济南凤凰黄河大桥总体设计

2021-12-16常付平许为民李盘山王媛媛

城市道桥与防洪 2021年11期

常付平，许为民，李盘山，王媛媛

[1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.济南城市建设集团有限公司，山东济南 250100；3.滕州市交通运输局，山东滕州277500]

1 项目背景

济南凤凰黄河大桥[1]位于济南市东北部，是连接济南新东站与崔寨地区中心的南北向交通性主干道。项目路线南起凤凰路与荷花路交叉口，依次跨越邯济至胶济铁路联络线、南水北调工程济东明渠后继续往北，在小河套村向西北方向延伸，跨越黄河后与G 220 平交，见图1。桥位距上游石济客运专线桥约5.1 km，距下游济南黄河三桥约3.1 km。工程全长6.683 km，全线包含特大桥两座，其中跨黄河段大桥总长3 788 m，跨邯济至胶济铁路联络线及南水北调济东明渠桥总长1 323 m。跨黄河段桥梁为公路交通与轨道交通共建段，集约利用宝贵的过河通道资源，节省工程造价；其他桥段为公路交通与轨道交通分离布置。

图1 项目地理位置图

2 设计标准

（1）道路等级：一级公路兼城市主干路。

（2）行车速度：60 km/h。

（3）车道宽度：2×（4×3.5 m）。

（4）设计荷载：汽车为公路Ⅰ级（城—A 级复核）；人群按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD 60—2015）取用。

（5）设计洪水频率为1/300；300 a 一遇洪水位为36.09 m。

（6）通航：Ⅳ级航道，通航净宽不小于130 m，通航净高不小于8 m；设计通航最高水位为35.3 m。

（7）环境类别：II类环境。

（8）风：地表类别A 类，基本风速（100 a 重现期）28.6 m/s（规范值）。

（9）地震：本工程抗震设防烈度按不低于7 度（0.10g）进行抗震设防。

（10）冰压力：最高冰凌期水位24.984 m，最大冰厚0.48 m，冰压力750 kN/m2；

（11）预留轨道工程

a.车辆

根据济南市轨道交通R1 线现阶段设计成果，暂按100 km/h 的6 编组A 型车控制，车辆固定轴距2.5 m，定距15.7 m，重车轴重为170 kN。列车活载计算图式见图2。

图2 列车静活载计算图式（单位：m）

b.二期荷载

按有砟轨道考虑，直线段二期恒载124.2 kN/m，曲线段129.2 kN/m。

3 桥梁总体设计

3.1 纵断设计

3.1.1 跨黄河段纵断控制条件

（1）通航净空：内河Ⅳ级航道，设计最高通航水位35.3 m（1985 国家高程系统，下同），通航净空高度8 m。

（2）防洪要求：设计洪水位36.09 m，梁底高程不得低于38.47 m。

（3）跨大堤净空要求：跨大堤处梁底高程不得低于42.6 m。

3.1.2 跨线段纵断控制条件

（1）南水北调堤顶路净空：堤顶路净空不小于4.5 m。

（2）邯胶铁路联络线净空：桥下净空不小于10.0 m（轨顶标高28.6 m）；且需预留挂篮施工空间。

3.2 横断面设计

（1）横断面布置形式

目前，国内已（在）建公铁（轨）共建[2-3]桥梁，多采用分层布置模式，即上层布置机动车道，下层布置轨道交通或者铁路交通，该种断面布置方式机动车爬坡高度大，再者济南段黄河为悬河，堤顶与两岸接线地面标高差10 多米，分层布置会导致两岸接线长度加长，且与横向交叉道路沟通困难。因此本桥共建段采用公轨同层布置。

公轨同层布置分为轨道交通对称布置在结构外侧、轨道交通布置于结构单侧及轨道交通居中布置三种形式。从结构受力的合理性以及轨道交通运行的安全性上来看，轨道交通布置在外侧桥面排水不易处理。在发生紧急情况时，轨道交通布置在桥梁内侧对疏散人群更为有利。因此本桥按照轨道交通居中布置方案。

（2）横断面设计

道路等级为一级公路兼城市主干路，双向8 车道，每幅桥宽16.5 m，中间设10.2 m 轨道交通预留空间，两侧设3 m 非机动车道和1.75 m 人行道，考虑主桥结构宽度后，横断面全宽61.7 m，见图3。考虑到水中引桥需顶推施工，横断面布置同主桥，不进行结构区变化。

图3 主桥、水中引桥横断面（单位：m）

考虑道路的顺接及工程造价，跨大堤引桥范围结构区变化，安全距离由4.5 m 变至0.65 m，公路桥两内侧防撞栏杆间距宽19.2～11.5 m，桥梁全宽54.0～61.7 m，见图4。

图4 跨大堤引桥横断面（单位：m）

陆上引桥及跨线引桥（跨南水北调桥梁、跨邯胶铁路联络线桥梁除外）为双向8 车道，分两幅布置，每幅桥宽16.5 m，两幅之间预留轨道交通空间11.5 m。跨邯胶铁路联络线桥梁为双向八车道，两侧设2.05 m两级防撞区，每幅桥宽18.7 m，两幅之间预留轨道交通空间11.4 m；跨南水北调桥梁为双向八车道，两侧设3.0 m 非机动车道和1.75 m 人行道，分两幅布置，每幅桥宽21.25 m，两幅之间预留轨道交通空间11.5 m，见图5。

图5 引桥标准断面（单位：m）

3.3 孔跨布置

3.3.1 跨黄河段孔跨布置控制条件

桥位处大堤间距约2 300 m，主河槽宽度约830 m，稍偏向右岸。主河槽两侧为滩涂。左右两岸堤后均为淤背区，宽度均约100 m。河槽横断面见图6。

图6 河槽横断面

跨黄河段桥梁孔跨布置主要考虑以下几个因素：

（1）根据（黄建管【2007】48 号）规定，黄河干流陶城铺以下建桥，主河槽孔跨不小于180 m，滩地孔跨不小于50 m，且采用全桥渡跨越方式。

（2）黄河下游干流桥梁跨越堤防需采取立交方式。为满足堤防工程管理与抢险交通的需要，采取立交方式跨越堤防的，两岸跨堤处梁底标高应考虑河道冲淤影响，满足大桥设计水平年（50 a）的设计堤顶高程加4.5 m 交通净空。

（3）根据防洪评价结论，桥位附近河段现状宽度约830 m，主河槽内最多只能设一个桥墩（或桥塔）。

（4）桥梁跨越堤防，桥墩应离开堤身设计堤脚线一定距离（原则上黄河不得小于5 m）。山东段黄河淤背区内仅可设置一个桥墩。

（5）桥位河段规划为Ⅳ级航道，通航净空高度不小于8 m，通航净宽不小于130 m。

3.3.2 跨线段孔跨布置控制条件

（1）桥梁工程设计及施工不能侵入南水北调工程济东明渠界桩范围（约73 m），承台需埋至河床底面以下。

（2）桥墩不侵入邯胶铁路联络线路基边坡范围内。

3.3.3 孔跨布置

综合考虑上述控制条件及台后填土高度，跨黄河段桥梁总长3 788 m，跨线段桥梁总长1 323 m。具体布置见表1。

表1 桥梁孔跨布置

3.4 主桥设计

主跨428 m 的桥梁，可选择的桥型主要有悬索桥、斜拉桥、拱桥和桁架桥等方案。该跨径桁架桥造价不占优势，且建筑高度较低，标志性弱，景观效果不突出。上承式、中承式拱桥桥下拱肋结构宽度较大，防撞要求高。根据防洪评价批复下承式拱桥结构做成四跨或六跨，景观效果一般。黄河“有水不能行船，无水不能行车”，斜拉桥的施工方案无法按照一般大跨斜拉桥的悬拼施工，同样需要大量支架转运或者顶推，经比较分析斜拉桥比悬索桥便宜4.1%，经济性不显著，但效果与悬索桥相比相差较大，因此最终采用悬索桥结构体系。

主桥桥型方案采用三塔自锚式悬索桥[4]，跨径布置为70 m+168 m+428 m+428 m+168 m+70 m=1 332 m。主缆跨径布置为171.5 m+428 m+428 m+171.5 m，中跨矢跨比为1/6.15，边跨垂跨比为1/15.6。主梁采用组合板组合梁[5]，宽度61.7 m，梁高4 m，吊索标准间距9.0 m。桥塔采用A 型混合塔结构。矩形承台，钻孔灌注桩基础。总体布置见图7。

图7 主桥总体布置（单位：m）

3.5 水中引桥设计

对于跨径70～80 m 的桥梁结构，可采用钢箱梁、混凝土梁和钢－混凝土组合梁等方案。混凝土梁结构自重大，特别是对于超宽断面，桥面板横向受力大，需配置桥面板横向预应力，施工较复杂。因此不推荐采用混凝土连续梁。组合梁桥的经济性比采用正交异性钢桥面板钢箱梁优，而且组合梁桥能避免采用正交异性钢桥面板带来的疲劳问题，降低运营期间的养护难度，提高了桥梁的耐久性，因此推荐采用组合钢箱梁桥。

北侧水中引桥总长320 m，跨径布置4×80=320 m，见图8；南侧水中引桥总长210 m，跨径布置为3×70=210 m，见图9。主梁均采用等高单箱四室组合钢箱梁，梁高4.0 m，宽度为61.7 m。墩柱采用多边形截面空心墩，矩形承台，钻孔灌注桩基础。

图8 北侧水中引桥总体布置图（单位：m）

图9 南侧水中引桥总体布置图（单位：m）

3.6 跨大堤引桥设计

主跨165 m、245 m 桥梁可采用桥型为梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥及桁架桥等。本工程主桥采用主跨428 m 三塔四跨自锚式悬索桥，出于全桥景观考虑，跨黄河大堤引桥桥面以上不宜设置结构物，因此跨大堤引桥桥型选定为梁桥体系。

桥位地质条件较差，且跨大堤桥梁桥墩高度很低，不适宜采用连续刚构。大跨径预应力混凝土连续梁桥要用大吨位支座及合龙后需进行体系转换，给施工、养护（尤其是支座更换）带来许多不便，也不适合采用。而钢箱梁结构造价高、刚度较弱，且桥面铺装易产生疲劳破坏，耐久性较差，后期养护维修麻烦，因此推荐采用变高连续组合梁。

南侧跨大堤引桥采用跨径组合为104 m+165 m+104 m=373 m，见图9。主梁采用变高度连续钢箱组合梁桥，梁高4.5～7.0 m，桥面宽度54.2～61.7 m。墩柱采用多边形截面空心墩，矩形承台，钻孔灌注桩基础。桥跨布置见图10。