G106京廣線東明黃河公路大橋改擴建工程主橋設計

李明華

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

G106京廣線東明黃河公路大橋地處山東省菏澤市西北，被譽為“齊魯第一橋”。大橋主橋采用預應力混凝土連續剛構-連續梁組合結構體系，九孔一聯，分跨為(75+7×120+75)m，雙向四車道，寬18.5 m。大橋于1991年10月開工，1993年10月竣工通車。大橋的建成對連接G106國道干線公路，溝通魯、豫、冀三省邊境公路網絡，促進周邊地區經濟社會發展都有重要意義。大橋建成運行后，隨著經濟社會的快速發展，交通量增長迅速，橋梁病害發展較快。既有東明黃河公路大橋已經成為G106全線交通瓶頸，影響了兩岸民眾安全便捷出行以及G106國道干線功能的充分發揮。為此，相關部門提出在該橋下游新建一座黃河公路大橋，新橋作為既有橋的改擴建工程在投入運營后與既有橋合理分工，共同承擔G106兩岸跨黃河交通功能。

G106京廣線東明黃河公路大橋改擴建工程線路起點位于山東省東明縣菜園集鎮既有G106京廣線東明黃河公路大橋收費站附近東民路交叉口，沿既有G106京廣線向北，在既有東明黃河公路大橋下游側跨越黃河(新建橋梁與既有橋梁中心距30 m)，跨越黃河后繼續沿既有G106京廣線進行改擴建，止于河南省濮陽縣郎中鄉，與G106順接。路線全長7.620 km。

工程跨越黃河段主橋采用(75+7×120+75)m中央索面部分斜拉橋[1]。主梁采用變高度鋼筋混凝土連續箱梁，梁高3.18 m～6.18 m。橋面標準寬度33.5 m，設2.0%雙向橫坡。大橋結構體系為塔梁固結，塔梁與橋墩分離，每處主塔位置設置5對斜拉索，每對斜拉索橫向并排布置兩根。主橋主墩采用板式橋墩，基礎采用鉆孔灌注摩擦樁。

2 主要技術標準

1)道路等級：一級公路。2)設計速度：100 km/h。3)橋梁寬度：由雙向六車道、緊急停車帶、防撞護欄、中央分隔帶組成，全寬33.5 m。4)橋梁設計荷載：公路-Ⅰ級。5)地震基本烈度：地震動峰值加速度0.20g，橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防烈度為8度，橋梁抗震措施等級為四級。

3 橋梁孔跨及橋式方案比選

根據黃河水利委員會文件《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準》及本橋防洪影響評價要求：改擴建工程線路中心線位于既有公路橋下游30.0 m處，其主橋孔跨布置應與既有東明黃河公路大橋嚴格對孔布置，因此主橋孔跨布置形式為1孔75 m+7孔120 m+1孔75 m。

根據國內大跨橋梁設計和建造經驗，滿足主橋孔跨布置的結構形式較多，包括連續梁橋(包括預應力混凝土剛構-連續梁)、部分斜拉橋、拱橋等。因既有公路橋為預應力混凝土剛構-連續梁橋，2014年進行了加固改造，主橋采用斜拉體系改造多跨連續梁-連續剛構組合體系橋梁，新建橋梁與既有橋梁并橋布置，橋面間距僅4.0 m，從景觀角度考慮，改擴建工程宜優先考慮連續梁橋和部分斜拉橋，不宜采用拱橋。預應力混凝土連續梁橋雖然施工維養方便，但考慮到其自重較大，橋址地震基本烈度高，于抗震不利；波形鋼腹板部分斜拉橋雖然主梁減輕了結構自重，提高了結構抗震性能，但目前該橋型國內設計施工經驗較少，且后期養護工作量大。通過綜合對比結構剛度、施工周期、景觀效果、工程造價等，推薦主橋采用(75+7×120+75)m預應力混凝土部分斜拉橋[2-3]。

4 抗震設計

橋址區地震基本烈度為8度，對應的地震動峰值加速度0.20g，橋梁抗震設防類別為B類，抗震措施等級為四級。

主橋抗震設計中采用了一種新型的帶鎖止機構的減隔震支座[4]，該類型支座將速度鎖定器(LUD)與傳統摩擦擺支座相結合，通過在支座上設置縱向速度鎖定器來實現溫度位移與地震位移的分離，正常工作狀態下支座在平面摩擦副滑動以實現溫度條件下梁體正常位移，地震作用時速度鎖定器將平面摩擦副鎖定，實現地震位移與正常位移的分離。

針對主橋長聯大跨結構，在其固定墩采用摩擦擺減隔震支座，其余中墩采用帶鎖止機構的摩擦擺減隔震支座，邊墩采用普通球型鋼支座。通過該種支座約束體系既解決了傳統摩擦擺支座引起的梁體抬升問題，又避免了設置平面摩擦副帶來的減隔震效果降低問題，對于項目良好實施和類似橋梁項目借鑒使用，均具有重要意義。

5 結構設計

5.1 總體布置

主橋采用(75+7×120+75)m預應力混凝土中央索面部分斜拉橋(見圖1)。橋面寬33.5 m，設2.0%雙向橫坡。主梁采用變高度預應力鋼筋混凝土連續箱梁，整幅布置。采用塔梁固結、塔墩分離結構體系[5-8]，在主梁與墩柱位置設置支座，其中61號墩為固定墩，其余墩為活動墩。每墩橫向布置3個支座，中間支座橫向約束，兩邊支座橫向自由。

大橋共有8個主塔，每處主塔位置設置5對斜拉索，每對斜拉索橫向并排布置兩根，全橋共80根。基礎均采用鉆孔灌注群樁基礎。

5.2 主梁

主梁采用變高度預應力鋼筋混凝土連續箱梁[9]。針對橋址處地震烈度高的特點，采用常規的單箱多室截面布置形式，結構自重大，地震效應隨之增大。綜合比選后采用帶大挑臂的單箱雙室截面，大大減輕梁部結構自重，顯著降低地震效應。主梁采用單箱雙室截面，底寬18.0 m。主梁兩側設置7.75 m寬大懸臂(如圖2所示)。

主梁采用C50混凝土，支點位置梁高6.18 m，跨中梁高3.18 m，梁底曲線采用圓曲線過渡。箱梁頂板厚度25 cm，底板厚度28 cm～50 cm，腹板厚度60 cm～80 cm，主梁懸臂板每3.5 m設置一道加勁肋，厚度為28 cm，箱內對應位置設置一道橫隔板，無索位置板厚28 cm，有索位置板厚40 cm。箱梁懸臂現澆節段共15個，每節段長3.5 m，墩頂零號塊長13.0 m，梁上索距7.0 m，主塔位置無索區長度53.0 m，跨中無索區長度11.0 m。

主梁預應力束采用三向預應力體系，縱向按全預應力構件、橫向按A類預應力構件設計。縱向預應力采用高強度低松弛預應力φs15.2鋼絞線。鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa。錨具采用優質夾片群錨。頂板束采用15-19型，腹板束采用15-17型，中跨底板合攏束15-19型，邊跨底板與頂板合攏束采用15-15型。在每道橫隔墻位置布置橫向預應力，采用15-9與15-12鋼束。豎向預應力采用JL32精軋螺紋粗鋼筋，豎向預應力主要布置在有索區段中腹板及橫隔板位置。

5.3 橋塔

橋塔為鋼筋混凝土實體結構, C50混凝土，橋塔布置在主梁截面中央，與主梁固結，橋面以上有效塔高32 m，塔身橫橋向寬度為2.5 m，縱橋向塔頂寬度2.5 m，向下加寬至8.0 m，中間部分鏤空處理。上塔柱為斜拉索錨固區，斜拉索在塔上通過分絲管穿過橋塔，橋塔在拉索入塔和出塔處挖槽，便于拉索錨固。橋塔順橋向側布置檢修通道，方便后期對斜拉索橋塔錨固端、塔頂避雷裝置、航空障礙燈孔的檢修。

5.4 斜拉索

斜拉索采用φs15.2 mm環氧噴涂鋼絞線，每塔每側設5對斜拉索，全橋共80根，型號均為31-φs15.2鋼絞線，鋼絞線標準強度為1 860 MPa。斜拉索通過鞍座穿過橋塔，鞍座采用分絲管結構，鋼絞線分別穿過每孔分絲管，穿過分絲管的鋼絞線未剝落PE，橋塔兩端設置抗滑錨固裝置，在抗滑錨頭內壓注環氧樹脂砂漿，其對錨頭內的鋼絞線起到防腐作用。斜拉索錨固在主梁的中室錨塊上，錨具采用可換索式群錨體系，兩端張拉。

斜拉索在主梁錨固端、橋塔兩側抗滑錨固裝置內均灌注了環氧砂漿樹脂，更換斜拉索時，在錨固端釋放掉索力，在拉索自由端切斷，整批斜拉索拔出，整體更換。斜拉索總裝配圖如圖3所示。

5.5 橋墩、基礎

主墩墩身采用板式橋墩，墩頂橫橋向寬18 m，墩身橫橋向寬度14 m，順橋向寬度4.9 m；基礎采用20根直徑φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁。邊墩采用框架墩，墩頂橫橋向寬24.45 m，墩身橫橋向寬20.45 m，順橋向寬度3.6 m；基礎采用15根直徑φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁。

5.6 結構動力計算

5.6.1 計算圖示

主橋動力特性分析采用三維空間結構計算圖，主梁、墩柱、塔柱均采用梁單元模擬，拉索用索單元模擬，成橋狀態計算圖見圖4。

5.6.2 E1地震作用下結構的抗震性能驗算

驗算結果見表1，表1中抗彎能力在E1地震作用取截面的初始屈服彎矩My。

表1 E1地震作用下抗震能力驗算結果

5.6.3 E2地震作用下結構的抗震性能驗算

驗算結果見表2，表2中抗彎能力在E2地震作用取截面的等效屈服彎矩Meq。

表2 E2地震作用下抗震能力驗算結果

5.6.4 計算結論

抗震計算分析表明,主橋結構設置了帶鎖止機構的摩擦擺減隔震支座后,結構的抗震性能滿足要求。

6 結語

大橋于2021年9月開工建設，計劃2024年9月底建成。主橋采用中央索面部分斜拉橋，主梁采用帶大挑臂的單箱雙室截面，其建筑造型優美，與加固后的既有公路橋景觀協調；在安全、適用的基礎上獲得了美觀性與經濟性的平衡。同時，主橋結構設置了帶鎖止機構的摩擦擺減隔震支座，較好的解決了長聯大跨結構的抗震設計難題。