哇加灘黃河特大橋選型與設(shè)計(jì)研究

任　蒙，黃古劍，彭元誠(chéng)

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北　武漢　430056)

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哇加灘黃河特大橋選型與設(shè)計(jì)研究

任蒙，黃古劍，彭元誠(chéng)

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430056)

文章針對(duì)哇加灘黃河大橋所在橋位處交通運(yùn)輸不便、水深較大的特點(diǎn)，提出主跨560 m斜拉橋與主跨200 m剛構(gòu)-連續(xù)梁兩種橋型方案并進(jìn)行比選分析，確定采用主跨560 m的雙塔雙索面開口截面組合梁斜拉橋方案，同時(shí)針對(duì)組合梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題，對(duì)組合梁截面進(jìn)行優(yōu)化，為山區(qū)等交通不便地區(qū)的橋梁建設(shè)提供借鑒。

深水基礎(chǔ)；斜拉橋；開口截面組合梁；疲勞強(qiáng)度；抗風(fēng)抗震

0　引言

隨著中國(guó)西部高速公路的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多在交通運(yùn)輸能力較差區(qū)域修建大跨度橋梁的情況；針對(duì)交通運(yùn)輸不便的情況，以往橋梁建設(shè)多采用混凝土橋、鋼桁梁橋等橋型，通過小批量、小構(gòu)件運(yùn)輸來解決交通不便問題。開口截面組合梁斜拉橋以其制造簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便、經(jīng)濟(jì)性較好的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合背景工程處地形地貌特點(diǎn)，研究了開口截面組合梁斜拉橋方案在交通不便區(qū)域的適用性，同時(shí)針對(duì)組合梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題，對(duì)組合梁截面進(jìn)行優(yōu)化，為推廣開口截面組合梁斜拉橋技術(shù)在西部山區(qū)等交通不便地區(qū)橋梁建設(shè)中的應(yīng)用提供借鑒。

1　工程背景

哇加灘黃河特大橋是青海省牙什尕至同仁高速公路跨越黃河的控制性工程，與京藏、連霍兩條國(guó)家高速相接，是青海省高速公路網(wǎng)“三縱、四橫、十聯(lián)”中的縱線之一。橋址位于青海省東部的黃南藏族自治州的化隆哇加灘。橋址區(qū)為構(gòu)造剝蝕中山地貌，沿山麓坡腳展布，跨越黃河，地形高程一般為2 002.0～2 150.8 m，最大地形相對(duì)高差約49.2 m，地形起伏較大，牙什尕岸(黃河左岸)坡度較緩，隆務(wù)峽岸(黃河右岸)處地勢(shì)稍陡，自然坡度約20°～65°，植被稍發(fā)育。黃河左岸通省道S203，路寬8.5 m，交通條件一般；黃河右岸為隆務(wù)峽，無公路存在，交通條件較差。

大橋所在河段，屬于公伯峽水電站水庫庫區(qū)，壩址處多年平均流量為717 m3/s，航道等級(jí)為Ⅵ級(jí)，雙向通航寬度為60 m。大橋在水電站攔河大壩上游約18.5 km跨越黃河，橋位跨河斷面為典型“U”字型，常水位下，水面寬度約620 m，最大水深48～50 m。牙什尕至同仁高速公路設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，汽車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，雙向四車道，整體式路基寬24.5 m。橋址區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，Ⅶ度區(qū)，第三組，屬地震活動(dòng)基本穩(wěn)定區(qū)，但場(chǎng)地屬于抗震不利地段。受西北氣流影響，區(qū)內(nèi)冬春季多風(fēng)，春季為最；風(fēng)向以西風(fēng)為主，最大風(fēng)速達(dá)19.7 m/s，設(shè)計(jì)風(fēng)速按照28.6 m/s控制。

2　方案比選

依據(jù)橋址處地形地貌、地質(zhì)等因素，針對(duì)哇加灘黃河特大橋橋址處交通不便，難以進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)輸，以及庫區(qū)黃河水深較大，深水基礎(chǔ)施工難度較大的特點(diǎn)，提出兩種跨度方案進(jìn)行比選研究：方案一采用主跨560 m斜拉橋方案，基礎(chǔ)避開深水區(qū)；方案二采用主跨200 m連續(xù)梁方案，盡管基礎(chǔ)在深水區(qū)，但200 m為連續(xù)剛構(gòu)及連續(xù)梁最有競(jìng)爭(zhēng)力跨徑。本文針對(duì)這兩種跨徑適用的橋型和方案，進(jìn)行了深入研究和比選。

2.1主跨560 m斜拉橋方案

橋位處水面寬620 m左右，河底地勢(shì)較為平坦。從避開深水基礎(chǔ)來說，主跨采用600 m左右最為合適，但考慮到路線起終點(diǎn)銜接隧道與互通，平面線形受限制較多，經(jīng)多種主跨比較，采用560 m主跨；避開了深水基礎(chǔ)，主塔處最大水深≤10.0 m，通過圍堰法或筑島法施工基本不存在難度。

相較于懸索橋，主跨在500～1 000 m之間，斜拉橋經(jīng)濟(jì)性更好。目前，國(guó)內(nèi)最大跨徑混凝土斜拉橋已達(dá)480 m，但隨著鋼材技術(shù)的成熟和發(fā)展，對(duì)于400 m以上斜拉橋國(guó)內(nèi)主流采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)斜拉橋。由于橋址現(xiàn)場(chǎng)缺乏合適的水運(yùn)和陸運(yùn)條件，鋼箱加勁梁無法運(yùn)輸；現(xiàn)場(chǎng)必須采用小構(gòu)件進(jìn)行拼裝。目前，為方便運(yùn)輸，山區(qū)斜拉橋主要采用鋼桁梁斜拉橋；如新疆果子溝大橋、貴州鴨翅河大橋等?？紤]到鋼桁梁斜拉橋桿件較多，現(xiàn)場(chǎng)工作量同樣較大，推薦采用開口截面組合梁斜拉橋，構(gòu)造簡(jiǎn)單，同時(shí)相較于鋼桁梁，構(gòu)件數(shù)量減少，運(yùn)輸更便利。橋塔處水深約10.0 m，上覆土層約30.0 m，主要為角礫、細(xì)砂及卵石；下伏基巖為板巖、砂巖及構(gòu)造角礫巖，中風(fēng)化板巖及砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)20 MPa以上，主塔基礎(chǔ)采用12根φ2.8m的嵌巖端承樁群樁基礎(chǔ)，樁底進(jìn)入中風(fēng)化巖層。

經(jīng)綜合比選，斜拉橋跨徑組成為(104+116+560+116+104)m，橋型布置圖見圖1。該方案主要優(yōu)點(diǎn)是避免了深水基礎(chǔ)，同時(shí)開口截面組合梁構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于運(yùn)輸。

圖1　哇加灘黃河特大橋-斜拉橋方案橋型布置圖(單位：m)

2.2主跨200 m剛構(gòu)-連續(xù)梁方案

采用了多個(gè)主跨方案(120m、150、180、200m)進(jìn)行深入對(duì)比，從控制深水基礎(chǔ)數(shù)量方面考慮，最終主橋采用(110+3×200+110)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)-連續(xù)梁組合方案，全長(zhǎng)820m，橋型布置圖見下頁圖2。其中兩中墩與主梁固結(jié)，兩次中墩釋放；所有墩柱均采用群樁基礎(chǔ)，主墩基礎(chǔ)為2個(gè)40m左右水深基礎(chǔ)，邊墩釋放墩所在位置水深10.0m以下，墩柱樁基采用填土筑島法或鋼板樁圍堰法施工。

圖2　哇加灘黃河特大橋-連續(xù)梁方案橋型布置圖(單位：m)

根據(jù)橋位水文情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，本橋深水主墩大直徑鉆孔樁采用浮式平臺(tái)+浮吊方案施工；通過浮式平臺(tái)完成鋼護(hù)筒施工后，以鋼護(hù)筒為基礎(chǔ)形成穩(wěn)定的施工平臺(tái)。大體積承臺(tái)采用鋼吊箱圍堰施工；鋼吊箱圍堰采用工廠加工，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)在墩位平臺(tái)上拼裝，吊機(jī)下沉，水下混凝土封底；最終完成承臺(tái)大體積混凝土澆筑。本工程深水施工，共投入浮式平臺(tái)、圍堰、浮吊、塔吊、浮橋等大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)及設(shè)備，工藝復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

該方案主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)造型簡(jiǎn)單；主要不足是存在深水基礎(chǔ)施工、大噸位支座運(yùn)輸及安裝較為困難。

2.3方案比選及小結(jié)

兩種方案在技術(shù)和施工方面均是成熟可行的；基于工程經(jīng)濟(jì)性、施工風(fēng)險(xiǎn)性以及景觀效果進(jìn)行了深入比選。

兩個(gè)方案的建設(shè)規(guī)模非常接近，斜拉橋方案全橋長(zhǎng)1 741m，剛構(gòu)-連續(xù)梁方案全橋總長(zhǎng)1 735m。剛構(gòu)連續(xù)梁方案，主體為混凝土結(jié)構(gòu)，后期維修主要體現(xiàn)為大噸位支座的更換；斜拉橋方案鋼主梁、斜拉索、索塔鋼錨梁等不僅需要日常防腐維護(hù)，同時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件的更換，斜拉橋方案造價(jià)略高。

斜拉橋方案最大墩高39.5m，最大塔高193.6m。由于斜拉橋高墩塔施工控制技術(shù)的日益成熟，其施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。兩岸塔墩均位于岸邊，存在部分水下基礎(chǔ)，最大水深7m左右，采用鋼板樁圍堰施工?？傮w來說，該方案施工難度主要體現(xiàn)在組合梁鋼梁、預(yù)制橋面板的制作、安裝上，整體難度可控。施工工期為34個(gè)月。

剛構(gòu)-連續(xù)梁橋方案最大墩高37m，20m以上水深基礎(chǔ)2個(gè)，最大水深48.9m。由于連續(xù)剛構(gòu)及連續(xù)梁雙懸臂澆筑施工工藝在中國(guó)的廣泛使用，其施工風(fēng)險(xiǎn)可控。本方案的最大難點(diǎn)在深水基礎(chǔ)的施工，施工花費(fèi)昂貴、施工時(shí)間長(zhǎng)、不可控因素多。另一大難點(diǎn)是大跨連續(xù)梁懸澆時(shí)墩梁需要固結(jié)，大噸位支座的運(yùn)輸、安裝均較為復(fù)雜?？傮w來說，該方案施工難度主要體現(xiàn)在深水基礎(chǔ)的施工上，整體難度大、不可預(yù)見因素多。施工工期為36個(gè)月。

剛構(gòu)-連續(xù)梁橋方案造型簡(jiǎn)潔，與橋位地形、地貌配合基本協(xié)調(diào)，但橋面到水面高度僅40多米左右，梁高12.5m，墩高35.0m，梁高與墩高比例不協(xié)調(diào)，景觀效果一般。斜拉橋方案橋塔挺拔而不失秀美，同時(shí)梁體纖細(xì)，具有獨(dú)特的視覺效果，景觀效果好。

綜合比較，兩個(gè)跨度方案的建設(shè)規(guī)模相當(dāng)；連續(xù)剛構(gòu)-連續(xù)梁方案經(jīng)濟(jì)性稍優(yōu)，但剛構(gòu)-連續(xù)梁方案存在深水基礎(chǔ)，施工難度巨大，不確定因素多，施工費(fèi)用不可控，同時(shí)景觀效果一般，后期易出現(xiàn)跨中下?lián)?；考慮到該項(xiàng)目的實(shí)際情況及工程的經(jīng)濟(jì)性，推薦560m跨斜拉橋方案作為哇加灘黃河特大橋建設(shè)方案。

3　方案設(shè)計(jì)

比選后，青海哇家灘黃河特大橋采用(104+116+560+116+104)m雙塔雙索面組合梁斜拉橋。主塔采用H型，平行索面結(jié)構(gòu)，索梁錨固采用錨拉板、索塔錨固采用鋼錨梁結(jié)構(gòu)。

考慮到本橋邊中跨比較低，為避免運(yùn)營(yíng)過程中邊跨橋墩處支座脫空的情況，邊中跨組合梁混凝土橋面板采用不同厚度；即中跨組合梁橋面板取28cm，邊跨梁端120m范圍內(nèi)采用60cm；同時(shí)對(duì)輔助墩和過渡墩處梁端進(jìn)行局部永久壓重。

3.1組合梁加勁梁設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的斜拉橋加勁組合梁，鋼梁部分一般由雙邊主梁、橫梁、小縱梁及檢修道或人行道挑梁組成；本項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)于平行索面、工字鋼截面邊主梁，索梁錨固采用錨拉板結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便?？紤]到索梁錨固部位疲勞應(yīng)力較大，疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)非常重要。工字形鋼板梁頂板與錨拉板之間連接一般采用T字形或十字形全熔透對(duì)接焊縫；根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，十字形和T字形接頭，全熔透對(duì)接焊縫的焊趾，在斜拉橋錨拉板處對(duì)應(yīng)于2.0×106次常幅疲勞循環(huán)的疲勞正應(yīng)力強(qiáng)度僅為40～50MPa[4]，疲勞應(yīng)力強(qiáng)度較低，為全橋的薄弱環(huán)節(jié)。為提高錨拉板與主梁連接處的焊縫疲勞強(qiáng)度，本橋?qū)呏髁汗ぷ咒撨M(jìn)行了一定的優(yōu)化，形成了上字形邊主梁。即工字鋼腹板延伸，連續(xù)通過工字鋼頂板，直接與錨拉板采用全熔透對(duì)接焊縫連接；腹板高度方向上，邊主梁腹板與頂板的對(duì)接焊縫接頭避開腹板與錨拉板的T字形焊接接頭；頂板在邊主梁腹板外側(cè)部分取消；形成的上字形邊主梁見圖3。采用全熔透對(duì)接焊縫，且焊縫沿錨拉板受力方向打磨平齊后，錨拉板與腹板的橫向?qū)雍缚p，其疲勞細(xì)節(jié)類別可達(dá)110[4]，疲勞強(qiáng)度大幅提高。

優(yōu)化后，加勁主梁采用雙邊“上”字形鋼主梁結(jié)合混凝土橋面板的整體斷面，邊主梁橫向中心距26m，橋梁全寬28m，路線中心線處梁高3.76m，邊主梁中心線處梁高3.5m。鋼梁主體采用Q390E，檢修道等輔助設(shè)施采用Q345E，橋面板采用C60高性能混凝土。

標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)度12.0m，最大吊裝重量43.4t；輔助跨標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)度8.0m，最大吊裝重量29.1t。12.0m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由二根上字形邊主梁、3根間距4.0m的工字形鋼橫梁、3根工字型小縱梁組成平面框架，平面鋼框架邊主梁、橫梁、小縱梁之間在現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓連接；鋼框架與預(yù)制橋面板及現(xiàn)澆混凝土濕接縫通過剪力釘連接組成組合梁體系，共同受力。

3.2塔墩及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主塔采用“H”形主塔，下塔肢向內(nèi)收攏，采用整體式承臺(tái)群樁基礎(chǔ)，單個(gè)主塔基礎(chǔ)共24根鉆孔樁，樁徑2.8m，為與橋塔景觀效果一致，輔助墩與過渡墩均采用門式墩。

索塔錨固采用鋼錨梁形式，鋼錨梁支承在鋼牛腿上，鋼牛腿與混凝土塔壁之間通過剪力栓釘連接。鋼錨梁與鋼牛腿采用Q345E鋼材；索塔錨固區(qū)主塔采用U型預(yù)應(yīng)力鋼束加固。

圖3　哇加灘黃河特大橋橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：cm)

3.3動(dòng)力設(shè)計(jì)

哇家灣黃河特大橋采用半漂浮體系，過渡墩、輔助墩處均采用縱向滑動(dòng)，橫向約束的球鋼支座；塔梁交界處豎向支承采用縱橫向皆可滑動(dòng)的球鋼支座，橫向約束采用橫向抗風(fēng)盆式橡膠支座；橋塔與輔助墩處各設(shè)置2套阻尼裝置。

縱向漂浮體系，屬于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)抗震有利；阻尼器約束了罕遇地震下的梁體位移，能夠確保罕遇地震(E2地震)作用下，橋梁不經(jīng)修復(fù)或經(jīng)簡(jiǎn)單修復(fù)即可正常使用。

開口式組合梁構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工便利，但梁體本身扭轉(zhuǎn)剛度較小，同時(shí)H形索塔和平行索面提供的結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度較小，抗風(fēng)不利。風(fēng)洞試驗(yàn)證明[2]，不采取氣動(dòng)措施的情況下，大橋臨界顫振風(fēng)速>60m/s，即大橋不會(huì)發(fā)生顫振等發(fā)散性自激振動(dòng)；但可能出現(xiàn)渦激共振等限幅振動(dòng)；采用封閉欄桿、減小結(jié)構(gòu)寬高比以及加設(shè)中央穩(wěn)定板等氣動(dòng)措施，可有效改善抗風(fēng)性能。

每個(gè)主塔布置22對(duì)斜拉索，所有斜拉索兩端在斜拉索套筒內(nèi)均設(shè)置內(nèi)置減振橡膠塊。采用外置機(jī)械阻尼器和PE護(hù)套表面設(shè)置雙螺旋線的氣動(dòng)減振措施來抑制風(fēng)雨激振。

4　結(jié)語

哇加灘黃河特大橋作為青海跨越黃河的一座橋梁，針對(duì)橋址處地形條件和交通不便因素，比選了大跨斜拉橋方案和連續(xù)剛構(gòu)-連續(xù)梁方案，盡管兩種方案均具有可行性，考慮到連續(xù)鋼構(gòu)方案涉及到兩個(gè)40m深的水下深基礎(chǔ)，工藝復(fù)雜，投入設(shè)備量較大，同時(shí)梁高與墩高比例不協(xié)調(diào)，景觀效果較差，推薦采用開口截面組合梁斜拉橋方案。

哇家灘黃河特大橋索梁錨固采用錨拉板結(jié)構(gòu)，錨拉板焊縫處疲勞應(yīng)力幅較大，疲勞設(shè)計(jì)非常重要。設(shè)計(jì)采用延伸加勁梁邊主梁，腹板與錨拉板直接采用全熔透對(duì)接焊縫連接，避開邊主梁頂板與腹板的焊接接頭方法，形成了上字形邊主梁，提高了錨拉板焊縫的

[1]黃古劍，鄧淑飛，等.青海哇家灘黃河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].公路交通科技應(yīng)用技術(shù)版，2016，133(1)：229-231.

[2]李加武，等.哇加灘黃河特大橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)及抗風(fēng)性能報(bào)告[R].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

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Study on the Type Selection and Design of Wajiatan Yellow River Bridge

REN Meng，HUANG Gu-jian，PENG Yuan-cheng

(CCCC Second Highway Consultant Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei，430056)

Aiming at characteristics that Wajiatan Yellow River Bridge is located at the place with transportation inconvenience and greater water depth，this article compared and analyzed two bridge schemes of main-span 560m cable-stayed bridge and main-span 200m rigid-continuous beam，and determined the selection of main-span 560m dual-tower double-cable open cross-section composite beam stayed-cable bridge scheme，then regarding the steel structure fatigue problem of composite beams，it optimized the section of composite beams，thereby providing the reference for the bridge construction in mountainous area and other inaccessible areas.

Deep-water foundation；Cable-stayed bridge；Open cross-section composite beam；Fatigue strength；Wind and seismic resistance

U442.5+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.015

1673-4874(2016)08-0056-04

2016-06-05

任蒙(1984—)，碩士研究生，工程師，研究方向：大跨橋梁設(shè)計(jì)及抗震抗風(fēng)研究；

黃古劍(1979—)，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：大跨橋梁設(shè)計(jì)；

彭元誠(chéng)(1964—)，博士研究生，教授級(jí)高工，研究方向：大跨橋梁設(shè)計(jì)。