晉蒙黃河特大橋總體設計

韓 鋒

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 項目概況

晉蒙黃河特大橋位于山西省河曲縣和內蒙古自治區準格爾旗之間黃河干流上，是山西省高速公路網規劃“三縱十二橫十二環”第三橫（靈丘—河曲）的重要組成部分。采用雙向六車道技術標準建設，大橋全長2 133 m，主跨為152 m PC連續梁-連續剛構組合體系橋。大橋由主橋及兩側引橋組成。

大橋總體布置由山西岸至內蒙岸：8×50 m先簡支后連續T梁＋（82.68＋4×152＋82.8）m＋（82.8+3×152+82.72）m PC連續梁-連續剛構組合體系+11×30 m先簡支后連續T梁。

橋梁設計主要技術標準如下：

a）設計速度 80 km/h；

b）路基寬度 32 m；

c）荷載等級 公路-Ⅰ級；

d）設計洪水頻率 特大橋1/300；

e）設計基本風速 32.7 m/s；

f）地震烈度 Ⅵ度地震區，采用Ⅶ度抗震措施。

2 分孔原則與橋型方案選擇

2.1 主橋

從地形、地質和氣象水文等條件出發，根據實際需要，主橋橋孔布置滿足通航規劃與凈空要求，按照適孔布置原則即可，經綜合技術經濟比較，主橋采用（82.68＋4×152＋82.8）m＋（82.8+3×152+82.72）m 兩聯連續-剛構橋設計方案。主橋橋型總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋型總體布置圖（單位：cm）

2.2 引橋

引橋長度占全橋橋梁總長的20%，考慮到橋梁跨越S249、明長城遺址以及納榆線等，設計分孔研究時對山西岸橋孔選取50 m的跨徑，內蒙岸選取30 m跨徑。從施工常規和施工簡便的要求考慮，上部構造采用梁式體系，初步設計階段進行了預制T梁與移動模架現澆箱梁方案比較。考慮到T梁吊裝重量較同等跨徑箱梁小、施工便利，同時考慮到山西側引橋所跨越的省道S249無改線空間，且山西側岸坡地形較陡，應盡量減少在陡坡布置橋墩個數，減少下部承臺基礎挖方量，避免對自然環境的過多破壞，降低施工難度和安全風險，因此山西側引橋采用50 m T梁；而內蒙側引橋所處地勢平坦，橋高基本在30 m以下，采用30 m T梁。

3 橋梁主要結構設計及技術特點

3.1 主橋

主橋平面位于直線段，縱斷面位于凸形豎曲線上，最大橋高51.5 m。橋面全寬32 m，采用分幅設置，單幅主梁截面形式為單箱單室，頂板寬15.75 m（含兩側各10 cm后澆帶），底板寬8 m，翼緣板懸臂長為3.875 m。墩頂0號塊梁高9.5 m，跨中合攏段梁高3.4 m，主梁根部至跨中合攏段梁高按1.7次拋物線變化。懸澆梁段頂板厚度32 cm，底板厚度32～90 cm，腹板厚度 50～70 cm，0號塊頂板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。箱梁頂設2%橫坡，梁底保持水平，兩側腹板不等高。主梁采用懸澆法施工，最大懸臂長75 m，合攏段長2 m，邊跨現澆段長5.3 m，主梁邊中跨比為0.541 4。主橋典型橫斷面如圖2所示。

圖2 主橋典型橫斷面（單位：mm）

主梁采用C55混凝土，三向預應力體系。縱向預應力鋼束型號：頂板束、腹板束、邊跨合攏束為23φs15.2，其中 2號梁段頂板束 T2及 T2’為19φs15.2；邊跨底板束為21φs15.2；中跨合攏束為19φs15.2。

主橋橋墩均采用矩形空心墩形式。連續墩縱橋向寬度5 m，橫橋向寬度10 m；剛構墩縱橋向寬度4 m，橫橋向寬度8 m；最大墩高43.5 m，為分聯墩。

橋址處地基土以薄層互層狀砂巖與泥巖組成，以交錯層發育為特征，強度較低，屬極軟巖，且變異性較大。根據項目特點：跨徑大、高度大，對地基強度及變形要求高的特點，基礎采用有效樁徑為2 m的鉆孔灌注群樁基礎，按摩擦樁設計，樁長56～60 m。為防止黃河泥沙沖刷樁基，河道中主墩在樁頂15 m長度范圍設永久性鋼護筒。交界墩、分聯墩采用分離式承臺，承臺厚度3 m，接6根直徑2 m的鉆孔灌注樁。連續墩、剛構墩采用整體式承臺，承臺厚度5 m，接24根直徑2 m的鉆孔灌注樁。主橋橋墩斷面如圖3所示。

本橋為連續梁和剛構混合體系，墩高及約束形式的不對稱使得各跨受力差異較大。由于剛構墩截面尺寸較小，承載力不足以抵抗地震力；同時，連續墩的承載力沒有得到利用。為克服上述缺點，在連續墩墩頂設速度鎖定裝置，地震來臨時，連續墩被鎖定，參與地震力分配。由于連續墩剛度大，分擔了較多的地震力，連續墩的承載力得以發揮；剛構墩彎矩減小，安全儲備提高。為了使地震作用分布更為合理，除18號墩外（最矮墩），其余連續墩（9號、12號、13號、15號墩）均設置速度鎖定器。

圖3 主橋橋墩斷面（單位：cm）

圖4 速度鎖定器布置及構造圖

3.2 引橋

引橋上部結構為先簡支后連續預應力混凝土T梁，單幅橋寬15.75 m，橫向7片梁通過濕接縫連接為整體。50 m T梁高2.8 m，下部采用圓柱式墩、矩形墩、矩形空心墩，最大墩高42 m；30 m T梁高2.0 m，下部采用圓柱式墩，最大墩高26.2 m。

3.3 主要設計特點

與同類橋梁相比，本橋在設計中處于較為領先地位，其主要特點體現在以下幾個方面[1-2]：

a）基于黃河特定環境的防護需要，主橋橋墩均考慮破冰體防護，結構采用高標號混凝土。

b）基于本橋較大承載能力要求與地質條件較差的現狀，主墩設計采用大直徑、長樁基、大承臺設計。

c）河道中主墩樁頂以下15 m設置2 200×16 mm鋼管兼做鋼護筒以防止泥沙沖刷。

d）主橋連續墩設速度鎖定器，縱向地震荷載作用下所有主墩均參與地震力分配，使縱向地震力不控制下部結構設計。

e）主墩承臺采用整體式，在橫橋向風載荷和橫橋向地震荷載作用下較分離式承臺方案基礎工程規模明顯減少。

4 主橋結構計算分析

4.1 靜力分析

主橋上部按全預應力混凝土構件設計，三向預應力體系，采用MIDAS 2010有限元程序考慮多種工況組合進行計算與校核，進行了成橋狀態下恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變、支座強迫位移、風荷載、溫度變化等作用的計算[3]，計算結果均滿足規范要求，結果詳見表1、表2所示。

表1 主橋第一聯主梁主要驗算指標表 MPa

表2 主橋第二聯主梁主要驗算指標表 MPa

4.2 動力分析

對于主跨大于150 m的特大橋，抗震設防類別采用A類，抗震設防目標是E1地震作用下不受損傷，E2地震作用下可發生局部輕微損傷經簡單修復可繼續使用。地震作用下主橋主要受力構件不可采用延性設計，不允許出現塑性鉸[4-5]。

結構動力分析按《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）分別按反應譜理論和時程分析進行抗震計算，將橋梁上、下部及基礎作為空間整體結構，用MIDAS系列軟件進行反應譜及時程分析，分析結果取其中最大值。速度鎖定器采用縱向剛性連桿模擬，樁土作用采用六自由度彈簧模擬，地基比例系數m取300 000 kN/m4。主橋為直線橋，地震荷載順橋向和橫橋向地震作用分別考慮。

表3 恒載+順向地震作用下第一聯墩底截面內力對比

從表3可直觀看出，不設置鎖定器時，地震力主要由兩個剛構墩承擔。由于剛構墩截面尺寸較小，承載力不足以抵抗地震力；同時，連續墩的承載力沒有得到利用。若在連續墩墩頂設速度鎖定裝置，地震來臨時，連續墩被鎖定，參與地震力分配。由于連續墩剛度大，分擔了較多的地震力，連續墩的承載力得以發揮；剛構墩彎矩減小，安全儲備提高。

表4 順向地震作用下第二聯墩底截面彎矩對比 kN·m

從表4可以看出，在地震作用下，第二聯與第一聯有著相似的彎矩分布。不同之處在于第二聯18號墩較矮，抗推剛度大，因而承擔了更多的地震力。若取消18號墩速度鎖定器，該墩彎矩明顯減小，而其余各主墩彎矩略有增加。

5 結語

晉蒙黃河特大橋建設條件復雜、技術難度大、設計工作涉及方面多、協調任務重、周期短、任務艱巨。主橋采用大跨長聯連續-剛構組合梁橋具有行車條件好、養護工作量小等明顯優點[6]。目前，我國已建成若干座大跨連續-剛構組合梁橋，在設計及施工方面已積累了一定的經驗，但在北方寒冷、Ⅵ度地震區修建6跨一聯的長聯大跨高墩連續-剛構組合梁橋經驗太少[7]。本文對晉蒙黃河特大橋的主要設計特點做了詳細介紹，旨在對大跨長聯連續-剛構組合梁橋的設計、施工積累寶貴經驗。對于跨越河流、深溝等結合地形、地質布置成連續-剛構組合梁橋具有一定的實際應用價值，可供今后同類橋梁的設計、施工參考、借鑒[8]。