晋蒙黄河特大桥总体设计

韩 锋

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 项目概况

晋蒙黄河特大桥位于山西省河曲县和内蒙古自治区准格尔旗之间黄河干流上，是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”第三横（灵丘—河曲）的重要组成部分。采用双向六车道技术标准建设，大桥全长2 133 m，主跨为152 m PC连续梁-连续刚构组合体系桥。大桥由主桥及两侧引桥组成。

大桥总体布置由山西岸至内蒙岸：8×50 m先简支后连续T梁＋（82.68＋4×152＋82.8）m＋（82.8+3×152+82.72）m PC连续梁-连续刚构组合体系+11×30 m先简支后连续T梁。

桥梁设计主要技术标准如下：

a）设计速度 80 km/h；

b）路基宽度 32 m；

c）荷载等级 公路-Ⅰ级；

d）设计洪水频率 特大桥1/300；

e）设计基本风速 32.7 m/s；

f）地震烈度 Ⅵ度地震区，采用Ⅶ度抗震措施。

2 分孔原则与桥型方案选择

2.1 主桥

从地形、地质和气象水文等条件出发，根据实际需要，主桥桥孔布置满足通航规划与净空要求，按照适孔布置原则即可，经综合技术经济比较，主桥采用（82.68＋4×152＋82.8）m＋（82.8+3×152+82.72）m 两联连续-刚构桥设计方案。主桥桥型总体布置图如图1所示。

图1 桥型总体布置图（单位：cm）

2.2 引桥

引桥长度占全桥桥梁总长的20%，考虑到桥梁跨越S249、明长城遗址以及纳榆线等，设计分孔研究时对山西岸桥孔选取50 m的跨径，内蒙岸选取30 m跨径。从施工常规和施工简便的要求考虑，上部构造采用梁式体系，初步设计阶段进行了预制T梁与移动模架现浇箱梁方案比较。考虑到T梁吊装重量较同等跨径箱梁小、施工便利，同时考虑到山西侧引桥所跨越的省道S249无改线空间，且山西侧岸坡地形较陡，应尽量减少在陡坡布置桥墩个数，减少下部承台基础挖方量，避免对自然环境的过多破坏，降低施工难度和安全风险，因此山西侧引桥采用50 m T梁；而内蒙侧引桥所处地势平坦，桥高基本在30 m以下，采用30 m T梁。

3 桥梁主要结构设计及技术特点

3.1 主桥

主桥平面位于直线段，纵断面位于凸形竖曲线上，最大桥高51.5 m。桥面全宽32 m，采用分幅设置，单幅主梁截面形式为单箱单室，顶板宽15.75 m（含两侧各10 cm后浇带），底板宽8 m，翼缘板悬臂长为3.875 m。墩顶0号块梁高9.5 m，跨中合拢段梁高3.4 m，主梁根部至跨中合拢段梁高按1.7次抛物线变化。悬浇梁段顶板厚度32 cm，底板厚度32～90 cm，腹板厚度 50～70 cm，0号块顶板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。箱梁顶设2%横坡，梁底保持水平，两侧腹板不等高。主梁采用悬浇法施工，最大悬臂长75 m，合拢段长2 m，边跨现浇段长5.3 m，主梁边中跨比为0.541 4。主桥典型横断面如图2所示。

图2 主桥典型横断面（单位：mm）

主梁采用C55混凝土，三向预应力体系。纵向预应力钢束型号：顶板束、腹板束、边跨合拢束为23φs15.2，其中 2号梁段顶板束 T2及 T2’为19φs15.2；边跨底板束为21φs15.2；中跨合拢束为19φs15.2。

主桥桥墩均采用矩形空心墩形式。连续墩纵桥向宽度5 m，横桥向宽度10 m；刚构墩纵桥向宽度4 m，横桥向宽度8 m；最大墩高43.5 m，为分联墩。

桥址处地基土以薄层互层状砂岩与泥岩组成，以交错层发育为特征，强度较低，属极软岩，且变异性较大。根据项目特点：跨径大、高度大，对地基强度及变形要求高的特点，基础采用有效桩径为2 m的钻孔灌注群桩基础，按摩擦桩设计，桩长56～60 m。为防止黄河泥沙冲刷桩基，河道中主墩在桩顶15 m长度范围设永久性钢护筒。交界墩、分联墩采用分离式承台，承台厚度3 m，接6根直径2 m的钻孔灌注桩。连续墩、刚构墩采用整体式承台，承台厚度5 m，接24根直径2 m的钻孔灌注桩。主桥桥墩断面如图3所示。

本桥为连续梁和刚构混合体系，墩高及约束形式的不对称使得各跨受力差异较大。由于刚构墩截面尺寸较小，承载力不足以抵抗地震力；同时，连续墩的承载力没有得到利用。为克服上述缺点，在连续墩墩顶设速度锁定装置，地震来临时，连续墩被锁定，参与地震力分配。由于连续墩刚度大，分担了较多的地震力，连续墩的承载力得以发挥；刚构墩弯矩减小，安全储备提高。为了使地震作用分布更为合理，除18号墩外（最矮墩），其余连续墩（9号、12号、13号、15号墩）均设置速度锁定器。

图3 主桥桥墩断面（单位：cm）

图4 速度锁定器布置及构造图

3.2 引桥

引桥上部结构为先简支后连续预应力混凝土T梁，单幅桥宽15.75 m，横向7片梁通过湿接缝连接为整体。50 m T梁高2.8 m，下部采用圆柱式墩、矩形墩、矩形空心墩，最大墩高42 m；30 m T梁高2.0 m，下部采用圆柱式墩，最大墩高26.2 m。

3.3 主要设计特点

与同类桥梁相比，本桥在设计中处于较为领先地位，其主要特点体现在以下几个方面[1-2]：

a）基于黄河特定环境的防护需要，主桥桥墩均考虑破冰体防护，结构采用高标号混凝土。

b）基于本桥较大承载能力要求与地质条件较差的现状，主墩设计采用大直径、长桩基、大承台设计。

c）河道中主墩桩顶以下15 m设置2 200×16 mm钢管兼做钢护筒以防止泥沙冲刷。

d）主桥连续墩设速度锁定器，纵向地震荷载作用下所有主墩均参与地震力分配，使纵向地震力不控制下部结构设计。

e）主墩承台采用整体式，在横桥向风载荷和横桥向地震荷载作用下较分离式承台方案基础工程规模明显减少。

4 主桥结构计算分析

4.1 静力分析

主桥上部按全预应力混凝土构件设计，三向预应力体系，采用MIDAS 2010有限元程序考虑多种工况组合进行计算与校核，进行了成桥状态下恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移、风荷载、温度变化等作用的计算[3]，计算结果均满足规范要求，结果详见表1、表2所示。

表1 主桥第一联主梁主要验算指标表 MPa

表2 主桥第二联主梁主要验算指标表 MPa

4.2 动力分析

对于主跨大于150 m的特大桥，抗震设防类别采用A类，抗震设防目标是E1地震作用下不受损伤，E2地震作用下可发生局部轻微损伤经简单修复可继续使用。地震作用下主桥主要受力构件不可采用延性设计，不允许出现塑性铰[4-5]。

结构动力分析按《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）分别按反应谱理论和时程分析进行抗震计算，将桥梁上、下部及基础作为空间整体结构，用MIDAS系列软件进行反应谱及时程分析，分析结果取其中最大值。速度锁定器采用纵向刚性连杆模拟，桩土作用采用六自由度弹簧模拟，地基比例系数m取300 000 kN/m4。主桥为直线桥，地震荷载顺桥向和横桥向地震作用分别考虑。

表3 恒载+顺向地震作用下第一联墩底截面内力对比

从表3可直观看出，不设置锁定器时，地震力主要由两个刚构墩承担。由于刚构墩截面尺寸较小，承载力不足以抵抗地震力；同时，连续墩的承载力没有得到利用。若在连续墩墩顶设速度锁定装置，地震来临时，连续墩被锁定，参与地震力分配。由于连续墩刚度大，分担了较多的地震力，连续墩的承载力得以发挥；刚构墩弯矩减小，安全储备提高。

表4 顺向地震作用下第二联墩底截面弯矩对比 kN·m

从表4可以看出，在地震作用下，第二联与第一联有着相似的弯矩分布。不同之处在于第二联18号墩较矮，抗推刚度大，因而承担了更多的地震力。若取消18号墩速度锁定器，该墩弯矩明显减小，而其余各主墩弯矩略有增加。

5 结语

晋蒙黄河特大桥建设条件复杂、技术难度大、设计工作涉及方面多、协调任务重、周期短、任务艰巨。主桥采用大跨长联连续-刚构组合梁桥具有行车条件好、养护工作量小等明显优点[6]。目前，我国已建成若干座大跨连续-刚构组合梁桥，在设计及施工方面已积累了一定的经验，但在北方寒冷、Ⅵ度地震区修建6跨一联的长联大跨高墩连续-刚构组合梁桥经验太少[7]。本文对晋蒙黄河特大桥的主要设计特点做了详细介绍，旨在对大跨长联连续-刚构组合梁桥的设计、施工积累宝贵经验。对于跨越河流、深沟等结合地形、地质布置成连续-刚构组合梁桥具有一定的实际应用价值，可供今后同类桥梁的设计、施工参考、借鉴[8]。