品质工程在运宝黄河大桥设计中的探索与实践

赵卫东

（太原市交通运输局，山西 太原 030001）

1 概述

品质工程，是“品位+质量”的融合，涵盖了项目规划、设计、建设运营管理。过去的工程建设存在重视建设期实体质量的硬指标而轻视前期规划设计质量的软指标；重视建设期评价检查验收而轻视规划设计理念品味的提升。运宝黄河大桥作为山西省高速公路网“西纵”高速和国家高速公路网呼北高速的重要组成部分，同时也是山西省在建项目的第一批品质工程，运宝黄河大桥结构新颖、工艺复杂、技术难点多、施工要求高，设计中充分研究，仔细论证，按照“品质工程”的标准进行了积极的探索与实践。

大桥主桥采用（110+2×200+110）m 波形钢腹板部分斜拉桥，副桥为（48+9×90+48）m 波形钢腹板连续- 刚构桥，主桥为塔梁墩固结矮塔斜拉刚构体系，副桥为连续- 刚构体系，是波形钢腹板同类桥梁中跨径世界第一，也是国内应用耐候钢规模最大的公路桥梁，同时还是国内首次采用波形钢腹板与混凝土腹板混用矮塔斜拉桥。

图1 桥型布置图

2 工程设计探索与实践

2.1 系统设计

2.1.1 全寿命周期成本

大桥以全寿命周期设计为核心，在工可研究阶段，对桥位进行了多方案比选，从建设成本、运营养护成本角度，进行了结构方案比选，以全寿命理念进行了项目财务分析评价；设计阶段，为提高工程耐久性，采取了多项措施来贯彻全寿命周期的理念：

a）主副桥采用波形钢腹板设计，避免桥梁腹板开裂，提高桥梁使用寿命，降低全寿命使用成本；降低了上部结构自重，减轻了桥梁地震反应，节约了建设成本；同时波形钢腹板采用耐候钢，避免普通钢材养护防腐涂装问题，降低后期运营成本。

b）合理预埋应变片，不但能监测建设期大桥各种施工状态，同时也为大桥运营管理期间健康状态提供精确数据。

c）设计埋置拉索传感器，合理监控拉索应力，为检测大桥使用状态提供依据，从而针对性地对拉索进行检修，延长使用寿命。

图2 耐候钢波形刚腹板矮塔斜拉桥

2.1.2 建养一体化

建养一体化为品质工程中的重要一环，充分考虑结构特点、建设工期、运营养护条件等因素，形成合理可行的设计方案。

a）大桥采用波形钢腹板，避免了混凝土腹板开裂的通病，解决了因腹板开裂造成的后期运营缺陷和养护问题。

b）桥波形钢腹板采用耐候钢，避免了普通钢结构后期大量的养护工作和费用。

c）通过合理设置检修人洞，在施工期施工设备可以快速布置，加快施工进度，在运营期可以方便检修人员进入箱体进行养护和检测。

d）预应力备用束的设置可以避免施工质量把握不足造成的管道堵塞等问题，同时也为在后期养护维修增加使用条件。

e）斜拉索采用分丝管锚固的方式，实现了后期运营期间单根更换钢绞线，避免整束更换，为养护带来便利性和可操作性。

f）设计中考虑设置监控系统，能够在后期运营期间实施监控大桥运营状态，为运营养护提供精准数据，为突发紧急事故提供直观视频信息。

g）合理预埋应变片和埋置拉索传感器，能监测建设期大桥各种施工状态，同时也为大桥运营使用提供精确数据。

2.1.3 耐久性设计

大桥在设计阶段从桥型、结构体系、施工、运营养护等多个方面进行了耐久性设计。

a）大桥主副桥采用耐候钢波形钢腹板是目前用钢量中最大的公路桥梁，从源头上减少腐蚀破坏，提高材料使用耐久性。

b）合拢段混凝土通过添加聚酯纤维，有效地防止合拢段混凝土开裂的问题，提高合拢段结构耐久性；大桥桥面调平层铺设聚丙烯纤维防水层，解决普通防水层渗水漏水的通病，有效防止桥面雨水进入结构主体。

c）大桥采用矮塔斜拉桥体系，解决了连续梁或连续刚构跨中下挠问题，通过后期调整斜拉索内力，解决跨中下挠，提高行车舒适度；结构预留运营期备用束和体外索，为结构在运营期实施养护和管理提供可能性。

d）大桥主梁竖向预应力采用无黏结预应力钢棒，它通过外包PE 保护套与混凝土不直接连接，张拉完成后无需进行压浆，避免传统钢绞线、精轧螺纹钢压浆不饱满导致预应力筋锈蚀的风险。

e）桥面下面层和黏层采用环氧沥青，具有良好的耐腐蚀性、高温稳定性和防水性，不但减少了雨水对主梁的影响，同时提高了铺装层的使用寿命。

2.1.4 精细化设计

大桥通过精细化设计，做到总体设计明确，专业衔接合理，减少“错、漏、碰”，防止结构通病。

a）大桥勘察设计采用以工程地质调绘、挖探等勘探手段为主，结合原位测试、室内试验的综合勘察方法对桥梁建设场地工程地质条件进行勘察，搭设水上钻孔平台，确保钻孔深度，并采取水样进行水质分析。

b）桥址位于黄淤26 断面附近，勘察分析桥址断面的河槽演变状况，根据主槽深泓点摆动范围在2 110.0～3 373.0 m，幅度为1 266.0 m，主河槽变化范围为1 400 m，从而为合理确定桥梁长度和基础设计提供了保证。

c）大桥采用外包式连接构造设计，解决了普通波形钢腹板与底板连接造成的局部开裂问题，通过模型试验与数值分析研究了不同几何参数下连接件极限承载力、抗剪刚度。

d）主桥断面采用波形钢腹板与混凝土腹板组合的截面形式，使得断面合理结合，发挥各自优点。

e）合拢段和铺装层混凝土通过添加聚酯纤维，有效地防止合拢段混凝土开裂的问题和普通防水层渗水漏水的通病。

f）大桥主梁竖向预应力采用无黏结预应力钢棒，避免传统钢绞线、精轧螺纹钢压浆不饱满导致预应力筋锈蚀的风险。

2.1.5 设计标准化

a）结合项目设计编制并发布地方标准《公路波形钢腹板组合箱梁桥设计规范》DB14/T 1552—2017，推行设计标准化，为类似桥梁设计提供指导依据。

b）合理划分钢腹板节段，实现了工厂的标准加工、运输的方便可行和施工的装配便捷。

2.1.6 设计创新

大桥设计通过计算分析论证试验等，使得相关设计对类似桥梁设计具有重要的工程实用意义，也对相关设计规程的发展作出重要贡献。具体设计创新包括以下几方面：

a）世界唯一的波形钢腹板与混凝土腹板组合，解决了单纯混凝土腹板自重过大，单纯波形钢腹板拉索锚固区受力性能受限的缺点, 提高了桥梁的抗震性能。

b）世界最大跨径的波形钢腹板矮塔斜拉桥,结构体系新颖。

c）全桥采用耐候钢，有效减少后期养护运营费用，增加了桥梁整体结构的耐久性。

d）外包式连接键有效解决了混凝土腹板与底边连接的问题。

e）为减小对湿地自然保护区的影响，桥面径流采用纵向集中收集，桥下定点储存排污的方式进行危化品和雨水收集排放。

f）大桥设计采用了无黏结预应力钢棒，合理化解了传统竖向预应力的通病。

图3 波形钢腹板与混凝土腹板组合

图4 外包式连接构造

2.2 安全设计

2.2.1 安全设施设计

桥梁安全设施设计包括完善的标志、标线、护栏、轮廓标、防眩设施、里程牌和百米牌等，并结合项目情况的特点进行针对性设计：

a）为提高夜间行驶的安全性，行车道外侧边缘线采用白色热熔型高亮度振动标线。

b）结合路段大型车辆比例大的特点，桥梁设置了双排轮廓标，除在距桥面高度60 cm 处设置了轮廓标外，在距桥面1.4 m 处增设了一排轮廓标。

c）防眩设施设计选用玻璃钢材质，重量更轻，兼顾了美观和安全性。

2.2.2 灾害防御设计

针对桥梁结构特点、地质灾害、自然灾害、环境灾害等进行防御工程设计，预防方案本着科学合理，应对措施得力有效的原则进行了针对设计：

a）大桥位于国家自然湿地保护区内，对大桥的雨污及危险品收集进行了专门设计，做到保护环境、抵御人为灾害的能力。

b）为确保大桥的桥墩安全，减少流冰期冰凌对桥墩的影响，在主河槽的几个桥墩采用分水尖设计防冰凌设计，避免自然灾害对桥梁主墩安全的影响。

c）大桥采用塔梁墩固结体系，利用上部结构轻、双薄壁墩纵向刚度小的优点，减小地震灾害的影响。

d）为解决运营、养护和应对突然事件的需求，设计采用桥梁监控摄像系统，对大桥全方位进行监控、检测，提高应对突发事件的能力。

e）对大桥进行了防雷设计，抵御雷电自然灾害的影响。

2.2.3 安全评价与风险评估

大桥在设计时进行了安全风险评估，通过安全风险评估，针对各不同方案确定了风险源的安全等级，为设计提供了安全保障，同时也为设计有针对性地提出了要求和建议，确保了结构的设计安全合理。

2.3 生态环保设计

2.3.1 生态防护

大桥位于国家湿地自然保护区内，坚持最大限度地保护自然环境，最小程度减少对保护区湿地和黄河水资源区等的影响：

a）大桥桥址处位于国家湿地自然保护区内，通过初步设计合理选线和桥梁孔跨布置，避开国家一级保护动物白天鹅栖息地，减少对湿地、种子资源保护区的破坏。

b）桥面径流系统将有害液体或初期雨水排出自然湿地保护区，保护区外设置排污池等措施，保护生态环境。

c）桥台处为多级边坡防护，采用绿色植被和护坡结合的方式，保护生态水土流失，种植土用于临时弃土场的复耕及绿化，保护地表植被的同时绿化了环境。

d）桥址区有国家重点一级保护动物白天鹅和种子资源保护动物，为减少对保护区内动物生态的影响，采用遮光声屏障，降低了夜间行车和照明对生态系统的影响。

2.3.2 节能环保

在设计中充分考虑了强化永临结合设计、环保设计、节约占地、推行节能设计。

a）利用已建服务区作为大桥管理公司和施工单位项目部，施工临时用电、用水和服务区的水电永临结合方案进行了设计。

b）桥头施工便道，完工后可作为场区道路永久使用。

c）大桥利用波形钢腹板代替传统的混凝土腹板，减少水泥等材料消耗，节约混凝土2 500 m3，减少环境污染；同时大桥还是首座裸用耐候钢的波腹板桥梁，节约涂装费用3 000 m3，避免了涂装，保护了环境。

d）大桥竖向预应力采用先进适用、环保的无黏结预应力，符合节能环保，适合推广应用的节能产品。

e）主桥桥塔航空警示灯采用节能、环保的太阳能供电系统，有效利用了太阳能这一清洁能源，大大提高了节能效果。

2.4 工程美学

2.4.1 建筑艺术

运宝黄河大桥采用打散重组的艺术设想进行创意设计，是一座与国家湿地自然保护区完美结合、建筑和艺术充分结合的体现，3 座主塔宛如3 对天鹅在碧波上翩翩起舞，展开的斜拉索好似凌空飞翔的羽翼，临近的矮塔犹如浓情蜜意的情侣，轻盈的薄壁墩恰似天鹅的双腿。

图5 主桥景观设计

2.4.2 环境融合

图6 环境融合

桥孔方案和桥型与环境自然融合，既使得桥梁结构不雍肿、堆砌，又使得桥梁造型与天鹅形象完美结合，加入美学元素与环境更是相得益彰。树立大桥为地标新形象，实现大桥景观设计与自然环境有机融合，正如唐代刘禹锡之作——水底远山云似雪，桥边平岸草如烟的桥、山、水、云、草、岸相融相衬的和谐美境。

2.5 人性化设计

运宝黄河大桥的建设打通了山西与河南高速公路网的断头路，完善G59 路网，为当地出行提供了极大便利；全桥段落内设置了完善的标志标牌以及路况情报板，为出行司乘人员提供贴心服务；大桥管理处与解州—陌南项目主线站的服务区、房建工程合建，充分体现资源节约和综合利用，人性化设计理念。

2.6 设计服务水平

大桥组建独立后期服务组，由总工程师任组长、专业副总工程师、项目负责人、技术工程师15 人组成服务组，常驻设计技术人员入驻现场，及时解决重大复杂问题；多次组织开展了设计回访，对工程中的重点问题，认真对待，分析论证；对图纸中表达不清、存有疑问或设计不完善的及时协调沟通优化设计，确保工程顺利进行。

3 结语

本文对运宝黄河大桥建设品质工程在设计阶段的探索与实践进行了详细阐述，目前大桥已经合拢，结合实践得到以下认识：

a）项目各方应深刻认识打造品质工程的意义和内涵，科学论证工程建设项目的立项、方案比选、工期确定，加强全寿命周期设计、安全、生态环保、工程美学、人性化等在设计阶段的执行和体现，全面提升工程设计理念、设计水平和设计品味。

b）实施公路品质工程的深化创建工作，应根据项目特点因地制宜，特别重视项目前期工作，规划设计是项目的龙头, 前期工作的质量决定了项目90%的品位、功能和服务质量。

c）运宝黄河大桥主桥采用（110+2×200+110）m波形钢腹板部分斜拉桥，副桥为（48+9×90+48）m波形钢腹板连续- 刚构桥，通过设计、课题研究、施工和建设管理为同类桥梁积累了宝贵的经验，采用耐候钢为桥梁全寿命周期内成本提供依据，极大提升了项目科技含量和品质。

d）设计中对品质工程的细节精细化之处固然值得参考，对新结构、新材料、新工法、新构造存在的不足和需改进之处更需要深度总结和吸收借鉴。