郑济高铁黄河特大桥总体设计

金 令,徐升桥,徐旭东,任为东,殷晓波,彭岚平,雷昕弋

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055； 2.河南城际铁路有限公司,郑州 450046)

1 概述

郑济高铁是连接河南、山东两个经济大省的区域干线铁路，线路起自郑州，经新乡、濮阳、聊城至济南，途中两跨黄河。其中，在郑州市东北新建郑州黄河特大桥，桥位位于京港澳高速公路刘江黄河大桥下游约3.5 km处。考虑该河段桥位紧张，为充分利用桥位资源，节省工程总投资[1]，郑州黄河特大桥采用公铁共建形式，除郑济高铁外，大桥还预留双线市域铁路和六车道城市快速路，以满足河南省社会经济发展对未来交通的需求。其中公铁共建长度12 180 m。

2 基础资料

2.1 地形地貌

大桥与右岸黄河大堤立交进入主河道，以全桥跨形式跨越黄河、马渡下延控导工程潜坝、防滚河坝，向左岸立交跨越黄河大堤。大桥在右岸位于京港澳高速公路黄河大桥下游约3.5 km处，在左岸则相距其约2 km，黄河主槽靠近右岸，两岸大堤间距约11 km，桥轴线的法线方向与河道主流方向夹角为14°[2]。郑济高铁黄河大桥桥址平面示意见图1。

图1 桥址平面

2.2 气象条件

工程地处中纬度区，属暖温带湿润、半湿润大陆性季风气候区，气候适宜，四季分明，雨量充沛。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷干燥。年平均气温15.1 ℃，累年极端最低气温-11 ℃，极端最高气温42.5 ℃；年平均降水量614.8 mm；郑州区域年最大风速15.1 m/s，主导风向为西；季节最大冻土深度0.23 m，最大积雪厚度0.32 m。

2.3 工程地质

桥址区位于黄河冲积平原区，未发现断裂构造，且区内第四系覆盖层较厚，下伏地质构造对桥梁工程影响较小。沿线所经过的地层按其成因和时代分类主要有：第四系全新统人工堆积层(Q4ml)填土。第四系全新统冲积层(Q4al)粉土、粉细砂、中砂、粉质黏土，第四系上更新统冲积层(Q3al)粉土、粉细砂、中砂、粉质黏土。

2.4 地震

依据GB50111—2006《铁路工程抗震设计规范》(2009版)，结合钻孔自然地表下25 m范围内等效剪切波速192～231 m/s综合判定：场地土类型属中软土，故此类场地类别为Ⅲ类。根据GB18306—2015《中国地震动参数区划图》，郑州高铁黄河特大桥位于7度和8度震区[3]。

2.5 桥址水文及桥墩冲刷

大桥位于黄河下游典型的游荡性河段。河道两岸修有大堤，洪水完全靠两岸大堤束范。滩地除有嫩滩和二级滩地外，受1855年兰考铜瓦厢决口改道后溯源冲刷的影响，增加了一级高滩，即三级滩地。滩面向大堤和下游倾斜，堤根低凹，滩面横比降大，洪水漫滩后，大堤根附近常集流成河，形成深槽，称为顺堤河，简称堤河。桥位上下游堤河、串沟明显，一旦洪水漫滩顺堤行洪，流速很大，将造成堤坡冲刷，严重威胁堤身安全。高滩上多已耕种，村庄众多，并有不少集镇。该河段由于堤距较宽，水面辽阔，因而溜势分散，泥沙易于淤积，河道中沙洲密布，水流散乱，主溜摆动频繁，新淤滩岸多为沙质，抗冲能力弱，进一步加剧了主溜塌滩坐弯，极易形成横河、斜河，顶冲大堤，威胁堤防安全，是历史上决口频繁河段。新中国成立后虽没有发生决口，但是危及堤防安全的重大险情时有发生，因此本河段是历年汛期防守的重点。拟建桥位桥式桥墩总冲刷深度计算结果见表1。

表1 拟建桥位桥式桥墩总冲刷深度计算结果 m

为保证桥梁安全，《防洪评价》建议从右岸马渡下延工程潜坝中心线起，向左至生产堤连线约4 800 m的河宽范围内，在确定基础埋置深度时，设防流量(22 000 m3/s)洪水总冲刷深度27.81 m，冲刷线高程63.03 m，左、右岸滩地冲刷深度13.17 m，冲刷线高程77.67 m，左岸堤河范围内总冲刷水深约为18.66 m考虑，冲刷线高程为72.18 m。

3 主要设计标准

(1)郑济高铁主要技术标准

铁路等级：高速铁路

正线数目：双线

设计速度：350 km/h

线间距：5.0 m

设计活载：ZK荷载；

(2)市域铁路主要技术标准

铁路等级：城际铁路

正线数目：双线

设计速度：160 km/h

设计活载：ZC荷载；

(3)公路主要技术标准

道路等级：城市快速路

车道数目：双向六车道

设计速度：100 km/h

路面类型：沥青混凝土

设计荷载：城—A级

公路桥梁总宽：32.5 m。

公路桥面布置见图2。

图2 公路桥面布置(单位：cm)

其余部分应满足JTG B01—2014《公路工程技术标准》的有关规定。

(4)地震: DK374+964.76～DK385+500为8度区，根据场地类别调整后设计地震动峰值加速度0.2g，特征周期0.55s；DK385+500～393+484.34段为7度区，采用《新建郑州至济南铁路郑州至濮阳段重点工程场地地震安全性评价报告》提供的地震参数，设计地震动峰值加速度0.151g，特征周期0.5 s；DK393+484.34～DK409+286.86段为7度区，根据场地类别调整后设计地震动峰值加速度0.172 5g，特征周期0.55 s。

(5)通航标准：通航要求为规划Ⅳ级通航标准，净空高度为8 m。

(6)最高通航水位：采用2070年水平10年一遇的洪水位93.80 m。

(7)设防水位：采用2070年桥位处22 000 m3/s流量洪水位94.52 m。

4 主桥设计

根据防洪影响评价成果，桥位处黄河主槽摆动幅度为2 000 m，同时考虑本桥为公铁合建，桥梁横向较宽，确定主河槽内跨度不小于112 m，主跨不小于168 m。据此，本桥跨越主河槽主桥分两部分布置，第一部分采用1联(112+6×168+112) m连续钢桁梁桥，联长1 232.0 m，第二部分采用7孔112 m简支钢桁梁桥，共长784.0 m，合计主桥总长2 016 m。

主桥第一部分1-(112+6×168+112) m连续钢桁梁，计算跨度为(111.0+6×168+111.0) m，梁全长1 231.1 m。桥式为带有竖杆的下弦加劲华伦式桁架，平行弦部分桁高15.0 m，中支点桁高加高15.0 m，通过调整加劲弦节点桁高使桥梁立面呈现连拱造型。钢主梁采用三桁结构，桁宽(13.4+13.4) m，边跨节间长10.5 m、12.0 m，中跨节间长度12.0 m[4]。

主桥第二部分7-112 m简支钢桁梁，采用带竖杆华伦式桁架，平行弦布置，桁高15.05 m，节间长11.06 m。横向布置为三片桁，横向间距13.4 m+13.4 m。

郑济高铁黄河特大桥主桥立面布置见图3， 112 m钢梁主桥立面布置见图4， 连续钢桁梁支点断面布置见图5。

图3 郑济高铁黄河特大桥主桥立面布置(单位：m)

图4 112 m钢梁主桥立面布置(单位：cm)

图5 连续钢桁梁支点断面布置(单位：cm)

主桁弦杆均为箱形截面，腹杆采用箱形截面或工形截面，铁路桥面为正交异性钢桥面板，为增加承轨处刚度，轨下设有小纵梁[5-6]。

主桁钢材采用Q370qE与Q420qE，顶面焊接，其余三面采用M30高强度螺栓拼接。桥面系与联结系均采用Q370qE钢，顶板焊接，腹板与底板采用M24高强度螺栓拼接。

由于列车运营速度达到300 km/h后，会导致道砟飞溅并加速道床粉化，加速车辆老化增加养护维修工作量，一般采用有砟轨道钢桥设计速度不超过250 km/h[7-8]。为达到350 km/h设计速度，决定在本桥钢结构主桥上铺设无砟轨道。经过研究，在正交异性钢桥面板与轨道底座板之间设置混凝土板作为过渡措施，以加强桥面刚度，承受列车轮载作用冲击，也为无砟轨道结构的衔接创造了有利条件[9-10]。混凝土板与整体钢桥面间利用剪力钉联结成整体，轨道底座板与混凝土板之间的连接也进行了加强，轨道板与底座板之间则设置了特殊的减振垫层以隔离桥梁与轨道结构，起到协调变形与减振降噪的作用[11-12]。

公路桥面为肋板体系混凝土结合桥面。预制板采用先张法制造，在满足施工期间受力需要的同时提高了制板效率，在湿接缝浇筑后张拉第二批预应力，使桥面形成整体[13]。桥面板通过剪力钉与钢桁梁上弦连接，形成了钢桁结合梁体系，为全桥提供了良好的整体刚度。

桥墩采用三柱式墩身结构，中柱横桥向尺寸5.0～6.0 m，顺桥向6.0～7.0 m；边柱横桥向4.0～5.0 m，顺桥向6.0～7.0 m，桥墩之间设置系梁。基础采用钻孔摩擦桩，桩径2 m，桩长89～98 m。见图6。

图6 连续钢桁梁中墩(382号墩)结构(单位：cm)

主桥第一部分为长联结构，上部结构恒载质量超过10万t，为减少地震响应，控制结构位移，采取了减隔震支座+阻尼器的抗震体系[14-15]。共设置摩擦摆支座27个，阻尼器22套。见图7。

图7 黏滞阻尼器设置示意

5 引桥设计

黄河与长江等其他河流不同，其主河槽游荡不定，历史上曾多次决堤改道，导致其河槽宽度较大，下游河段常宽达数千米，以郑州开封附近为甚。桥位处两岸大堤间距约11 km，因此仅滩地内引桥长达9 km，加上分离段则超过10 km，这也是黄河下游桥梁的一个重要特点[16]。

郑济高铁黄河特大桥滩地引桥跨度，黄河水利委员会对该河段行洪要求跨度不小于40 m[17]，因此铁路主要采用标准跨度40 m简支箱梁，公路采用40 m跨先简支后连续多片小箱梁。公路、铁路引桥采用上下层叠放合建的方式，用大跨度钢桁梁立交跨越南北两岸黄河大堤后，公路引桥再平面弯出分离。公铁共建段40 m梁横断面布置见图8。

图8 公铁共建40 m梁段横断面布置(单位：cm)

结合中国国家铁路集团《高速铁路大跨度简支梁建造关键技术研究》相关科研成果，开展了跨度40 m预应力混凝土梁工法的优化研究，综合考虑梁场、大临设施等费用，将铁路箱梁制梁场与公路小箱梁制梁场合建共用。对比分析表：采用预制架设工法可降低造价570余万元，经济效益显著，同时质量更加可控，施工风险也更低[18]。

最终整孔预制架设法架设黄河北岸滩地引桥344孔40 m铁路梁的工艺方法获得采用，成为世界上40 m高速铁路整孔预制架设箱梁的首次工程应用[19]。

合建段采用(73+139+73) m连续钢桁结合梁跨越黄河北大堤，采用跨度120 m简支钢桁梁跨越黄河南大堤，桁式及断面布置与主桥第二部分基本相同[20]。连续钢桁梁计算模型见图9。

图9 (73+139+73) m连续钢桁梁计算模型

跨过大堤后公路与铁路逐渐远离，直至留有足够安全距离。分离段在公路临近铁路侧设置异物侵限监测装置及第二道防撞护栏，最大限度保护铁路运营安全。公铁共建分离段横断面布置见图10。

图10 公铁共建分离段横断面布置(单位：cm)

6 主要科研项目

郑济高铁黄河特大桥在设计过程中积极探索，对长联大跨高速铁路无砟轨道钢桥、高速铁路大跨度整孔预制架设简支箱梁应用等若干铁路前沿工程技术进行了科研攻关。

(1)针对长联大跨高速铁路无砟轨道钢桥主要开展了以下研究：大跨度无砟轨道连续钢桁梁桥结构设计研究；大跨钢桥-无砟轨道变形参数和桥梁刚度限值研究；长联大跨无砟轨道连续钢桁梁桥施工关键技术研究；连续钢桁梁桥轨道结构设计与措施研究。

(2)针对高速铁路大跨度整孔预制架设简支箱梁应用技术开展了以下研究：40 m简支箱梁设计研究；1 000 t-40 m级搬提运架设备研究；经济与适用性研究；高精度BIM模型应用等研究。

这些科研工作的及时开展与获得的研究成果，为郑济高铁黄河特大桥工程建设提供了必要的技术支持，取得了良好的应用效果。

长联大跨无砟轨道连续钢桁梁桥和40 m整孔预制架设箱梁这两项关键技术均属国际首创，有力地推动了我国高速铁路桥梁建造技术迈向世界顶尖行列。

7 结语

郑济高铁黄河特大桥于2017年开工建设，2020年5月大桥主桥顺利合龙，预计2022年建成通车，届时将是我国首座跨越大江大河的高速铁路大跨度无砟轨道钢结构桥梁。该桥在建设过程中取得了多项科研技术成果，有力地支撑了大桥的顺利实施，为郑济高铁按时建成通车打下了坚实基础，同时也将为大跨度钢桁梁桥上铺设无砟轨道积累宝贵的实践经验，为类似桥梁工程勘察设计提供参考和借鉴。