怀来城市道路跨官厅水库720 m悬索桥主桥设计与创新

金 令,徐升桥,邹永伟,高静青

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 工程概况

河北省怀来县城市道路工程(沙城-东花园)，是连接沙城与东花园的主要通道之一，是怀来县城市道路网基础设施的重要组成部分。道路起点位于G110国道，下穿京包铁路，跨越官厅水库，下穿京张铁路，与康祁公路相接，全长8.418 km。官厅水库特大桥是其控制性工程，大桥跨越官厅水库，桥位距上游京包铁路桥[1]70 m，距下游京藏高速公路桥[2]1 750 m、京张高铁铁路桥[3]1 680 m，几座桥梁走向基本一致，见图1。

图1 官厅水库桥位示意

官厅水库是新中国成立后建设的第一座大型水库，属永定河水系，目前为北京市备用水源地，一级水源保护区[4]，国家湿地公园。库区周围环境优美，为京西旅游景点，2019年位于水库东北角的延庆曾举办世界园艺博览会。

2 工程技术特点与创新

官厅水库特大桥是怀来城市道路的控制性工程，连接了水库两岸北京与张家口两市，是我国北方地区中少有的大型地锚悬索桥，该工程具有以下技术特点。

(1)官厅水库为一级水源保护地，环境保护要求极高。

(2)桥址位于旅游区，国家湿地公园内，曾举办过世园会，对桥梁景观有着高要求。

(3)地处峡谷平湖，桥址环境多风沙。

(4)作为怀来城市道路工程，由县级政府投资建设、运营管理。

在桥梁设计过程中，围绕这些工程特点开展了研究和技术创新。

(1)加劲梁钢结构创新应用免涂装耐候钢，避免了油漆涂装施工和维修对水库水体的污染。

(2)采用新型多纵梁抗风主梁，利用多片纵梁作为稳定板，既改善了结构的抗风特性，又提高了主梁的复合承载能力。

(3)为避免初期桥面雨水和意外泄露的污染物污染水质，采用长寿命设计的新型桥面雨水收集系统。

(4)考虑到县一级政府的养护维修力量和资金有限，针对性开展了低维护设计，着力降低钢结构和桥面铺装的维护保养频次。

3 主要技术标准

(1)道路等级：城市主干路；

(2)设计行车速度：60 km/h；

(3)横断面布置：双向四车道，两侧设置非机动车道、人行道；预留双向六车道；

(4)设计荷载：汽车荷载—城-A级，非机动车与人群荷载按CJJ11-2011《城市桥梁设计规范》取值；

(5)设计基准期：100年；

(6)设计洪水频率：300年一遇；

(7)抗震设防标准：地震基本烈度8度；地震动峰值加速度0.2g；

(8)设计基本风速：标准高度10 m，平均时距10 min，重现期100年，设计基本风速为V10=26.3 m/s。

4 总体设计

4.1 总体设计

官厅水库特大桥与既有京包铁路并行跨越官厅水库，一跨跨越官厅水库水面，桥梁全长1 988 m。大桥分为单跨悬索桥主桥、两岸引桥，见图2。

枯水期水库水面宽度650 m，将2个主塔墩置于岸上减少基础施工对水环境的影响，据此确定主桥跨度为720 m。桥型方案为单跨双铰悬索桥，主缆跨径为(210+720+210) m，桥面总宽33.6 m；在设计成桥状态下，中跨理论矢跨比为1/9.5；全桥共2根主缆，主缆横向间距为25.8 m，吊索纵向间距15 m；边跨无吊索；主塔高107.8 m，主塔基础采用钻孔灌注桩；锚碇采用重力式沉井基础[5]。

图2 主桥立面布置(单位：m)

南北岸引桥各布置7联3×30 m预应力混凝土连续小箱梁，桥面宽度30.5 m，梁高1.6 m，每孔由10片小箱梁组成，桥墩采用双柱式桥墩，基础采用钻孔灌注桩基础，两岸引桥总长1 268 m。

4.2 桥面布置

所属道路为城市主干路，双向四车道，行车道布置为2×(3.5+3.75) m，预留六车道通行条件。桥面两侧防撞护栏外缘间距25 m，中央分隔带宽1.0 m，行车道与非机动车道之间不设固定护栏，两侧防撞护栏外侧设2.5 m人行道，人行道下布置线缆槽。

桥面总宽33.6 m，吊杆横向间距25.8 m，桥面铺装采用50 mm厚改性沥青SMA-13+热洒布改性沥青防水黏结层[6]，桥面布置兼顾近期及远期，具体见图3。

图3 桥面布置(近期)(单位：cm)

5 结构设计

5.1 主塔

主塔采用钢筋混凝土框架结构，南北主塔结构一致，塔柱全高(从塔座顶至鞍座底)107.8 m，分别由上、中、下塔柱及上、下横梁组成。

索塔横桥向为门式框架结构，两塔柱间的横向中心距，塔顶为25.8 m，塔底为39.60 m，横向呈1∶15.623的坡度。塔柱为箱形截面，对下塔柱截面进行了特殊设计，将外缘截面过渡为三角形(壁厚从边缘向中间逐渐加厚)而形成六边形截面；上、中塔柱为了减小风阻系数、抗震性能及景观效果，截面四周切60 cm×60 cm的直角。

塔柱为钢筋混凝土结构，塔柱顶截面6.5 m×4.5 m，塔底截面8.5 m×6.1 m，壁厚1.2～2 m，在交界部位一定范围内壁厚逐渐加厚。上、下横梁为预应力混凝土结构。下横梁高7 m，横桥向长32.08 m，顺桥向宽6.6 m，顶、底、腹板厚度均为0.8 m。上横梁横向设置为下置K形，高度由中间的5 m向两侧渐变至8 m，横桥向长约21.6 m，顺桥向宽5.1 m，采用单箱单室截面，顶、底、腹板厚度均为0.8 m。具体构造见图4。

图4 主塔构造(单位：cm)

主塔基础采用分离式，每个塔柱对应1个承台，每个承台平面尺寸为22.2 m×19.8 m，承台厚5 m，每个承台设23根直径1.8 m钻孔灌注桩；承台与塔柱之间设塔座，塔座高度为3 m。

5.2 加劲梁

本桥对两种加劲梁方案进行了比选，以确定主桥加劲梁推荐方案，一种是常规的扁平钢箱梁，另一种是钢—混组合结构加劲梁。

(1)钢箱梁方案(图5)

加劲梁采用扁平钢箱梁，单箱多室截面，中心处梁高3.0 m，顶底板采用正交异形板，为封闭式箱体结构。为保证结构受力，沿吊索位置设有纵向腹板。桥面采用6 cm厚环氧沥青混凝土铺装[7]。

主梁标准节段长15 m，箱体总宽33.6 m，吊索横桥向间距25.8 m。纵桥向每隔3 m设置1道横隔板，端部特殊节段横隔板间距2.3 m。正交异性钢桥面顶板厚12 mm，纵向加劲肋采用U形肋，桥面设2%双向横坡，通过箱体横截面变化实现。

加劲梁为单跨简支结构。在主塔下横梁顶设置横向挡块及阻尼器以抵抗风力和地震力的作用[8]。

图5 钢箱梁横断面

(2)钢-混组合结构方案(图6)

加劲梁采用由钢纵横梁—混凝土桥面板组合成的结合梁，中心梁高3.03 m，顶板为20 cm厚钢筋混凝土板，支撑结构由钢主梁和钢横梁组成，其中钢主梁高2.477 m，横梁高2.735 m(跨中)[9]。桥面铺装为5 cm厚SMA-13改性沥青混凝土，单层结构。

主梁标准节段长15 m，对应吊索位置设两片主梁，中心距为25.8 m。吊索锚点设在主梁腹板正上方，两锚点之间设有加强横梁。纵桥向每隔3 m设置1道普通横梁，端部特殊节段横梁间距2.3 m，除端横梁采用箱形截面外，其余横梁均采用工字形截面，桥面横坡通过变化横梁梁高实现。

由于组合梁为开放式截面风稳性能较弱，需要设置额外的抗风措施，而地方政府希望尽可能减少桥面以上抗风设施以便运营维护，为此专门设计了两道纵梁兼做梁底稳定板的加劲梁型，配合主梁外侧的风嘴，满足了结构的抗风性能要求，也提高了主梁的复合承载能力，同时养护的需求降低了。

混凝土桥面板全宽为25.0 m，钢筋混凝土结构。预制桥面板上桥前存放6个月以减少收缩徐变，后浇带部分通过剪力钉与钢格子梁结合后共同受力[10]。

图6 钢-混组合梁横断面

吊索与加劲梁的连接通常有锚后承压式和吊耳销接式两种。锚后承压式需将吊索锚点设置在加劲梁的内部，由于结构空间的限制，吊索的安装及维护较为困难。吊耳销接式在加劲梁顶面上设置耳板，通过销轴与吊索叉耳连接，便于安装和维护。本桥两种加劲梁方案均采用吊耳销接方式，在吊索位置纵向隔板(钢箱梁方案)/钢主梁(组合梁方案)穿过顶板形成吊耳，作为吊索锚点。每处吊点设有2个备用销孔，以方便吊索的安装和更换。吊索锚点构造见图7。

图7 吊索锚点构造(单位：mm)

(3)加劲梁方案比选

两种方案技术上均可行，组合梁比钢箱梁结构自重增加约33%，会造成下部结构与缆索费用增加，但节约加劲梁用钢3 000余t，经测算总体造价相当。然而，钢箱梁方案采用的环氧沥青铺装，造价约3 500万元；若采用结合梁方案，桥面铺装采用SMA改性沥青即可，造价约1 000万元。目前，国内钢桥面的沥青铺装普遍寿命较短[11]，相比组合梁方案的桥面铺装耐久性更好、重铺次数更少，且SMA单次铺装费用远较环氧沥青低，估算在桥梁寿命期内仅桥面铺装后期维护费用一项，组合梁方案仅为钢箱梁方案的1/5，维修量预计约为1/2。通过综合考虑，两种方案虽然造价相当，结合梁方案运营期维护费用低，同时可基本避免钢箱梁正交异形板病害隐患，因此采用结合梁方案为推荐方案。

(4)耐候钢应用

钢材的腐蚀是影响钢结构桥梁寿命的主要因素。为了防止钢材的腐蚀，需要对钢桥表面涂覆防护涂层，不但耗费资金，同时会产生较大污染。由于涂层寿命有限，还需定期清理锈迹和旧涂层，用新的涂层替代，这将不可避免对周围环境和水体产生污染。耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是指含少量合金元素在大气中具有良好耐蚀性的一类低合金高强度钢，主要合金元素有Cu、P、Cr、Ni、Si、Mn、V、RE等。耐候钢在使用过程中表面会逐步形成一层致密的、附着牢固的腐蚀产物保护膜，阻止大气中的氧、水及其他腐蚀性介质对基体进一步腐蚀，其耐蚀性是普通碳素钢的4～8倍[12-13]，并且由于其具有较高强度，且价格远较不锈钢合理。由于官厅水库为北京市备用水源，应在建设及日后维护期间考虑尽可能减少对水源保护区的污染、保护环境，同时减轻县级管理机构后期运营养护压力。结合较为干燥清洁的使用环境，本桥加劲梁着重研究了免涂装高性能耐候桥梁钢技术路线，认为可行。经济分析显示虽然初期建设费用采用耐候钢增加约600万元，但与普通低合金桥梁钢+涂装相比，省去了后期涂装维护费用4 000余万元，节约了全寿命周期成本，有利于节能减排，最终选择Q345qENH耐候钢，免涂装使用，耐大气腐蚀指数I≥6.0，钢板以TMCP状态交货，焊接敏感性指数Pcm≤0.20。为减少初期锈水、使外观均匀，耐候钢外露表面要求预先进行锈层稳定化处理[14]。见图8。

图8 现场洒水处理后的免涂装耐候钢加劲梁节段

5.3 主缆

全桥共2根主缆，预制平行索股，每根主缆由91根索股组成，采用PPWS法施工。每束索股由127根φ5.25 mm的平行高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度1 770 MPa，主缆截面如图9所示。

图9 主缆截面(单位：mm)

由于本方案主梁采用钢-混凝土结合梁，与钢箱梁主梁相比，结合梁主梁结构自重较大，结构恒活比大，因而主缆应力验算安全系数取值应根据实际情况，在参考国内外的工程实例的基础上予以调整，以体现经济适用的设计原则。下面对本方案主缆应力验算安全系数取值作一简要论述。

式中σb——主缆钢丝公称抗拉强度，MPa；

σ——主缆钢丝计算应力，MPa。

该取值是参考国内、外实桥采用值，结合我国设计、施工的实际情况规定的[15-16]。设计者亦可根据镀锌钢丝的抗拉强度、活载拉力的比重等因素及桥梁结构设计的实际状况，选用合理可靠的安全系数。表1列出国内外多座悬索桥主缆安全系数值。

表1 已建桥梁主缆强度安全系数

综合考虑，本桥主缆安全系数取值为2.5。

5.4 吊索系统

目前，吊索主要有钢丝绳吊索和平行钢丝吊索两种，二者应用都较成熟。随着预制平行拉索技术的不断进步，采用平行钢丝吊索具有强度高、吊索截面小、防腐性能好、与主梁的连接构造简单等优势，因而吊索采用高强平行钢丝。

吊索纵向间距15 m，横向间距25.8 m，每个吊点均设置2根吊索；吊索采用销接式，吊索上端通过耳板与索夹连接，下端通过叉形耳板与主梁上的锚板连接。吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外挤包双互层PE进行防护，钢丝采用直径为5 mm的镀锌高强钢丝，钢丝标准抗拉强度不小于1770 MPa，每根吊索139丝。吊索构造见图10。

5.5 索鞍

(1)主索鞍

为支承主缆并将主缆所受竖向力传给主塔，主塔塔顶设有鞍座，鞍座采用铸焊组合形式[17-18]。为方便索股定位及传力需要，在鞍槽壁与隔墙之间、隔墙与隔墙之间设置竖向隔片，在索股全部就位后并调股后，在顶部用锌块填平，再将鞍槽侧壁用螺杆夹紧。为减轻运输吊装重量，施工时将中塔主鞍鞍体分成两半，吊至塔顶后用高强螺栓拼接起来。

塔顶主鞍座预偏量1.025 m，设置预偏顶推临时装置。主塔索鞍构造如图11所示。

图10 吊索构造

图11 主塔索鞍构造(单位：mm)

(2)散索鞍

为便于主缆锚固，主缆于锚碇前设置起支承转向作用的散索装置。国内外常见的散索装置有两种：散索鞍和散索套，二者均有较成熟的技术。当主缆在散开过程中需要向下转角时，常采用散索鞍，否则可直接采用散索套。相对于散索鞍，散索套工程量小，制造加工相对简单，维护工作量少，工程造价相对节省。本方案由于主缆入锚时需要转角，采用散索鞍结构。散索鞍如图12所示。

5.6 主缆锚固系统

目前，主缆常用的锚固体系有钢支架体系[19]及预应力体系[20]两种。

钢支架锚固体系：锚固系统采用双股锚和单股锚相结合，锚杆均为焊接H形钢制杆件(单束锚杆前端过渡为箱形)，锚杆上端伸出锚体混凝土外，与主缆索股相连，下端与锚梁连接，锚梁则埋在锚体混凝土的后端。为保证钢支架定位准确，施工时需在锚体内设置钢结构定位架。

预应力钢绞线锚固体系：主缆丝股与锚体前面的钢制拉杆相连，拉杆通过连接平板、连接套筒及预应力钢绞线锚固在锚体上。锚固系统采用双股锚和单股锚相结合，钢绞线采用环氧钢绞线，采用真空压浆技术，保证压浆的密实性。

两种锚固体系受力均较为明确，施工难度不大，工程造价也相差不大，但是预应力钢绞线锚固体系是采用夹片锚固方式，使用寿命有限，后期需要更换，更换的难度较大，费用也较高，而钢支架锚固体系为全寿命设计，后期不需要更换，养护维修费用低，因而推荐采用钢支架锚固体系。具体构造见图13。

图12 散索鞍构造(单位：mm)

图13 主缆锚固系统构造(单位：cm)

5.7 锚碇

锚体在平面上呈K形，尾部横桥向宽55 m，前端分离，锚体顺桥向全长50.051 m。在锚块和压重块之间设置有1.5 m宽的后浇段，锚块和鞍部之间设置有1.5 m宽的后浇段，后浇段内用微膨胀混凝土浇筑。室侧墙厚70 cm，前墙厚50 cm，锚室顶盖板厚20 cm。锚体外侧及后端设置有装饰块，其与锚体主体结构浇筑为一体。构造见图14。

图14 锚碇构造(单位：cm)

根据锚碇区的地质情况，锚碇基础选择采用沉井基础。沉井采用矩形结构，锚碇沉井钢筋混凝土沉井平面分为16个井孔，底节沉井设钢刃脚。南北锚碇沉井纵桥向长度50 m，横桥向宽度56 m；锚碇沉井井壁与隔墙间的倒角为1.5 m×1.5 m，隔墙与隔墙间的倒角为0.6 m×0.6 m。沉井顶板厚6～10 m；封底混凝土厚6 m；为保证沉井结构受力合理，远离主桥侧8个隔舱填充C20混凝土压重。具体构造见图15。

图15 沉井基础构造(单位：cm)

北锚碇选择粗砂层为持力层，沉井基础埋深32 m，沉井基底高程为443.3 m。南锚碇持力层为卵石土层，沉井基础埋深33 m，沉井基底高程为442.3 m。沉井顶面高程为475.3 m。

6 结语

官厅水库特大桥是目前我国华北地区最大跨度的地锚悬索桥，针对桥址环境和工程特点进行了大量设计研究和科研攻关，在耐候钢应用、加劲梁结构、雨水与污染物处理等方面开展了多项技术创新。大桥设计充分关注桥梁景观融入环境，最大限度减轻了大桥建造与运营养护对一级水源地的污染，同时考虑县一级的养护维修力量尽可能采用低维护设计。免涂装耐候桥梁钢在该桥的广泛应用，将有力推动耐候钢技术在国内桥梁领域的发展，对北方地区同类桥梁建设具有借鉴意义。官厅水库特大桥主桥已于2019年贯通，于2020年通车。本桥的建设将大大改善怀来城区和东花园之间的交通状况，使怀来与北京的联系更加紧密，促进怀来经济文化发展。