙結(jié)合”構(gòu)造，充分發(fā)揮混凝土的抗壓優(yōu)勢。

　　底板混凝土作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接參與受力，有效降低鋼箱梁底板壓應(yīng)力，減小鋼板厚度；對底板進(jìn)行局部約束，提高鋼箱梁局部抗屈曲能力。

　　梁底板縱向加勁肋開孔穿入橫向鋼筋，形成剪力鍵，同時(shí)在底板和腹板相應(yīng)位置焊剪力釘，保證混凝土與鋼梁底板間的連接性能。

　　混凝土橋面板厚28cm，采用C50混凝土，設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力以改善橫向受力。橫向兩側(cè)外懸臂部分為預(yù)制板，中間范圍內(nèi)為現(xiàn)澆板?；炷翗蛎姘迮c鋼梁之間通過布置于鋼梁頂面的圓柱頭焊釘連接。

　　主梁典型橫斷面如圖3所示。

　　圖3 主梁典型橫斷面

　　3.2 下部結(jié)構(gòu)及支撐體系

　　橋墩采用矩形變截面空心薄壁墩，墩高53～99m，墩頂設(shè)置2.5m的實(shí)心段。為便于檢查車通過，墩頂設(shè)置2m深槽口，槽口頂寬3.6m、底寬2m。

　　結(jié)合景觀效果及合理受力需求，橋墩下段采用變截面形式，距墩頂9m處開始縱、橫向坡率均為50:1；中段6.5m高度范圍內(nèi)截面尺寸采用直線漸變。墩身迎水面設(shè)置破冰體。

　　承臺(tái)為矩形整體式結(jié)構(gòu)，厚5m，下設(shè)24根φ2m鉆孔灌注樁，最大樁長92m。為防止黃河泥沙沖刷樁基，在樁頂20m長度范圍設(shè)永久性鋼護(hù)筒。

　　主橋采用摩擦擺式減隔震支座，墩頂布置2個(gè)支座，每聯(lián)中間4個(gè)橋墩設(shè)置固定支座，其余均為縱向滑動(dòng)支座，位移量同時(shí)滿足運(yùn)營狀態(tài)和地震2種工況的需求。利用摩擦擺減隔震支座大幅降低下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的地震效應(yīng)，減小了下部結(jié)構(gòu)尤其是基礎(chǔ)工程量。

　　4 主橋結(jié)構(gòu)性能分析4.1靜力性能

　　為全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的靜力性能，檢算結(jié)構(gòu)在施工、運(yùn)營過程中的整體安全性，采用MIDASCivil和FEA軟件建立全橋空間有限元模型。全橋結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，組合梁截面采用雙梁模型分別模擬混凝土板和鋼箱梁。樁底采用固結(jié)約束，墩梁支座位置采用自由度耦合并釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度模擬，橋臺(tái)位置僅約束豎向以及面外轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度。為簡化計(jì)算，整體計(jì)算建立兩聯(lián)模型。

　　由計(jì)算結(jié)果可知：

　?。?）考慮支點(diǎn)剪力滯效應(yīng)，鋼梁上翼緣最大拉應(yīng)力259.7MPa（支點(diǎn)位置）、最大壓應(yīng)力233.8MPa（邊跨跨中）；下翼緣最大拉應(yīng)力212.3MPa（邊跨跨中）、最大壓應(yīng)力274.7MPa（支點(diǎn)位置），應(yīng)力指標(biāo)均小于Q420qDNH抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305MPa，鋼梁承載力滿足規(guī)范要求。

　?。?）車道荷載引起最大撓度在128m邊跨跨中位置，最大撓度值為0.049m，小于規(guī)范規(guī)定限值128m/500＝0.256m。

　?。?）鋼梁翼緣采用疲勞荷載模型Ⅰ進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，最大疲勞應(yīng)力幅12MPa，小于規(guī)范考慮抗力分項(xiàng)系數(shù)折減應(yīng)力幅38.2MPa；桁架式橫隔板撐桿采用疲勞荷載模型Ⅲ對撐桿位置進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，最大疲勞應(yīng)力幅15.63MPa，小于規(guī)范折減應(yīng)力幅44.4MPa（疲勞細(xì)節(jié)類別選擇70MPa作為鋼箱梁疲勞等級）。

　?。?）頂推施工過程中，考慮剪力滯效應(yīng)折減系數(shù)和局部穩(wěn)定折減，鋼梁上緣最大應(yīng)力104MPa、下緣最大應(yīng)力98.3MPa，均小于規(guī)范限值0.8fd＝244MPa（fd為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）；頂推施工過程中，鋼箱梁腹板穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1，腹板穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

　?。?）基本組合下，橋面板順橋向最大組合應(yīng)力10.71MPa，小于C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值22.4MPa；橫橋向最大彎矩值52.41kN·m，小于橫向配筋截面承載力313.55kN·m，橋面板承載力滿足規(guī)范要求。

　　橋面板最大裂縫寬度0.152mm，小于規(guī)范限值0.2mm?；炷翗蛎姘鍣M向按A類構(gòu)件驗(yàn)算，頻遇組合下橋面板橫向最大應(yīng)力－0.617MPa［見圖4（a）］，小于規(guī)范限值0.7ftk＝1.855MPa（ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），橋面板主拉應(yīng)力－1.267MPa［見圖4（b）］，小于規(guī)范限值0.5ftk＝1.325MPa；準(zhǔn)永久組合下橋面板橫向最大應(yīng)力－1.068MPa，小于規(guī)范限值0。

　　圖4 橋面板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

　　4.2抗風(fēng)性能

　　利用風(fēng)觀測實(shí)測數(shù)據(jù)，采用CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對主橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)如圖5所示。

　　圖5 主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

　　主梁斷面節(jié)段模型測振試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

　　表2 主梁斷面節(jié)段模型測振試驗(yàn)結(jié)果

　　由表2可知：主梁在風(fēng)攻角分別為0°、±3°時(shí)，成橋狀態(tài)組合梁斷面顫振臨界風(fēng)速大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速69.6m/s，施工狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速61.2m/s，顫振穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。成橋狀態(tài)主梁振動(dòng)位移響應(yīng)如圖6所示。

　　圖6 成橋狀態(tài)主梁振動(dòng)位移響應(yīng)

　　由圖6可知：當(dāng)風(fēng)攻角分別為0°、±3°時(shí)，在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，主梁斷面成橋狀態(tài)未觀測到明顯的馳振現(xiàn)象，主梁斷面馳振穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，主梁斷面施工狀態(tài)未觀測到明顯的馳振現(xiàn)象。

　　4.3 抗震性能

　　按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T2231－01—2020）關(guān)于規(guī)則橋梁的定義，該橋不在限定范圍內(nèi)，屬于非規(guī)則橋梁，設(shè)置了減隔震支座。

　　考慮地基土液化和沖刷影響，地震動(dòng)輸入基準(zhǔn)面為河床面下20m處。采用非線性時(shí)程分析法對大橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。

　　結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)地震作用下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻合理，振動(dòng)模態(tài)符合橋梁基本振動(dòng)形態(tài)；順橋向地震＋豎向地震與橫橋向地震＋豎向地震兩種工況下，墩柱、樁基處于完全彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力滿足抗震性能目標(biāo)要求。

　　5 頂推施工方案

　　鋼梁采用步履式頂推工藝，無臨時(shí)墩輔助。

　　在山西、陜西側(cè)各設(shè)置1座鋼梁拼裝場，單元件運(yùn)輸至現(xiàn)場后，使用龍門吊機(jī)吊至頂推平臺(tái)進(jìn)行拼裝定位、梁段接長施工。

　　在山西、陜西側(cè)各設(shè)置1處頂推平臺(tái)，山西側(cè)頂推平臺(tái)位于引橋段37～40號墩位置，平臺(tái)長109m；陜西側(cè)頂推平臺(tái)位于主橋69號墩與合銅高速路基之間，平臺(tái)長137m。

　　鋼梁拼裝至一定長度，加裝導(dǎo)梁和吊索塔架對向頂推，第1聯(lián)頂推長度為1904m，第2聯(lián)頂推長度為1912m。

　　在55號墩處設(shè)置導(dǎo)梁拆除支架，鋼梁頂推到位后利用塔吊進(jìn)行導(dǎo)梁拆除。鋼梁頂推到位后，落梁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，澆筑中支點(diǎn)底板混凝土，架設(shè)預(yù)制橋面板。現(xiàn)澆橋面板先澆筑正彎矩區(qū)域，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再澆筑負(fù)彎矩區(qū)域。主梁頂推施工布置如圖7所示。

　　圖7 主梁頂推施工布置

　　6 結(jié)語

　　針對強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)沖刷、不良地質(zhì)、強(qiáng)震等多種不利建設(shè)條件，臨猗黃河大橋采用大跨長挑臂閉口鋼箱組合梁，利用受壓斜撐支撐橋面板以減少鋼箱梁腹板數(shù)量，提高了鋼材利用率；中支點(diǎn)兩側(cè)底板澆筑混凝土形成“雙結(jié)合”構(gòu)造，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與受力，有效降低了底板壓應(yīng)力。主橋結(jié)構(gòu)靜力性能、抗震性能、抗風(fēng)性能均滿足要求。

　　本文轉(zhuǎn)自《世界橋梁》——臨猗黃河大橋總體設(shè)計(jì)，作者韓鋒，楊華